融入OBE理念的CAD/CAM基础课程混合式教学研究与实践

摘  要：针对CAD/CAM基础课程内容涉及较多理论原理、算法、程序实现等特点，充分利用线上线下相结合的混合式教学方式优点，根据搭建的CAD/CAM基础在线资源课程平台，通过融入OBE理念，阐述“以学生为中心”混合式教学模式设计思路、课堂教学方法和课内实验改革和实践，培养学生自主学习能力和创新意识，提高课程教学质量，达成课程教学目标。

关键词：OBE理念;混合式教学模式;CAD/CAM基础;教学改革和实践

中图分类号：G642 文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）05-0066-05

Abstract： Aiming at the characteristics of "Fundamentals of CAD/CAM" involving many theoretical principles， algorithms， program implementation and so on， the advantages of blended teaching mode combining with online teaching and offline teaching are made the best use， the teaching ideas， reform and practice of classroom teaching method and in-class experiment for blended teaching mode based on "student-centered" are elaborated by incorporating the OBE concept according to the "Fundamentals of CAD/CAM" online resource course platform， so as to cultivate the students' independent learning ability and innovation consciousness， to improve the teaching quality and  to attain the teaching objectives.

Keywords： OBE concept; blended teaching mode; Fundamentals of CAD/CAM; teaching reform and practice

CAD/CAM即计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM），是计算机技术在工程应用中最重要的体现之一，是产品设计、成型制造领域中的一项关键技术，也是成型制造领域重要的发展方向之一[1-2]。随着科学技术的进步以及全球制造业激烈的竞争环境，掌握CAD/CAM技术是现代工程技术人员必备的技能之一，也是适应“中国制造2025”发展规划下对人才培养的需求。为了提高学生利用现代工具的能力，武汉理工大学材料成型及控制工程专业在近几年的培养方案中开设了多门与CAD/CAM相关的理论课程、实践课程。

CAD/CAM基础是材料成型及控制工程专业的一门专业基础课，课程内容主要介绍在计算机辅助设计和制造中工程数据处理、图形处理、几何造型以及曲线曲面处理的基本原理和方法。课程内容涉及方法多、学科交叉、知识点密集，特别是其中图形处理涉及的矩阵变换、曲线曲面参数化内容等，公式较多，比较抽象，教学过程中有一定的难度，而且该课程又是今后本专业其他CAD/CAM实践课程应用的理论基础，是本专业的一门核心课程，支撑本专业两个毕业要求指标点。由于课时限制，采用传统的教学方法很难将所有知识点高效率地传授给学生，课程教学目标达成度偏低，因此立足于满足工程教育认证标准，利用武汉理工大学网络教学平台建设了CAD/CAM基础在线资源课程平台，采用线上线下相结合的混合式教学方式开展了该门课程的教学改革。为了培养学生自主学习的能力和创新意识，提高课程教学质量和课程教学目标达成度，在线上线下混合式教学的过程中，融入了国际工程教育认证“以学生为中心”的OBE核心教学理念，重新优化设计了课程理论教学内容和课内实验教学内容、改革了课程教学方法和课内实验实施方式。

一、融入OBE理念的混合式教学模式设计思路

（一）OBE教育理念

OBE（Outcome Based Education，简称OBE）即成果导向教育，是一种以学生的学习成果（Learning  outcomes）为导向的教育理念，由美国学者Spady在1981年首次提出，其核心理念是以学生为中心，结果为导向，持续改进，认为教学设计和教学实施的目标是学生通过教育过程最后所取得的学习成果[3]。OBE教育是一种先进的教育理念，已形成了一套比较完整的理论体系和实施模式，美国工程与技术教育认证协会（ABET）全面接受了OBE的理念，并将其贯穿于工程教育认证标准的始终，是教育范式的革新[4-5]。

