以培养能力培养为导向的“三维实体建模与仿真设计”课程教学改革

吴 飞，何永玲，宋孟天，庞启硕，韩星晖，胡文睿

（北部湾大学 机械与船舶海洋工程学院，广西 钦州 535011）

0 引言

随 着 计 算 机 辅 助 设 计（omputer Aided Design CAD）技术的广泛应用，掌握三维CAD技术已经成为应用型本科院校机械专业学生的基本技能之一。“三维实体建模与仿真设计”（下文简称“三维设计”）课程是面向机械工程类各专业开设的一门重要专业课程，学生完成该课程学习后，基本能利用三维绘图软件进行零部件设计及制图，能利用Motion模块的相关功能进行机构分析以及基于三维实体模型的产品开发。为了满足社会对机械类人才的要求，笔者所在的机械与船舶海洋工程学院开设了“三维实体建模与仿真设计”课程及相近的课程，包括：Computer Aided Engineering（CAE）、computer Aided Manufacturing（计算机辅助制造的核心是计算机数值控制(CAM）等工程应用软件课程，使整个学习变成一个闭环系统，其中CAD三维设计软件（UG）是这一系统学习的基础。为激发学生学习兴趣，提高学生的实践创新能力，同时为后续的课程打好基础，把CDIO、OBE[CDIO代表构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate)]等国际先进工程教育教学理念融入应用型高校的办学中，提出了以大学生学科竞赛为平台，培养能力为导向的“三维设计”课程教学改革实践。

1 传统教学模式的不足与课程建设思路

1.1 学生学习面临的困难

学生刚开始接触制图课程，因缺乏对实际结构的认识，空间想象力弱，比较难将一个结构复杂的机械结构在大脑里形成完整的影像，即使完成了课堂教学，也是仅有一些专业名称或简单结构能记住，要把具体结构想象出来也只有少部分同学能做到。学生在刚开始学习时，空间想象能力提升非常困难，导致部分学生对该课程产生畏惧心理，进而失去对该课程的进一步学习的信心。由于本门课程是后面学习的课程基础，故学习好该课程尤为重要。

针对上述问题，我们对新生的培养方案是一步改革，减少课堂理论授课时间，相应加大实践教学，形成“理论-实践-竞赛”的教学模式。

要求教师单次只带20人以内的学生，让学生上课过程中有充分机会接触到实物。将往届竞赛作品进行剖析、分解、再组合。也就是将作品实物带到课堂中去，分别拆开一一解读，让学生能够实地的看见工程结构的组成，观察实物的几何结构，从而提高空间想象能力。

1.2 毕业生能力不高

企业反馈：应届毕业生普遍存在眼高手低现象，学生到了企业难以快速上手工作，这个问题最根本的原因就在于学生在学校没有进行相应有效的实践学习。应用型本科培养的主要目标就是企业工程师，能够解决工程实际问题。虽然学生在校期间也都学习了工程图学、计算机辅助设计以及相关的课程设计课程，但要是真的开始制图时还是无从下手，根本问题就是训练不够。在教学中可以通过学科竞赛作为依托，课堂上仿竞赛，课后完成“竞赛”作品，参加学科竞赛（全国大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛、全国大学生机械创新设计大赛、全国大学生工程训练综合能力竞赛和全国三维数字化创新设计大赛等）比赛中的设计、制作等环节，不断的“练-思考-再练”，完成学生动手能力的培养，为学生毕业进入企业工作打下重要铺垫，同时建立强大的自信心，勇敢面对生活，持续进步。

1.3 创新思维能力薄弱

三维设计这门课程，传统的教学目标仅仅将制图能力及识图能力作为课程目标，导致学生创新能力不足。创新能力的培养也是重中之重，是时代的要求和个人竞争力的有力体现。因此，在教学过程中需要注入该“血液”，通过学科竞赛题目，学生可以自主完成作品的设计来达到“竞赛”的目的，也即在“竞赛”的过程中学生充分发挥主观能动性，完成作品结构设计与制作。通过这一方式可以有效地提高学生创新能力的培养。

1.4 课程建设思路

针对以上问题，“三维实体建模与仿真设计”课程的传统授课方式注重“理论+实操”相结合。理论上教师将操作命令知识作为教学重点，采取“讲解—示范”的方式，系统地讲解了建模的知识，课后布置作业。这样的教学方式学生在学前不预学，课后难以将所学知识融会贯通内化为自己的能力。

因此，需要建立以学生为中心、以能力培养为导向的教学模式，以学科竞赛作为平台，结合教学需求，将历年竞赛题目与作品融入教学内容中，“以任务为导向，比赛引领”的课程建设思路。同时，鼓励学生进行产品创新设计，提高学生的动手实践能力、思维能力和探究能力。

2 以学生能力培养为导向的课程教学改革实践

教育部组织开展的机械类学科竞赛主要包括全国大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛、全国大学生机械创新设计大赛、全国大学生工程训练综合能力竞赛和全国三维数字化创新设计大赛等，学生要在规定的时间内完成作品的设计和制作，要求学生具备机械设计、力学分析、控制、材料成型及加工等多方面的知识技能和经验，是完成竞赛作品必要的知识与能力。

