与专业培养对接的三维CAD课程改革与探索

摘 要：三维CAD技术的发展让设计实现质的飞跃，对工科院校人才培养的三维设计能力提出了更高的要求。为了提升学生的三维设计能力与专业化，本文分析了三维CAD课程的现状，并提出了三维CAD课程内容浅显且与专业培养相脱节等亟需改变的问题，以深化课程内容与专业化为主线，提出了系列课程的改革措施并进行了实践探索。

关键词：三维CAD;设计能力;深化课程内容;专业化;教学改革

0 前言

随着计算机的发展，三维设计已经实现了CAD/CAM/CAE等模块之间的无缝数据交换，支持产品开发的整个过程，从设计（CAD），到分析（CAE），到制造（CAM）的完整流程。三维设计不仅使模型更加直观，提升了产品质量和技术含量，也使设计效率得到极大提高。对于制图而言，二维图样可由三维CAD软件自动生成，并随着三维模型数据的更新而更新。可以说， 三维CAD技术的应用让设计实现质的飞跃。

《中国制造2025》战略目标提出，到2025年基本实现工业化，中国制造业迈入制造强国行列，这将使得三维数字化设计技术逐渐成为三维设计和加工制造的核心内容，这也意味着对工科院校人才培养的三维设计能力提出了更高的要求。目前企业已经逐渐普遍使用三维软件进行产品的研发设计，对技术人员的能力也提出了较高的要求。因此，掌握并熟练运用三维CAD技术是机械设计师所必需有的技术条件[1]。而作为培养、输送人才就业的工科院校，仍面临一些问题，亟需进行教学改革，构建三维CAD课程与专业培养对接的教学体系，进行深入的改革以提升专业人才的三维设计能力。

1 三维CAD课程现状及存在的问题

为了适应先进设计和制造技术的发展和社會需求[2]，许多工科院校在传统制图类课程基础上增设了三维CAD课程，使学生具备一定的三维设计能力。目前，国内高校所开设的三维CAD课程大多为24～48课时，如湖南大学设计艺术学院《设计思维与三维表达》（32学时）、四川大学机械工程学院《计算机辅助工业设计》（32学时）等，且包含了教学与实践两个环节[3]。在相对较少的课时条件下，如何有效开展课程教学，让学生在有限时间内掌握三维 CAD技术，是一个非常值得研究分析的问题。与此同时，三维CAD课程相应的教改也是百花齐放，这种表象之下仍存在几个显著的问题。

第一，削减了三维CAD的核心技术。一方面，将三维CAD技术应用到制图教学或将工程图引入到三维CAD是目前最多的教改形式，解决了学生逻辑思维能力与想象力不足的主要问题，帮助学生树立鲜明的图学意识[4]，但其侧重于二维制图。另一方面，大多数三维CAD课程内容是基础应用，由于技术难度和学时等因素限制，无可厚非，但这意味着三维CAD核心技术未得到深入讲解，学生大多是学到软件的入门，学生的三维设计思维是得不到拓展的。

第二，三维CAD课程内容在很大程度上缺乏专业特色。通过在中国大学MOOC等学习平台检索发现，三维CAD课程的授课内容是通用的，主要集中在软件功能命令的操作和简单零部件的应用，也即缺乏专业特色。大学特色某种程度上可谓是专业特色，就车辆工程专业而言，目前未见与专业相关的课程内容和教学资源，如车身及其零部件的设计等。所以，笔者认为三维CAD课程需要优化授课内容并与专业培养对接才是重点，教学内容是基础更是重点。

第三，三维CAD课程设置的实践环节与专业培养脱节。大多数学校的课程设置会有实践操作环节，但也存在未设置实践环节的。在教学课程结束后进行课程设计，以此达到强化三维设计能力的目的。就实践环节而言，仍存在一个不可忽视的问题，课程设计的内容与专业培养脱节，以车辆工程专业为例，课程设计内容是通用类的机械类部件，与“车辆结构”几乎毫无相关性，操作环节无非是二维、三维之间切换的设计，并未达到课程设计的目的，只是巩固课程内容而已。

2 三维CAD课程与专业培养对接改革措施与探究

2.1 优化师资队伍建设，引进柔性人才

师资力量不足，无法保障课程质量，更无法培养学生三维设计能力和素养，更谈不到创新和实践能力。教师队伍的建设是提高教学质量的核心问题。与二维制图相比，三维设计需要更多的实践和培训，教师或学生用AutoCAD画二维图相当熟练，但在进入三维设计时，无论从概念还是造型技巧上，对都感到相当生疏。一方面，学校应加大资金投入，对任课教师培训，使他们尽早成为“双师型”。另一方面，结合专业特色和人才培养方案，加强校企合作，引进柔性人才。基于此，教师本身也应与时俱进拓展知识面，学习3D新理论和新技术。

2.2 课程设置与专业培养对接

课程建设毋庸置疑是要与专业建设相结合的，通过实践环节，如学科竞赛、课程设计、毕业设计等形式，将三维CAD课程与专业培养对接起来，以深化技能和理论知识，同时又具专业属性。如车辆工程专业，课程设置应与先前专业核心课程《汽车构造》、《汽车理论》、《汽车车身结构与设计》等有机结合，将“理论构造”通过三维CAD课程进行“实践设计”。

