基于工作过程的《机械设计》课程的教学改革

基于工作过程的《机械设计CAD》课程的教学改革

郑金辉　高新红　袁品均

《机械CAD》课程开设于计算机辅助设计制造专业第二学年第一学期，是在与企业签订校企合作协议的基础上，校内专职教师与企业工程师共同组成教学团队，培养学生UG/AutoCAD软件基础应用能力的学习型任务阶段的“学中做”，及以汽车检具组装图绘制与零件工艺图设计作为“做中学”教学环节的载体。本成果以层次结构组织教学、工作，以真实的企业工程设计任务作为课程终结考评，在教学设计、实施、考评中注重培养学生的核心能力和相关行业通用能力。

在上述工作和历时5年的教学改革实践基础上优化形成的《机械CAD》课程，能全面调动、保持学生的学习积极性，能细致监控学生的学习状态，学生能了解企业使用机械CAD的流程、规范、标准，对软件能准确理解和规范应用，在国内高职院校的《机械CAD》教学和应用中对学生核心能力和相关行业通用能力培养方面处于领先地位。

一、机械CAD教学组织形式的探索与实践

（一）传统机械CAD教学组织形式及改进

我院机械类专业自1995年起引入AutoCAD，开设以机械CAD软件引用为主的机械CAD课程，先后经历了教学内容、教学形式的多次变化。目前教学内容主要以计算机辅助机械工程图绘制和三维参数化特征实体为主，一般采取以周N学时×周数或专周的组织形式，教学以教师通过多媒体演示软件操作过程，学生模仿及练习为主。自1997年起即采用此方式进行了基于AutoCAD、Solid works、UG、Master Cam等软件的机械CAD教学，感到存在以下问题：

1．教师讲授如果采取两学时讲解、两学时练习，则教学效率低下。在讲授与练习即时结合情况下，学生学习软件的能力有较大差异，教师的讲授速度和所留练习时间主要照顾学习进度中等学生时，进度快、慢的学生不适感强，如照顾进度慢速学生时，教学效率下降。

2．在学生进行模仿和练习时，大量学生存在相同或类似问题，需及时辅导，教师需在教室不同位置做同样内容讲解，才能推进整体学习进度。

3．一名教师面对数十名学生，教学管理力度差，常出现在测验甚至考试时才发现掌握较差的学生。这需要教师通过额外的教学工作，才能确保全班同学达到教学基本要求。

4．教学中，教师疲于应付，在使学生掌握教学基本要求后，并无时间、精力带领学生进行深入研讨，学生的知识、能力迁移性差。

*荣获2008年成都航空职业技术学院第二届高等教育教学成果三等奖

5．对教学中暴露出学生基本素质（核心能力）缺陷，如沟通交流、与人合作等方面的能力欠缺，没有适当的环节加以改善提高。

面对以上问题，我们通过提高讲授技巧和辅导、积累经验等措施，教学效果也随执教时间不断提高。但随着时间的推移，愈发认识到必须改变教学组织形式，才能从根本上解决上述问题。目前机械CAD基础应用能力培养学习型任务阶段的教学内容如图1所示。

图1　目前机械CAD基础应用能力培养学习型任务阶段的教学内容

（二）层次组织的研究与实践情况

在面对2003年2001级工业设计专业学生在两周内完成学习Solid works软件，并以此进行减速器设计表达的教学改革想法时，我们意识到，采取传统的教学组织方式是不可能完成的，在此情况下必须采用新的教学组织形式。为此，在6月专周教学环节进行前的半年时间内，在10132班选拔第一批3名，第二批5名学生，在课外时间学习三维参数化特征实体造型和自顶向下的三维机械设计方法，在教师进行组织和指导的基础上，办公室助教小组同学和先期学习的学生进行了富有成效的辅导工作，很好地减轻教师的工作量，确保层次组织在现实中的实现，在2003年6月为期两周的课程设计中，全班39名学生（其中31名学生没有软件基础），分成8个小组，顺利完成了减速器的三维设计及装配工程图的绘制，实现教学改革意图，并意外看到此种教学组织形式对学生表达沟通、与人合作等方面能力培养的效果。