（二）混合式教学模式

随着现代科学技术和互联网的迅猛发展，在美国的哈佛大学和麻省理工学院掀起的在线教育课程（Massive Open Online Courses，简称MOOCs）浪潮后，中国也开始了“互联网+教育”时代高校教育的改革思考和实践探索。我国一些发达和先进地区的高校如北大、清华、上海交大进行了高等教育课程的改革和探索，率先建设了一系列资源丰富MOOCs、视频公开课，推进了我国高等学校各学科专业课堂教学模式的改革，混合式教学应运而生[6-7]。

混合式教学模式（blending learning）是国际教育界在由美国为代表提出的“E-learning”发展而来的，是在线（online）教学和离线（offline）教学的一种整合，是面对面课堂教学和网上交互辅助教学形成的一种混合模式[6]。一般是指学生根据教师要求在课前进行线上自主学习，在课堂上，教师只是对重难点知识进行讲授，结合讨论、答疑及习题测验等方法，开展协作探究和互动学习的教学模式[8]。由于混合式教学通常是以网络教学平台为载体，利用视频、图片、PPT等多媒体素材，采用线上线下相结合的模式进行教学，课前向学生布置相关学习内容进行预习，课中通过讲授、讨论等多种方式进行重难点知识点讲解，课后布置相关的思考题或任务进行巩固复习，学生通过学习网络教学平台相关课程资源直接获取所需知识或者间接与同学、教师沟通交流获取所需知识。这种教学模式打破了传统课堂“教师讲，学生被动接受知识”的状况，学生主动参与课堂学习的程度更高。这种教学模式不仅激发了学生学习的兴趣，还提高了学生自主学习的能力，符合当前新工科背景下高校人才培養的需求，是近年来我国高校各专业学科广泛开展的一种提高课程教学质量的课程教学模式改革。

（三）混合式课程教学模式设计思路

为了满足工程认证的标准要求，材料成型专业调整了2017版培养方案，按照调整的专业培养方案要求，CAD/CAM基础课程学时为40学时，其中理论学时为32学时，实验学时为8学时，课程支撑本专业两个毕业要求指标点——设计/开发解决方案和使用现代工具，为了达成毕业要求指标点，本课程设计了三个课程教学目标：

（1）正确认识和处理人与计算机之间的关系，熟悉计算机辅助设计和制造技术在材料成型及控制工程专业领域中应用的目的和意义。

（2）掌握CAD/CAM系统组成和关键技术，能够运用CAD/CAM课程中的基本原理进行工程数据、图形以及曲线曲面等的计算机处理。

（3）了解常用的CAD/CAM软件，能够结合CAD/CAM基本原理和常用软件对材料成型及控制工程领域中工程问题进行预测和模拟，并了解其使用的局限性。

针对本门课程的内容特点和教学目标，课程负责人整合设计了课程理论教学内容和课内实验内容，首先利用武汉理工大学网络教学平台搭建了该门课程网站，录制了课程重难点教学内容视频，设置了课程实验、课程作业、课程测试、课程讨论、课程拓展资源等模块，建设了本门课程的在线教学资源网站。

根据建设好的课程资源网站，立足工程认证标准的基本要求，在课程教学中采用了线上线下混合式的教学模式，分课前、课中、课后三个阶段进行课程理论环节的教学和实施，任课教师每次在上课之前2-3天布置下一次课的线上线下学习任务，表1是其中一次课的混合式课程学习安排。

课前内容设计的思路主要是四个方面，一是对于相对简单易于理解的内容布置学生线上学习并完成配套的作业，二是对于难度比较大的内容布置学生课前预习，三是对一些重要的理论、原理进行课前测试，四是布置学生阅读网站拓展资源，开拓学生视野的训练。