从专业培养的角度出发，任课教师首先要明确教学目标，根据学生的专业特点对教学环节进行总体设计，以此增强教学的专业性。教师需要根据自己对知识点的理解和对企业生产过程的了解，将专业资源进行再加工，根据专业特点适当地选定专业资源并整理成教学素材。这种专业性的素材可以是企业资源、科研项目等，以此选取“小课题”用于学生的实践教学，一方面可以提高学生参与实践环节的积极性，另一方面可以使学生学到真正用于实践的相关知识和技能。

2.3 深化课程内容，强化三维CAD设计能力

内容的改革是课程改革的灵魂，具体到课程内容，应以三维零件的设计流程为主线，由浅入深安排教学内容。三维CAD设计能力的培养是一项系统工程，教学过程中采用模块化教学，设置不同的教学模块，如二维草图设计、三维零件设计、曲面设计、装配设计、工程图设计和运动仿真等，其中核心内容为三维零件设计，在贯以装配与工程图，使学生掌握二维与三维的关系以及装配的方法，明确三维CAD的设计流程与思想。

将项目“小课题”融合至课程内容进行“深层次”设计，密切课程内容与专业特性的关系，在各教学设计环节中着重培养三维设计的思想，从而提高三维设计能力。在此当中，三维设计内容的“质量”应以“参数化建模”为重点，也就是前后建模步骤之间带有一定关联，当改变某一个变量的时候，其他变量也随之改变。若需要修改零件的某一结构尺寸，只要修改建模的相应参数即可实现全局的修改，设计效率和绘图质量得到质的提高。

2.4 完善课程设计，设计“课题”专业化

三维CAD课程的设置或水平在不同学校仍旧参差不齐，尽管教改表象是“百花齐放”，而身处其中就会发现问题多多。毕业设计环节最能体现存在的问题，三维CAD类的课题传统且常见，但学生真正做起毕业设计时却是花费大量时间重新学习或进一步学习，而答辩环节仍旧存在诸多问题，影响了毕业设计的进度和效果，这也意味着工程设计能力仍需改革强化。

在教学过程当中，课程设计是一个锻炼三维设计能力的好方式，也是向毕业设计环节过渡的必要过程。通过课程设计扎实基础、提升综合运用的能力，避免学生到毕业设计阶段出现脱节、“从头学”的问题。对于设计流程，可采用不同的设计对象，从三维到二维，再贯以装配和运动仿真;对于设计对象，应以专业性为导向，如车辆工程专业的学生，可以设计具有专业化的课题，选择变速器、制动器、悬架系统、转向系统等结构进行课程设计，综合各个教学内容模块进行实践操作，如图1所示为本学期学生设计的变速器和悬架系统。

2.5 课程MOOC平台建设

在线课程建设为学生搭建内容丰富的网络学习平台，高度整合的信息和资源取代枯燥的理论说教。学生既可以个别化学习，也可以协作式学习，学生之间可以线上线下共同讨论分析和完成布置的任务，从而大大提高学习效率[5]。如今，线上课程作为教学形式的变革是大势所趋，通过中国大学MOOC平台检索，线上建设的三维CAD相关的典型的课程课时量为70左右，如大连理工大学的《3D工程制图实践—Autodesk Inventor》（62课时），东北农业大学的《三维机械设计》（87课时），宿迁学院的《CAD（UG）》（64课时）等。

建设MOOC课程平台，弥补了传统线下教学的不足，一方面，可以整合、深化教学资源。不同于传统的理论课程，三维CAD属于工程应用类软件课程，功能强大而且需要大量的操作实践，势必需要更多的课时量，MOOC课程平台可以弥补线下教学由于课时限制而不能将课程内容讲的面面俱到的缺陷。另一方面，学生可以通过MOOC平台较为自由地巩固学习、深入学习，提高学生自主学习的能力，从而使得技能知识从“入门”到“精通”。

3 结语

三维CAD课程的改革和探究，不仅可以改进目前存在的问题，更重要的是更加切合实际需求。理论和技能的专业化是高等院校学生必备的，专业培养目标和教学质量需要每位教师的不懈努力，因为这意味着能否保障学生在进入就业状态后，是否可以降低来自专业技能方面的压力。因此，构建适应技术发展和行业状况的三维CAD课程势在必行，通过与专业培养对接进行改革，探索出能够有效改善教学效果的课程体系，保障高校的教学质量和教学实践能力，提升学生三维设计的工程能力，促使学生认识、锻炼自身的“专业”能力。

参考文献：

[1]陈庆丹.三维CAD技术在机械设计中的应用分析[J].科技风，2018（14）：143.

[2]罗云霞，唐艳丽，曲建俊，王娜君，宋宝玉.三维设计能力培养的系列课程改革与探索[J].机械设计，2018，35（S2）：11-13.

[3]梁若愚.三维设计CAD课程的混合教学模式探索[J].住宅与房地产，2019（24）：228.

[4]张淑艳，雷光明，成彬，张青.三维CAD辅助工程制图教学的方法[J].图学学报，2014，35（03）：464-468.

[5]赵春梅.浅析高校精品在线课程建设的意义[J].新校园：阅读版，2016（07）.

基金項目：2019年广西科技大学鹿山学院教育教学研究和改革实践项目基于“线上线下”混合教学模式的在线课程建设（编号：2019JGZY015）

作者简介：谢义杰（1989-），男，河南周口人，硕士研究生，研究方向：车辆结构工程。