李静 袁宝民 牛文杰

摘  要：面向新工科对创新人才的要求，该文结合中国石油大学（华东）机械CAD课程，以培养学生“学”和“造”的兴趣为目标，融合现有的“线上+线下”混合教学实践，从教学内容和评价体系两个层面探索开放性设计在机械CAD课程教学实践和考核中的运用。通过建立开放性设计案例库，进行系列的开放式和研究性实践，引导学生进行科研创新；增加线下开放式考试题型，完善线上和过程性考核，逐步建立开放性考核体系。实践证明，该教学改革不仅提高了学生的创造性和设计实践能力，落实了新工科背景下工程技术人才培养的理念；而且为学生提供了一个连续、深入学习的过程，取得了良好的学习成效，为创新实践人才培养提供了一个新思路和新方法。

关键词：开放性设计；机械CAD；仿生设计；教学改革；评价体系

Abstract： In order to meet the requirements of innovative talents for the new engineering， and cultivate the interests of studying and creating， it takes the course of "Mechanical CAD" in China University of Petroleum （East China） as an example in this work. We study the application of open design in the teaching practice and examination of mechanical CAD course based on the teaching mode of "online and offline" mixed. By establishing the case base of open design， a series of open and research design practices are carried out to guide students for scientific research and innovation. Besides， an open examination system is gradually established by increasing offline open questions and improving online and process assessment. The results indicate that the reform improves students' creativity and method for the cultivation of innovative practical talents.

Keywords： open design; mechanical CAD; bionic design; teaching reform; evaluation system

2017年教育部启动了新工科的发展研究工作，提出我国工程教育改革旨在培养未来多元化、创新型的卓越工程人才[1]。在新工科背景下，最有价值的现代工程技术人才必须是以实践能力为核心，兼具核心技术研发、全球化思维、现代管理组织等素养的综合性创新人才[2-3]。因此，为实现新工科的思想落地，着力解决当前高等工程教育中工程性、实践性与创新性的缺位，工程教育既要培养学生“学”的兴趣，也要注重学生“造”的兴趣，基于开放性设计理念将创新思维、发展眼光、实践能力贯穿到工程教育的全过程。

基于CAD的计算机实践课程是机械类或近机类专业设计与制造系列课程的重要实践组成部分，主要是以AutoCAD和SolidWorks等软件为载体的实践教学，旨在培养学生利用软件进行绘图、建模及工程设计的能力，使学生理解计算机辅助设计制造系统理念，建立解决问题的能力。对于新形势下实践性和创造性要求极强的工科人才的培养，目前该课程满足于软件的使用学习已远远不够，更重要的是一种基于软件设计能力的学习和培养。近年来，在“互联网＋”环境下，翻转课堂[4]、慕课（MOOC）[5]、微课[6]、线上线下混合教学[7]、云课堂[8]和微信公众平台[9]等新的教学模式不断涌现。虽然现有的多元化教学模式有助于提高课堂教学的有效性，激发学生的学习兴趣，启发学生进行主动探索式的研究性学习，但是培养学生的设计能力和创造性，仅仅通过灵活、多元化的教学方法和模式是无法完全实现的。换汤必须换药，改善现有CAD课堂教学以熟悉软件操作为目标的教学现状，不仅需要结合现有的教学模式，更需要融合相应的教学内容设计。作为一门软件学习和实践课程，开放性设计内容可以为学生提供充分的发展空间，在提高学生的参与度和创造性方面起着重要作用。此外，严格而有效的考核体系对检验和实现预期的学习成果具有重要作用[10]。新工科建设行动路线中强调要以学生为中心改革教学方法和考核方式，形成以学习者为中心的工科教育模式[11]。因此，课程的考核内容需要从强调学生对知识的主动探索、主动发现和对所学知识意义的主动建构[12-13]，重视实践能力、创新能力的培养。面向新工科对卓越工程人才的要求，如何将开放性设计融入到CAD课程的教学和考核体系中值得研究。