课中内容设计的思路主要是三个方面，一是讲授重难点知识，二是对学生在线学习中遇到的问题进行讨论解答，三是进行课程单元测试。

课后内容设计思路主要是学生回看课中没有弄懂的知识点、完成课后作业、更正課前测和单元测的错误，巩固课程所学各知识点。

课内实验的设计思路是，为了进一步提高学生自主学习的能力和培养学生分析问题解决问题的能力，贯彻以学生为中心的教学理念，课程负责人改革了课程实验内容，摒弃了原先的全班学生共用一本课程实验指导书，按照实验指导书一步步完成实验项目的教学方式，而是根据整合后的理论教学内容和课程教学目标要求以及对毕业指标点的支撑，特别是加强了学生使用相应的软件进行图形处理和图形设计的功能，采用了模块化的方式，设计了四个实验项目，将8学时的实验分解成四个2学时，分解到相应的理论教学环节之后进行实施。

二、融入OBE理念的教学方式

（一）课堂教学方法

为了激发学生的学习兴趣，提高学生的课堂参与度，在课堂理论教学过程中，根据不同的课程知识特点和其难易程度，采用了不同的教学方法，并不定时地对学生进行问卷调查，以了解学生对各种教学方法实施的满意度和对知识点的掌握情况，以便于任课教师在后期的教学实施过程中能够不断地根据教学内容选择和完善相应的方法，力图能很好地达成本课程教学目标。

1. 问题导向式教学方法

如果课程内容理论性不是很强，侧重于理解记忆，但是在工程中又有广泛的应用，一般都是要求学生对重点章节内容进行课前在线学习，然后在课堂上利用设置问题的方式导入教学内容。如，在讲授CAD关键技术——参数化技术时，为了检查学生课前对参数化设计概念的理解，设置了“请列举在机械零件的CAD设计中能进行的参数化设计的零件”。通过问题设置首先让学生进行问题的回答，一方面可以掌握学生的在线预习情况，另一方面可以调动学生思维积极性，活跃课堂气氛，此外老师也可以判断学生通过在线学习掌握了哪部分知识点，哪部分需要课堂上加强讲授，然后老师就会在课堂上进行重点介绍，课后再通过在线作业来巩固，从而加深学生对该知识点的理解和掌握。

2. 启发式教学方法

计算机图形处理技术基础是CAD/CAM基础课程中很重要的一个章节，也是本专业学生今后熟练使用各种CAD/CAM软件进行图形设计的理论基础。通过本章节的学习让学生们能够明白在CAD/CAM软件中对图形进行旋转、缩放等操作的时候，计算机后台程序是怎样进行数据处理实现图形的这些操作。也就是说学生们不但要会操作软件的各种命令，还必须明白这些命令是如何实现的。这样当以后遇到更复杂的问题的时候，同学们也能去分析和解决。图形变换是计算机对图形数据进行处理实现图形操作的过程之一。图形变换的方式和类型很多，有二维图形变换、三维图形变换，各种维度的图形变换，又有比例变换、旋转变换、平移变换等，课本上给出了各种图形变换的矩阵，学生记忆困难。为了让学生不因为需要死记硬背这些矩阵而影响对该门课程的学习兴趣，本节内容采用了启发式教学。首先让学生明白图形变换的实质就是点的变换，不管图形多么复杂，只要确定了图形变换前后各点的坐标对应关系，就能确定图形变换矩阵，通过矩阵运算就能确定图形变换前后点集的坐标。因此，只要掌握其中一种图形变换原理、其变换矩阵推导的过程和建立的方法，那么其他的图形变换都能自己去理解并进行推导，就不需要死记矩阵变换公式了。

比如，在课堂上任课教师首先讲解了对称变换中“关于X轴为对称线的对称变换”的推导过程，告诉学生进行图形变换前，首先从几何上去确定图形坐标点在变换前后的关系并用公式进行表达，然后根据公式写出变换矩阵就能确定关于X轴对称前后图形点集的对应关系，有这个关系我们就能通过程序进行数据处理了。在讲了这一个对称变换关系后，再让同学们自己动手推导其他几种对称变换，如关于Y轴对称变换、关于直线Y=X对称变换等，绝大部分同学都能又准又快地推导出各种变换矩阵，部分不会的同学通过交流了解到不会的原因后，老师再稍微拓展讲解一下就基本上都掌握了。通过这种教学方法不但调动了学生课堂思维的积极性，而且学生通过自己推导演算，主动参与了思考，对知识点的理解更透彻，避免了老师从头讲到尾，学生被动接受知识，课程效果差的问题。通过将这些方法推广到其他图形变换矩阵的推导，学生也都能越来越熟练地掌握和利用。