在比赛过程中都会大量利用三维设计软件来完成竞赛作品的设计、仿真动画等环节，该软件可以提高工作效率，增强作品的可行性与可靠性。

社会对人才能力的需求变化对高校提出了高的要求，因此，针对学生实际情况，学校应调整对三维造型软件课程的教学方式，调整该课程的教学目标、教学模式、丰富教学内容、完善考核体系。故，以全国大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛和全国三维数字化创新设计大赛为载体，从教学内容、教学实践、教学方法和教学模式等四方面入手进行改革，同时将课程思政元素融入，培养高素质人才。

2.1 能力为导向的教学方式的意义

为满足当代快速发展的需要，对高校学生提出了更高的要求，学生能力的提升作为重重之重。三维设计能力作为工程设计的重要能力。因此，提出以培养能力为导向的结合学科竞赛的新型教学模式，旨在提高学生综合能力。学生在全国大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛和全国三维数字化创新设计大赛等学科大赛中，将理论和实际结合，提高学习兴趣，加强能力培养。

通过学科竞赛、科创活动等方式，激发学生自主学习，加强课程教学内容和提升教师教学素质。通过与课程教学密切相关的学科竞赛，将国内外的图学教学思想加入到机械制图创新的教学中，提高教学水平。

2.2 教学内容

我校机械类专业学生三维设计课程开设在大二第一学期，学生刚完成工程图学课程的学习，对零件结构的组成和构型有一定的认识和识图能力，也了解图纸的二维设计的整个过程。在此阶段开设三维设计课程可以很好的满足学生对三维制图的好学心。

为更好地融合工程图学课程内容与全国大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛和全国三维数字化创新设计大赛主题，实践教学应以项目为驱动，选择与实际生产相结合、具有代表性的二级减速器[5]。具体内容见表1。

表1 二级减速器三维设计教学内容与要求

2.3 教学实践

“三维设计”课程侧重在教学实践的实施，以学科竞赛为中心，设置实践教学、教学延伸和质量评价体系3个模块，如图1所示。其中，实践教学以教材中的案例和竞赛过程中竞赛作品，竞赛作品案例一般为竞赛过程中作品的关键机械零部件等；教学延伸即以各类学科竞赛应用为依托；质量评价包含阶段性的大作业和竞赛作品。

图1 教学实践环节

教学中的案例符合工程实际，题材丰富，主要取自教材、科研实验、实习企业、生活用品等，同时也是学科竞赛的重要比赛选题。一般而言，选择典型的部件作为案例，例如减速器、泵等，这些零部件便于取材，有利于学习，学生学习效率高。通过这些案例的操作学习，学生反复操作，做到熟能生巧。在一定阶段学习后要提交大作业，内容可以将往年竞赛要求做适当调整，学生再进行自由选题、自行设计，鼓励创新。

在实践教学中，以全国机械创新设计大赛、全国三维数字化创新设计大赛等学科竞赛为延伸，注重先进性、实用性和创新性，从而保证教学内容的开展。同时，设计了“大作业”“竞赛作品”等质量评价方式，用以检验教学内容和实践环节的成果，通过大作业的反馈来适时调整教学要求、内容和安排。

2.4 教学方法

课前布置学习任务单完成预习和练习作业题，课上一起回顾上节课所学知识。

课堂上，教师通过知识点提问、演示等方式，检验学生课前自学的学习效果，发现学生在自学时存在的问题以及还未理解和吸收的知识点。然后教师通过引导式教学方法，结合生活中的案例，为学生进行讲解。教师在讲述过程中，多与学生进行互动，吸引学生的注意力，提高学生的学习兴趣。同时互换身份，课堂上，教师可以让学生上去为其他学生进行讲解，教学在学生讲解结束后，对其内容进行补充完善，对其学生进行鼓励表扬，这样既培养了学生的自学能力，也加深巩固了学生的知识，也提供一个展示自己的机会。

另一方面，鼓励学生通过其他方法来完成，并谈谈自己的感受，各自的优缺点，自主思考从而加深对知识点的理解与掌握。

2.5 教学模式

将学科竞赛与日常教学相结合，如学科竞赛“项目化”能有效促进课程体系的完善和改革，从而提高教学质量。

教学中通过仿效学科竞赛参赛形式，将全班学生分成多个小组，每队3～4人。小组竞赛需要在规定时间内完成作业与期末作品，所选题目不能相同，在老师给出的题库中选择，要求学生分工协作、相互交流，完成对应的项目作品；作品中要包含零件的源文件、仿真动画、word文稿以及ppt等内容；最后进行作品答辩，展示学习成果，为参加全国三维设计创新大赛、全国大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛做准备[6-7]。

3 结语

本研究针对“三维建模技术”在整个专业、行业的特殊地位，深入分析了如何利用“三维建模技术”为实际工程减少设计时间，提高设计水平。通过课程教学改革，依靠“全国大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛”“全国三维设计创新大赛”等学科竞赛，引导学生充分利用课内外的学习学会如何从准备到模拟再到参与的全过程进行学科竞赛。这一过程是将课堂知识任务化、项目化，学生不仅掌握了基本的“三维建模”知识，也提前了解部分装备原理。

通过团队的分工与合作、各种技能的学习与掌握、实践能力和解决问题的能力都得到了有效锻炼或提升，团队意识也得到了加强，这些都为后续参加“机械创新设计大赛”“工程训练大赛”等赛项提供坚实的基础。调动了学生学习“工程制图”和 三维软件的积极性和主动性，提高了学生学习的兴趣。