基于工程案例的三维CAD教学改革与实践

2021-09-16王文军林伟健李福送

大学教育 2021年9期

王文军　林伟健　李福送

[摘要]为了评估三维CAD教学效果，课题组针对在校学生、校企合作公司和历届毕业生进行了有关调研。根据调研结果来看，三维CAD教学改革势在必行。课题组采用工程案例教学模式，首先以本专业人才培养方案为基础，根据学生所学专业基础知识和课题组教师的组成情况，以两个经典工程案例展示工程案例的精选和实施过程，同时研究工程案例教学的考核与評价。实验班教学结果表明：学生在课堂教学过程中比较活跃，对三维CAD学习兴趣浓厚，而且有主见，对软件操作比较熟练。本研究对本课程或其他课程推广案例教学有一定的指导意义。

[关键词]工程案例;三维CAD;改革;实施过程;考核方式

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2021）09-0085-03

根据机械类企业的需求，对于工程院校机械类专业的学生而言，掌握一门三维CAD软件是十分必要的，其可为学生接下来的课程设计和毕业设计，也为今后走上工作岗位从事机械设计奠定专业基础。从近几年的教学评价体系来看，三维CAD教学存在一定的问题，主要体现为：一是学生学习完后对知识掌握得不牢固，这在学生做专业课程设计和毕业设计时明显体现出来;二是本课程所教所学与工程实际应用不能有效结合起来，具体调研情况如表1所示。

基于上述原因，学校有必要进行三维CAD教学改革。探索一种既能让学生学习比较系统的知识，又能牢固地掌握，还能与企业的实际设计无缝对接的教学方法已经迫在眉睫。

案例教学在美国哈佛大学商学院首先使用[1]。近年来，案例教学广泛应用于工程类课程 [2-5]。工程案例在三维软件教学也得到了一定的研究[6-8]。但是目前工程案例教学的研究一般都是针对某个方面的研究，而从教学调研、案例精选、方案实施和过程评价等全面去研究工程案例教学的还比较少。

一、三维CAD教学概况

三维CAD这门课程的载体是三维CAD软件。目前，三维CAD软件有UG（Unigraphics）NX、Pro/Engineer、SolidWorks和Catia等，本门课程所采用的三维CAD软件是目前应用比较广泛的西门子UG NX。UG NX界面友好，同时具有强大的三维建模功能、完善的后续处理功能、数据交换性好等特性。

目前的三维CAD教材中UG NX内容比较繁杂，介绍UG NX软件操作命令的章节过多，操作命令又是比较枯燥的，加上没有配上相应的操作步骤图片，使得教材可读性不强。本课题组编写了一本UG NX教材，能与本课程教学改革相配套。

本课题组的师资队伍中有2位是来自企业的任课教师，他们是从事产品设计、机械制造及工程管理工作近十年的工程师，有着丰富的生产实践经验和实际产品设计案例。三维CAD任课教师都具有双师型教师资格，因此，在实施本课程改革的过程中，能把理论和工程实际有机结合起来。

二、工程案例的精选

三维CAD工程案例的选择首先要根据本校人才培养方案的要求，其次是根据将要授课学生的知识背景情况，最后根据学生之前所学机械制图和二维CAD的知识掌握情况等综合因素来决定的。

（一）工程案例的选择要紧扣三维CAD教学目标

三维CAD课程是机械类专业的一门基础课，其主要任务是培养学生学会用三维软件进行产品设计开发，包括零件建模、零件装配及生成工程图样，以达到运用软件解决工程实际问题的能力。通过本课程的学习，使学生熟练掌握三维软件的操作方法，为其课程设计、毕业设计和今后从事机械设计工作打下良好的基础。

本课程的前续课程有机械制图、机械制图上机训练，后续课程有各专业课程的课程设计，以及毕业设计，都是对本课程知识应用的延续。

（二）工程案例的选择要基于学生的知识背景

对将要进行授课的学生的课程成绩进行调查，发现大部分学生的机械制图A和二维CAD课程成绩都是中等，少部分良好及以上。这说明选择工程案例要以学生所掌握的有关课程知识情况作为考量，本次工程案例选择标准应当是偏中等难度，这有利于学生的理解和操作，同时也保证课程教学可顺利进行。

（三）工程案例的选择要符合教学大纲内容要求

工程案例的选择首先要符合教学大纲内容的基本要求。课题组根据拥有的工程案例库，结合三维CAD教学目标和学生的知识背景，对本课程的每个基本知识内容精选出一到两个工程案例进行教学。本文以轴承盖和制动器两个经典的工程案例进行说明。

1.轴承盖

轴承盖是结构比较经典的零件。轴承盖安装在轴承端面，用于固定轴承，调整轴承间隙并承受轴向力，在机械传动装置中应用很广泛，如图1所示。要求学生了解轴承盖的构造，从工艺上来说，轴承盖是通过对棒料进行切削加工而成的。应用UG NX软件完成该零件的建模，涉及的内容[9]有：

（1）应用UG NX基础知识中的启动、文件操作、工作界面、软件参数设置、对象操作、图层的使用和基本操作等功能。

（2）应用UG NX草图绘制中的草图坐标系、草图定位、草图基本曲线的绘制、草图几何约束和草图尺寸约束等功能。

（3）应用UG NX实体建模中的基准特征、基本体素特征及基本特征的创建、编辑、删除和变换等内容。

2.制动器

制动器安装在某型电机后端刹车轮的两边上，其作用是对电机进行停止动作。制动器是一个包含21个零件的装配，如图2所示。该工程案例除了零件三维建模之外，重点内容是装配和爆炸图。用UG NX软件完成零件的建模、装配和爆炸图操作，涉及的内容[9]有：