3. 案例式教学方法

CAD/CAM基础A课程中涉及很多的原理、算法、程序实现等内容，因此很多知识需要采用结合案例式教学来帮助学生加深对原理、算法的理解。

自由曲线与曲面基本理论和方法是本课程中另外一个知识点，也是本专业学生在今后的产品设计和工作中会用到的一些基本知识，但是课时有限，而且这一块的知识也比较难，涉及对图形的参数表示方法和矢量表示方法，需要同学们具备较好的数学理论知识。因此，本门课程在讲解的时候从同学们相对容易理解的图形参数表示法过渡到向量表示方法，并且以汽车发动机罩产品利用自由曲面造型功能创建其三维模型的时候如何判断各曲面之间的关系，引出曲线曲面拼接时参数连续性和几何连续性的相关理论以及今后大家在CAD软件中用到的Beziser曲线和B样条曲线的表达形式、构造方法、性质特点等，并在课堂上结合给定的数据点构建样条曲线实例的讲解相应曲线和曲面的特性。

4. 软件辅助教学方法

前面的教学方法中提到CAD/CAM基础A课程中涉及程序实现方法的知识模块，也就是说学生在理解了原理，掌握了算法之后，还需要掌握如何通过程序来实现这些算法，从而更加深刻地对理论知识进行理解。

本课程教学过程中对数据拟合和插值、图形变换处理、自由曲线曲面构建等采用了MATLAB软件来实现，将枯燥的描述图形的数学公式，通过MATLAB软件的一些功能模块和命令函数处理成直观的几何图形，当程序中的某个参数改变时，图形也会跟着改变，加深学生对相关理论知识的掌握。

5. 自主学习方法

由于本门课程知识点较多，而课时有限，因此有些重难点知识课堂重点介绍，而有些知识需要同学们课后通过观看播客单元视频、课程PPT、教材甚至需要查阅资料等自学。特别是课程中需要使用到的MATLAB和AutoCAD软件，老师基本上不在课堂介绍，都是预先录制好软件基本操作的视频，学生课后通过作业题自学。为了帮助同学们自主学习或促进他们的自主学习，往往是布置相关知识点的在线作业、讨论题或者课前测试等学习活动来提高他们自主学习的能力。此外，也会编制一些让同学们自己命题或设计的题目来实现某一章知识的综合运用能力以及软件使用能力。

（二）课内实验教学实施

为了提高学生自主学习的能力、分析问题和解决问题的能力以及写作总结能力，在理论课程相应知识模块后设计了对应的实验模块，实验时到計算机机房完成。实验内容的设计完全是基于OBE理念进行确定，采取的教学方式是学生自主设计实验，老师根据学生实验中遇到的问题给予一定指导。具体方法是：老师首先录制好软件的基本操作视频上传到课程网站供学生自主学习，然后老师布置要实现某种功能的实验任务，学生根据老师布置的实验任务自主设计和确定具体实验方案和参数，然后利用MATLAB软件或者AutoCAD软件自己编程实现，对实验过程中遇到的问题可以和老师、同学讨论或者通过查阅文献资料解决，最后撰写实验报告。

比如，在计算机图形处理章节部分，在讲解完各种二维图形变换原理和变换矩阵推导之后，为了进一步加强学生对这一部分知识的理解和掌握，设计了一个相应的图形变换的实验项目，老师给定了两个实验任务：（1）学生自主设计一个二维图形，并在MATLAB中实现;（2）对所设计的二维图形，制定其变换方式和相应的变换矩阵，并在MATLAB中编程实现其变换过程。