一  基于开放性设计的教学实践

（一）  融合“线上+线下”的教學模式，建立开放性设计案例库

为适应学科快速发展和变化，在保证基础教学内容系统完整实施的前提下，如何选定合适的教学内容切合多学科融合研究和创新实践人才培养是教学中一大挑战[14]。CAD实践课程需要学生进行大量的上机实践，但是实践题目、答案大多固定，通过练习可以锻炼学生熟练软件的操作使用，这样的练习在软件使用学习过程中必不可少，却无法体现学生的创造性和设计能力。实践选题逐步从单一、固定题目走向半开放、全开放题目，对于学生而言这具有一定挑战性，却会大大激发学生的学习热情和创造性。以多段线、阵列和复制命令的学习为例，通过为学生布置一道绘制自行车的固定题目练习（如图1所示），在熟悉软件操作的基础上进一步锻炼学生的实践能力。由于几乎每个学生都拥有自行车，若能对于自行车的尺寸、颜色和局部结构，学生可以根据自己的兴趣爱好进行半开放自由设计，将大大激发学生的热情和兴趣，同时培养学生的设计能力；而对于能力较强的学生，则可以选择开放性设计题目：设计一款全新的休闲健身自行车，培养学生的创造性和设计能力。因此，建设与课堂内容配套的难度分层次的开放性设计案例库，将有效提升学生的学习效率和兴趣。

课堂教学的学时有限，仅仅依靠课堂教学，无法充分锻炼学生的设计能力和创造性。如图2所示，融合“线上+线下”的教学模式，基于“石大云课堂”“智慧树”平台，充分利用线上的优秀资源，将课堂教学和课外学习互为补充，为学生提供自主学习的平台和空间。在线上平台提供丰富的自主学习资源，如：优秀作品，比赛信息和往届赛题、操作技巧等，使学生通过线上自学，对软件的强大功能有一个直观的认识，增加学生努力学习的热情和信心，激发学生利用工具软件进行自主创新的工程意识。比如山东省大学生机电产品创新大赛、全国3D动力大赛，全国大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛的介绍；直升机、海洋平台、发動机、机器人和太空勘探车等往届学生的优秀作品展示，不仅开阔学生眼界，帮助学生了解CAD等数字化技术与相关领域（CAM/CAE/PDM/ERP）的渗透和发展，而且激发了学生利用工具软件进行自主创新的工程意识。

基于线上自主学习成功激发学生的求知欲和表达欲望，进而设计难度适宜的线下开放性和创造性实践，通过实践课程、毕业设计、大学生竞赛、创新项目等引导学生深入学习。线下开放性设计实践在选题上注重与学生兴趣相结合，鼓励学生从专业、生活中自主选择对象进行原型设计或创新性改进设计。图3为部分学生的课下设计实践作业和毕业设计作品：从实际生活出发，设计的书桌配套健身椅（图3（a）），可清扫角落的扫地机器人（图3（b））；从实际生产出发，某学生对抛丸机的抛丸器进行重新设计和三维建模（图3（c））；创新设计的太阳能小车模型（图3（d））。这些设计实践促使学生由被动表达向主动设计转变，提高了学生的创新思维与设计能力。

（二）  引入仿生设计实践项目，引导学生深入学习

仿生设计以生物体为研究对象，通过对生物功能、结构或运动机理的研究建立其生物原理模型；在此基础上，进行相应的工程理论研究和技术创造，并以特定的机械结构来模拟其运动[15]。仿生设计作为本校工业设计系一个重要研究方向，在造型设计、结构设计和界面仿生设计制备方面进行了大量的研究。以仿生设计为契机，将学科前沿引入到教学实践过程中，以拉近学生与现代科学发展的距离，并能学以致用[16]。由于本课程开设面对从大一至大三学生，所以设计题目多以造型和功能设计为主。例如，山羊脚蹄是一种天然登山靴，其特殊的蹄掌部结构及羊蹄内部的肉垫部分的表面微型纳米结构，和有力的腿部肌肉为攀岩爬壁过程提供了强大的摩擦力。在本课程学习过程中，某组学生结合了伸缩结构，仿生羊腿结构、羊蹄减震装置完成了仿生机器人雏形的三维建模。课程结束后，在此基础上，又申报了本科生创新训练项目“基于羊蹄结构的仿生机械爪设计”，进一步进行深入研究。这种开放性的实践内容可以为学生提供充分的发展空间，在提高学生的参与度和创造性方面起着重要作用。

