基于CDIO工程教育模式的UG课程教学设计与实践

杨 根，杜 静，陈 博

(1．西安工程大学 工程训练中心,陕西 西安 710048；2.西安工程大学 机电工程学院, 陕西 西安 710048)

0 引言

CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果，CDIO代表构思(conceive)、设计(design)、实现(implement)和运作(operate)[1-2]。它是以从产品设计研发到制造、装配以及产品运行的一个完整生命周期为载体，建立一个相互支撑、有机结合的实践课程体系。强调以学生为主体，采用以工作过程为导向的项目驱动教学方法，目的是培养学生的工程基础知识能力、个人能力、团队能力以及工程实践能力。

UG/NX软件是一款集CAD、CAE和CAM等功能于一体的计算机辅助设计与制造软件，应用范围涉及航天航空、汽车、船舶及医疗设备等工业领域，是本科院校机械类、电子类等专业的大学生必学的CAD/CAM软件之一[3]。为了满足制造业企业人才需求，我校机械类及近机械类的各个专业均开设了UG NX软件应用课程，培养学生三维建模、虚拟装配、仿真及工程图等能力。然而，在UG软件教学过程中存在一些问题，本文针对这些问题，在UG软件课程教学中引入CDIO工程教育模式理念，改变过去陈旧、单一的工程教育人才培养观念，强调以学生为中心，发挥教师示范、诊断、评价等作用，引导、协助学生达成预期目标，建立以项目为导向的工程价值观，将工程师应具备的核心素质教育作为工程教育的主线，培养大学生工程创新实践能力和团队合作精神，提高综合素质，促进创新型人才培养[4-5]。

1 UG课程教学存在的问题

1.1 教学内容不合理、过于单一、缺乏综合性

数字化设计与制造是未来装备制造行业发展的必然趋势，是高等院校CAD/ CAM教学的重要组成部分。但是一直以来UG课程教学内容过于单一，UG软件功能模块多、命令多，知识点分散。现有的UG教学内容及教学计划大部分是按照各个功能命令，如草绘、拉伸、旋转等基本功能指令分开讲解，然后再讲解装配、运动仿真及二维工程图。教师按照教材安排的顺序上课，学生在学习过程中感觉枯燥乏味，缺乏学习的目的性和积极性，上课往往容易出现走神等现象。学生学完知识点后，不能融会贯通、灵活应用功能命令对综合实例的建模。能够体现创新能力的教学内容不多，缺少个性化和综合性的内容，无法满足工程教育培养大学生的要求[6]。

1.2 教学模式、方法落后，缺乏主动性

目前UG软件课程教学过程往往采用以教师为中心，以教师讲解为主、学生练习为辅，学生被动接受的方式。教学模式侧重于知识的讲解，或只是对单个命令的实际应用，忽略了学生自主学习能力和团队合作能力的培养。教学方法单一，常常是单纯的“一讲一做”的模式，学生重复老师的动作，造成学生不动脑思考，单纯地复制，学生缺少独立思考的过程。教学过程枯燥乏味，不能充分调动学生的主动性和创造性，学生的创新能力得不到有效锻炼和提升，教学效果不佳。

1.3 课程考核、评价方式单一

目前UG软件课程考核方式大部分仍然采用30%平时成绩(出勤、课堂表现及课后作业情况)加70%期末考试成绩的方法，学生学习的目的仅仅是及格即可，学习进度和深度完全局限于教师，缺少对学生的探索性、创新思维、创新能力的培养。此外，课程只重视学生知识点的掌握，缺少对高素质工程人才应具有的思考、决策、分析、团队合作及创新等方面能力的评价与培养。

2 UG课程教学设计与实践

2.1 设计项目教学的重要意义

UG软件为用户提供了强大的基于特征的实体建模功能，通过拉伸、旋转、扫描、放样及阵列等操作实现三维造型设计。项目化教学是一种适合于实践教学的教学方法，是由师生共同实施一个完整的项目工作而展开的教学活动。

为了提高学生的学习兴趣及积极性，UG课程实践内容以虎钳、减速箱等十几个具有代表性的作品项目作为载体，通过体验企业实际生产的设计任务，让学生带着兴趣、问题去学习。教师针对学生提出的问题进行答疑、指导，引导学生自主设计，并发挥创新意识。例如让学生自主设计一套虎钳，将CAD/CAM软件、建模、装配等知识贯穿其中，在兴趣的基础之上激发学生学习的主动性和积极性，改变原本枯燥的实践环节，增强了实践环节趣味性与专业性[7]。通过一组项目产品的设计建模，将真实工作过程中的人员、设备、产品、检验及管理要素融入到教学过程中，把理论知识与实践操作有机结合起来，培养学生具备一定工程实践能力和创新能力。