同学们根据教师给定的实验任务，结合课堂上讲授的课程变换理论知识，通过思考自行设计了各种形状的二维图形，并自己制定了二维图形的变换方式，在机房利用MATLAB软件编程功能实现自己二维图形和二维图形变换程序。在学生进行实验的过程中，任课教师针对同学们遇到的问题，逐一进行指导，并针对学生的问题给出相应的建议，在老师指导、学生之间的讨论和学生自学查阅老师事先录制的MATLAB软件在线课程视频后，同学们都能顺利完成实验任务。由于二维图形是由学生自主设计，因此同学们会根据自己的能力设计难易程度不同的图形，有的同学知识掌握能力弱一些，设计的图形简单一点，而有的知识能力掌握较强且喜欢挑战自己的同学，则设计了相对复杂的图形，这样也起到了因材施教的作用。图1展示了成型2017级两位同学设计的图形变换实验图形和相应的程序代码。

同学们在实验报告的小结中也对这种实验教学方式给予了高度肯定，很多同学认为这种实验教学方式虽然会让学生花费较多的实验时间，有一定的难度，但是一方面自己学会了MATLAB软件的某些功能，另一方面提高了自己自主学习、自主思考、查阅资料、将所学理论知识用于实际图形设计以及分析总结的能力。此外，很多同学还觉得在程序调试成功后，计算机屏幕上出现自己设计的图形时有很大的成就感，觉得收获很多。

三、结束语

融入OBE教学理念的混合式教学模式，能够将知识传授、能力培养、素质提升有效融合，是一种先进的教育模式。CAD/CAM基础是材料成型及控制工程专业的一门核心课程，开展以学生为中心线上线下混合式的教学模式，不断激发了学生学习兴趣，活跃了课堂气氛，改善了教学质量，而且提升了学生学习的积极性和主动性，增进了学生的创新意识，培养了学生自主学习和勇于挑战自己的能力。这种教学模式符合当前我们国家企业/行业转型升级对高素质、复合型工程技术人才培养的需求，是一种可以大力推广的专业课程教学模式。

参考文献：

[1]俞彦勤，刘辉，邹佳鹏.模具CAD/CAE/CAM一体化教学实验研究[J].实验技术与管理，2018，5（52）：104-105.

[2]吕东莉，张涛.以虚拟仿真实验平台为基础的“材料成形CAD/CAE/CAM”课程教学改革[J].教育教学论坛，2017（8）：263-264.

[3]李志义.成果导向的教学设计[J].中国大学教学，2015（3）：32-39.

[4]顾佩华，胡文龙，林鹏，等.基于“学习产出”（OBE）的工程教育模式——汕头大学的实践与探索[J].高等工程教育研究，2014（1）：32-39.

[5]李志义，朱泓，刘志军，等.用成果导向教育理念引导高等工程教育教学改革[J].高等工程教育研究，2014（2）：29-34.

[6]陈算荣.高校混合式教学的实践意义和当前面临的问题[J].高教学刊，2016（7）：15-19.

[7]邓春瑶.金课建设背景下基于OBE理念的混合式教学模式研

究——以《工程项目管理》课程为例[J].高教学刊，2020（27）：122-125.

[8]侯占峰，刘海洋，佟鑫，等.基于混合式教学模式的汽车构造课程网络教学平台建设[J].内蒙古农业大学学报（社会科学版），2018，20（3）：45-48.

基金项目：武汉理工大学教学改革研究项目“新工科背景下材料成型及控制工程专业人才培养模式改革探索与实践”（w2020058）

作者简介：冯玮（1973-），女，汉族，湖北浠水人，博士，副教授，研究方向为精密成型工艺与数值模拟技术、模具CAD/CAE/CAM技术与优化设计。