以仿生设计为契机，在开放性实践内容的基础上，进一步引导学生通过大学生创新项目、学科比赛和毕业设计进行科研创新、深度学习。图4、图5为部分同学的仿生设计作品：基于水蛭褶皱结构优异的抗压和抗冲击性能，创新项目组学生设计了仿生水蛭多维缓冲减震机构（图4）；围绕海洋生物仿生主题，基于现有的刚性机械手在湿环境中抓取脆性、柔软、易碎及摩擦力较小的物体时容易对物体表面造成破坏的问题，高年级学生设计了仿生花朵深海生物捕获机械手（图5（a）），通过多杆机构实现机械爪的开合运动，闭合状态下形成封闭空间，以避免对深海软体生物的破坏；另一学生设计了一款仿生章鱼软体机械爪，如图5（b）所示，利用液压传动和机械连杆的结构实现手指的抓取运动，爪部界面采用带微结构的柔性材料，爪部以外结构采用刚性材料。这些设计实践促使学生由被动表达向主动设计转变，提高了学生的创新思维与设计能力。

二  构建开放性的考核体系，增加线下开放式考试题型，加强线上和过程性考核

面向新工科对卓越工程人才的要求，在学习过程中，对该课程实行“全过程、全方位”的多元化考核体系，在“线上”和“线下”两个维度上设置若干考核指标，同时关注学生的知识与技能、创新意识、工程实践能力、分析与解决问题的能力等方面。其中，过程性考核通过线下点评、线上问题自测等开放式、互动式的考核评价形式引导激励学生主动学习。例如：对于开放性设计的作业，给学生足够的空间反复修改，多次点评，直到解决问题，进而激发学生的学习动机和需求，提高教学质量和教学效果。对于期末学习结果的考核，改变原来固定题目，增加线下开放式考试题型。如图6所示，给出零件的部分结构和要求，要求学生设计出该零件缺少的结构，并完成相应的三维模型图和工程图。对于同一个题目，不同学生会有不同的设计方法，没有固定答案，既考察了学生对图学理论和软件的使用情况，又考察了学生的设计能力；同时，没有唯一答案，只有若干设计里面哪个比较好，这也对教师提出了更高的要求。

三  教学实践效果

改革后的教学过程强化了学生的实践性和创造性，把开放性设计和考核与课程体系的知识点有机整合，构建了基于开放性设计的教学模式。该教学模式包含了课内、课外和考核三条主线（如图7所示）：一是教学内容和方法的开放性设计，二是课外开放性学习和实践；三是考核内容和方式的开放性设计。通过以提高学生“造”的兴趣为契机，建立开放性设计案例库（如图2所示），将“开放性设计”融入CAD“线上+线下”的混合教学过程中；以工程实践和设计能力为导向，把创造性实践和工程案例教学贯穿到课堂教学；并从“开放性设计”的角度进行配套的考核方式和题型改革。

基于仿生设计的开放式教学实践，极大地改变了传统的基于软件使用的实践教学模式。通过教师关键指导，引导学生主动查阅资料，扩展相关理论知识，学生自我思考、设计、训练。这个过程潜移默化地强化了学生的自主意识，提高了学生的创新思维能力和专业实践能力，锻炼了学生的综合素质。不同知识和能力基础的学生能够充分发挥自己的个人特长，满足了人才培养的个性化需求。同时教师的业务水平也在教学活动中得到了提升，经过三年的教学实践，逐步形成以教促学，以学促研，教研相长的良好循环教学氛围。实践表明，这种开放式教学模式已在低年级和高年级学生中收到了良好效果。对于低年级学生来说，通过仿生设计实践，极大地锻炼了软件使用能力，连续在“高教杯”全国大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛中斩获佳绩；对于高年级同学，通过该课程的学习，为学生进行科技活动的第二课堂奠定了基础，可以以此为基础进一步申报大学生创新项目，甚至进行毕业设计。其中，以仿生水蛭多维缓冲减震机构为例，已授权国家发明专利。

四  结束语

面向新工科对卓越工程人才的要求，本文以仿生设计为契机，探索了将开放性设计和考核方式融入到CAD课程教学实践中。首先，基于开放性设计案例库，形成面向开放性设计的实践教学；其次，依托“线上”资源，探索课外“线下”研究性实践，引导学生进行科研创新；最后，增加线下开放式考试题型，加强线上和过程性考核，构建开放性的考核体系。基于仿生设计的开放式教学开展三年以来，不仅锻炼了学生动手操作技能，更加关注工程实践、强调学生综合创新能力，培养了学生自主学习、分析问题和解决问题等综合能力。通过从教学内容和评价体系两个层面的研究，优化了设计实践的教学体系，从低年级到高年级，为学生提供了一个连续、深入学习的过程，取得了良好的学习成效，为工业设计的人才培养提供了一个新思路和新方法。

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