（1）应用UG NX基础知识中的启动、文件操作、工作界面、软件参数设置、对象操作、图层的使用和基本操作等功能。

（2）应用UG NX草图绘制中的草图坐标系、草图定位、草图基本曲线的绘制、草图几何约束和草图尺寸约束等功能。

（3）应用UG NX实体建模中的基准特征、基本体素特征及基本特征的创建、编辑、删除和变换等内容。

（4）应用UG NX装配中的从底向上设计方法、自顶向下设计方法、组件阵列、部件清单与装配爆炸视图等内容。

三、工程案例教学法的实施

本教学改革以机械工程系机制2018级6班和机制2018级7班为实验班，授課地点在本校的多媒体式机房。机房拥有120台计算机，配备了投影设备、音响和多媒体控制设备及相关软件，完全满足三维CAD教学要求。本文以轴承盖和制动器两个案例来说明工程案例教学法的实施过程。

（一）轴承盖案例

1.在授课前一两天，任课教师把电子版轴承盖零件图发给学生，要求学生先了解零件的结构和尺寸、零件的用途。

2.在上课开始时，任课教师首先结合UG NX软件说明这节课所学习的三维CAD建模的主要内容，让学生有目标地去学习和思考。

3.任课教师通过多媒体管理软件把电子版图纸发送到计算机的学生端上。学生收到图纸后，首先要分析图纸中的零件结构，结合UG NX软件思考如何建模。学生用10到15分钟的时间去构思和完成。同时，教师让学生扮演某公司的技术人员，以角色扮演方式，让学生作为项目的实施者[1]。

4.请2到3个学生来谈谈他们建模的思路和步骤、遇到的问题和解决方法。任课教师可以通过多媒体教学软件管理端，让所有电脑屏幕都显示该演示学生的计算机屏幕，看他是如何操作的。

5.最后，任课教师结合学生画图过程中所出现的问题，对该零件建模中所需要的操作命令和内容进行总结归纳，对重点难点操作通过多媒体软件管理演示给学生看。最终的轴承盖三维建模如图3所示。

（二）制动器案例

1.在授课前一两天，任课教师把电子版制动器装配图和相关零件图发给学生，要求学生先了解零件的结构、装配的要求和步骤、爆炸图的形成。因为工程案例涉及的零件比较多，所以由2到3名学生作为一个小组来共同完成。

2.任课教师首先结合UG NX软件说明这节课所学习的三维CAD的主要内容，让学生有目标地去学习和思考。

3.任课教师通过多媒体管理软件把电子版图纸发送到计算机的学生端上。学生收到图纸后，首先要分析图纸中的零件结构，再用30分钟左右的时间去构思和完成。结合UG NX软件完成零件建模、装配图和爆炸图。同时教师向学生说明，学生小组就是相当于某公司的一个技术团队，共同完成一个项目的相关设计工作。

4.要求每个小组派代表来谈谈他们工作的思路和步骤、遇到的问题和解决方法。任课教师可以通过多媒体教学软件管理端，让所有电脑屏幕都显示该演示学生的计算机屏幕。

5.最后，任课教师结合学生画图过程中所出现的问题，对装配和爆炸图中所需要的操作命令和内容进行总结归纳，对重点难点步骤通过多媒体管理软件演示给学生看。最终制动器装配图如图4所示，制动器爆炸图如图5所示。

四、工程案例教学的考核与评价方式

工程案例教学的考核以过程考核为主，可采用讨论法、对比法和分析法来进行评价。评价依据包括建模的思路、装配步骤的合理性、最终整体的效果、回答问题的正确性和操作UG NX软件过程中的表现等。学生完成工程案例后，通过多媒体管理软件上传到教师端的计算机上，任课教师课后对所有学生上传的文件内容进行批改。最后，教师综合各方面因素，对于每个工程案例，给每个学生或每个小组相应的等级分数。过程考核在期末考试中占50%～60%。

（一）讨论法

组织任课组教师在期中和期末进行集体讨论，对本课程的教学方法进行大讨论，总结自身的教学情况，对教学进行评价和给出建议。

（二）对比法

任课教师在临近期末的时候，针对实施工程案例教学法，对实验班和普通班进行调查问卷，掌握学生对工程案例教学各个方面的反馈情况。针对实施工程案例教学法后，学生的听课效果、学习兴趣、考核成绩等问题进行横向和纵向对比。

（三）分析法

分析收集任课组教师的讨论结果和学生的反馈意见，分析所用的工程案例、现有教材、学生的学习特点等，最终形成理论成果。继续到相关企业调查了解毕业学生在企业中应用三维CAD的情况和反馈意见，为今后工程案例教学的改进提供依据和积累相关经验。

五、结束语

通过工程案例精选、工程案例的实施与过程监控，课题组最后进行工程案例考核和评价。对比实验班和普通班级，发现实验班学生学习兴趣比较浓，积极主动学习，课前有预习和准备，课后经常与老师探讨一些问题，期末考试成绩也比较理想。该课程教学改革得到了学生的认可。

[ 参考文献 ]

[1] 朱军. 案例教学法在城乡规划专业教学中的应用研究[D].上海：上海交通大学，2014.

[2] 杨少红.案例教学法在工程力学教学中的应用[J].科技创新导报，2018（23）：220-221+223.

[3] 文成，周传德.工程案例法在“机械工程测试技术”课程教学中的应用[J].重庆科技学院学报（社会科学版）， 2012（21）：188-190.