2.2 教学项目实施过程

考虑UG软件属于实践性较强的课程，学生在掌握相关操作指令之后还需进行项目练习，每次课安排4学时。为保证教学项目的顺利实施，将教学环节分为项目引入、教学演示、任务实施、任务评价等4个阶段[8]，如表1所示。实践教学应以项目为驱动，在教学内容上选择与实际生产相结合、具有代表性的机构，让学生掌握零件的建模、装配、工程图设计及仿真，培养学生将专业理论知识应用于工程实践的能力。因此选择虎钳、减速箱、齿轮泵等典型机构作为实践项目，软件使用NX UG10.0，通过教师的引入项目，讲解相关知识点后，让学生自主完成一组机构的设计任务，把课堂所学的理论知识与实践操作结合起来，使学生具备产品制作的工程实践能力及创新能力。

表1 项目实施方案

2.3 教学项目引入

如图1所示为虎钳的装配图，以虎钳项目为载体开展实践教学，教师引入项目后，提出完成虎钳建模项目所需学习的专业知识、建模方法，讲解虎钳项目的难点、重点及技巧，并具体讲解项目涉及的指令，提出本项目需掌握UG软件的功能与模块指令，讲解根据虎钳结构特点及零件建模过程涉及指令的应用。学生自主完成虎钳的建模、装配及仿真等内容，整个教学过程紧紧围绕项目的解决而开展。学生在领取任务之后，由教师引导学生查找相关资料，掌握项目涉及的专业知识，掌握虎钳项目所需的建模模块和指令。

1-螺杆 2-钳座 3-护口板 4-M8×10螺钉 5-活动钳口 6-定位套 7-定位销 8-沉头螺钉 9-方块螺母图1 虎钳装配图(单位：mm)

2.4 教学项目实施

教学项目内容的关键在于项目实施过程，教师将项目引入后，给学生下达工作任务，学生根据任务书，明确任务要求，收集、学习项目所需的相关资料，通过包括微课、翻转课堂等多种教学形式，熟悉课堂内容，将学习过程中遇到的问题提前记录下来[9-10]。

教师演示主要以虎钳、减速箱等经典项目为导向，由教师通过对模型的构建，讲解设计思路、设计步骤、操作要领等相关基础知识，使学生掌握基本建模思路和命令。后续由学生独自完成项目任务，教师负责相关指导工作。学生在项目实践中锻炼建模思路和基本指令的使用，达到熟练掌握的程度。实践中多鼓励学生独立思考、多思多想，激发学习潜能。创新实践阶段以一个综合项目实践为主线，综合建模、装配、仿真等知识点，采用分组形式，通过学生的自主探究和合作来解决问题，共同完成项目。让学生通过项目的学习，循序渐进、中逐步提高，以培养其创新能力和知识迁移能力。

项目任务实施阶段，安排学生以3～4人为一个项目团队，指派实践能力强的学生担任组长。组长领取任务后，明确学习任务和要求，根据任务要求查阅相关资料。由组长负责组织小组成员讨论、分析项目任务，制定项目实施方案。为了保障项目顺利完成，可将任务分解，合理安排工作量，落实责任到人。在整个教学实施过程中，坚持以学生为中心，教师作为引导者，鼓励学生大胆探索创新，同一个零件可以设想采用多种建模方法完成，对不同建模方式进行对比，选择最佳实施方案。任务完成后，教师组织各小组学生进行互评及教师点评，在点评过程中发现问题，开拓学生的思维，建立浓厚的学习氛围。项目化教学不仅使学生掌握了UG软件的相关知识，更培养了学生的团队合作能力和创新能力。

2.5 教学任务评价

考核评价体系主要作用是检验学生学习成果，它不仅是实践教学的重要组成环节，更是教学内容的延续。为了更加全面评价学生的学习情况，如表2所示可将考核评价分为3个阶段，贯穿于整个教学过程中。应针对学生以团队方式完成学习过程中所形成的阶段性成果，如方案设计、项目实施计划、技术难点提出及其问题解决过程资料、团队合作情况、小组自评、教师评价等多方面进行考核评价[11-12]。

表2 考核评价体系

3 结论

在工程教育认证的大背景下，基于CDIO工程教育理念的UG课程教学设计，以学生为中心，以项目为导向，通过具体的项目展开UG软件课程教学，让学生发挥主动性和积极性，活跃课题气氛，由学生自主完成零件的设计任务，培养学生的建模、装配及工程图设计能力。教师引导每组学生达到预期的实践成果，学生通过任务的完成，获得一定的成就感，在此过程中培养学生的实践能力、创新能力及团队合作能力。