三维建模实践课程的教学和考核评估模式改革探索

张培艳， 李翠超， 黄蓓蕾， 金 晔

（上海交通大学学生创新中心，上海200240）

0 引 言

三维建模是在计算机上建立完整产品三维几何模型的过程，在机械、航空、汽车、建筑、医疗、地质以及视频游戏等领域有着广泛应用。三维建模将设计表达转化为可视化方案，可为后续的制造加工提供依据。目前，三维建模软件主要有：PTC 公司的Pro / E、Dassault公司的Catia 和SolidWorks、Siemens 公司的NX、AutoDesk公司的Inventor等。其中，SolidWorks是基于Windows开发的三维CAD 系统，操作性好，易于完成设计、仿真、渲染等功能，已成为国内高校三维建模实践课程的常用软件［1-5］，我校亦购置了该软件用于三维建模实践教学。现结合三维建模教学实践过程中存在的问题进行分析，并提出解决方案。

1 “三维建模”实践教学目标及现状

“三维建模”作为工程实践课程的一个训练项目，教学目的明确，是完成课程整体目标不可或缺的组成部分［6～9］。以SolidWorks 软件为载体的“三维建模” 实践教学，旨在使学生掌握SolidWorks的功能及应用，包括草图绘制、编辑等零件建模方法、实体生成方法、系统的装配及设计以及工程图的制作等，使学生理解计算机辅助设计制造系统理念，并能利用该软件进行设计和仿真，从而建立解决问题的能力。

目前的教学仍存在一些问题。①学生对三维建模的知识储备差异化较其它实践训练项目（如车工、数控加工等）更为明显。少数学生在高中甚至更早的基础教育阶段已接触过设计软件，有的还具备一定的设计软件使用能力和设计经验，而有的学生则从未接触过这类软件。②随着工程实践教学学时的普遍压缩以及训练项目的增多，“三维建模”的教学学时通常被压缩至8 学时甚至6 学时。在相对较短的学时内要完成教学目标，对教学过程提出了很大的挑战。③“三维建模”的考核评估存在主观性评估问题，如以设计布局整齐合理、标准格式统一、位置合理等作为评价点，对于设计软件的掌握和使用缺乏技术性考核，通过考核引导学生进行技能学习和训练的驱动力不足。

针对上述问题，提出一种开放性实践教学模式，并结合SolidWorks 的CSWP （Certified SolidWorks Professional）认证考试的方法优化教学考核模式，实现上述问题的解决。

2 三维建模实践课程的开放性教学模式

为解决一些特定的教学问题，出现了很多创新教学模式，如翻转课堂等［10-13］。开放性实践教学模式，一般是利用开放实践场所为学生的自主实践（如课程项目制作、大学生创新项目制作、竞赛社团等任何实践活动）提供开放的空间环境和实践载体，并通过系列实践培训后，对学生的实践能力和水平进行考核与认证，实现学生自主分级使用实践场所、设备和仪器等，有利于营造出安全、规范的“工程图书馆”实践氛围。

将开放性实践教学理念引入以CAD 软件学习为主的“三维建模”实践课程教学中，将课程按入门课程、基础课程和高级课程来分层次进行重构，定期开展不同层次的课程培训并进行标准化的课程考核评估；学生可根据自身实际情况选择某一层级的课程参加学习并参加相应的标准化考核评估。这一教学模式，有效解决了学生知识起点差异化问题，既达到了基本教学目标，也为起点较高的学生提供了进一步提升的途径；同时，通过系列培训和标准化考核评估，为开放实践基地的规范使用、安全使用提供了保障，为学生进入开放实践场所提供准入标准和参考，对促进学生自主实践学习提供便利条件，也为个性化的兴趣学习提供可能。

3 CSWP认证考试方法在实践教学中的应用

3.1 CSWP认证考试概述

CSWP是SolidWorks 全球性认证考视项目，主要考察软件应用专业工程师对设计、仿真一体化软件的使用水平和解决问题的能力，受到一些应用型本科高校的重视，并推动了双证书制和考试认证的教学模式改革［14-16］。该考试项目以设计为中心的三维建模能力出发，着重考察使用三维设计软件的设计能力。除了测试个人使用软件的基本能力外，也注重评估个人使用SolidWorks建立参数化模型、维护产品设计意图的专业技能。

3.2 CSWP在三维建模实践教学考核中的借鉴

CSWP考试内容有：①设计基本概念［图1（a）］；②从图纸尺寸进行零件建模，进行质量分析［图1（b）］；③更新零件参数或在基础零件的基础上，创建更复杂的零件进行质量特性分析［图1（c）］；④创建一个组件，即进行零件装配，使用坐标系统进行目标位置确定和质量特性分析［图1（d）］。

比较CSWP 考试内容与“三维建模”实践课程的教学内容，二者在内容和知识点要求上是一致的，如工程视图表达、零件的建模方法以及零件装配等。CSWP考试以零件的质量特性分析和组件装配的坐标系确定和质量特性分析作为考核点，是对设计能力和软件使用能力的一种科学且客观的考核方法，避免过多的教师主观评估。因此，在“三维建模”实践课程的考核时，借鉴CSWP考试的零件质量分析和组件装配的坐标系判定方法，针对不同专业学生设计难度不同的零件和装配图，在给定材料要求的情况下，分析零件质量和组件的质心。通过测量草图的轮廓和面积，作为草图绘制的正确性考核。以CSWP 考试内容为基础，基于草图、零件实体和装配的测量评估，是一种评价软件使用能力的客观评估标准。

借鉴CSWP的认证考试方法，设计了“三维建模” 实践课程考核方法如表1 所示。

4 教学改进评价分析

对2019 级的2 个班共计39 名学生开展问卷调查，从分层教学模式的需求以及考核方式改进评价进行调查分析，其中93.75%的同学对分层教学提出需求。从计算机辅助设计-制造理念的理解、软件使用能力、考核方法的客观公正3 个方面进行考核方式改进效果分析，调查结果如表2 所示。

图1 CSWP考试题目部分类型

表1 “三维建模”实践课程考核方法

表2 考核方式改进效果

结果表明，CSWP 模式考核的满意度较原有考核方式的满意度在评价内容的3 个方面均有不同程度的提升，尤其考核方式的客观性上提升最为明显。

5 结 语

针对“三维建模”实践教学中存在的学生知识基础差异化问题，提出了开放性实践培训和基于CSWP模式考核认证的教学改革，既是一种多元化教学模式的初步探索，也是课程教学的改进。借鉴SolidWorks的CSWP认证模式，制定了标准化考核评估方法，有利于改进“三维建模”实践教学效果。从实际调研评价看，CSWP认证模式的考核方式在引导现代设计-制造一体的理念上、评价软件的使用能力及其客观性上都具有明显的优势。