此后在2002级一周的软件训练和两周机械设计课程设计中，继续采用层次组织的方式进行教学，学生在机械设计课程设计结束时，完成了减速器的三维设计和全部规定装配图、零件图的绘制，成效明显，如表1所示。

2004年学院教育科研项目《工业设计专业结构设计能力培养》立项之后，在2003～2005级的两周Pro/Engineer软件训练和四周的电风扇结构设计课程设计中，继续使用并逐步规范，完善了层次组织实施的细节，如图2所示。

表1

图2　2006年对层次教学组织方式的流程图表述

（三）对层次组织研究与实践的总结

层次组织实施将以往的一名教师对数十名学生同一时间段开展教学的扁平方式改造为层次组织、阶段实施方式，在不增加教师工作量的前提下，有效实现了每个人的高效学习和监控，实现了班级全体学生能力培养目标。随着学生个人计算机拥有量不断上升，此教学组织方式的价值将不断凸现。

教师角色从传授者的单一向多元化转变，学生在课程中的能力培养从行业通用能力向核心能力扩展，提高了课程的培养价值。

二、教学载体的探索与实践

（一）传统机械CAD教学载体存在的问题与改进

在开展机械CAD教学时，教学载体一直是进行教学设计时最为困惑的问题，虽然伴随教师的工作经验和教学经验增长，处理此问题的难度变小，但是教学载体的选择始终是确定课程的培养价值的主要因素。在CAD软件训练中，解决了以“学中做”完成任务为主要形式的基础训练的教学载体后，寻找满足能力培养要求的综合性训练项目的教学载体是我们十余年机械CAD教学一直致力解决的问题，不断改进，但始终感觉离生产实践太远。

（二）工业设计专业机械课程设计改革情况及总结

以往在机械类专业低年级进行CAD教学后，感觉后续课程没有相应的综合性训练项目，不能及时应用机械CAD课程中所形成的能力，尤其是三维部分，缺乏能力培养的连续性，有鉴于此，笔者提出了在所负责的工业设计专业机械课程设计中使用三维设计手段的教学改革设想，并付诸实施。

在《工业设计专业结构设计能力培养》科研项目中，我们根据工业设计专业的特点和需求，开发了电风扇结构设计题目。

我们选择了家用台式电风扇作为设计题目有以下考虑：

产品由大量厂家生产价格低廉，具有可操作性；产品中包含蜗轮蜗杆传动、齿轮传动、曲柄连杆、轴系、俯仰等机构设计；产品中包含通用零件设计和选用（蜗轮、蜗杆、齿轮、轴、弹簧、螺纹连接件、销）、产品的润滑、维护；产品需要进行外观设计、人机界面设计、电器产品结构设计；产品零件制造除涉及金属切削加工外，包含注塑加工、冲压加工。

通过本次设计，要求学生形成以下能力：

理论联系实际的能力；独立拆装产品并分析其功能，分析主要零部件结构的能力；初步掌握设计完整的机械产品的方法；对常见的标准件的选用能力，对简单非标准件的设计（计算、经验）能力；熟练运用设计资料（手册，图册，标准和规范）以及使用经验数据的能力；初步具有从机械产品的尺寸、材料、结构、形状、制造工艺、使用维护、经济、安全等角度综合考虑机械产品设计的能力。同时，通过该课程设计的进行，为后续的产品形态设计、曲面设计、结构设计、模具设计等教学环节积累了经验。

该设计项目的开发对激发、保持学生的学习积极性，培养学生机械CAD应用及结构设计能力发挥了重要作用。10337班首次使用该项目，成效较往届尚不突出，10437班、105310班进行该项目时，项目内容已较为成熟，学生在后续的教学环节及工作中体现出了较强的机械CAD应用能力。

当然，在开发电风扇设计项目时，感到最大的问题是难以获得企业的支持。目前国内的电风扇生产企业主要位于珠江三角洲地区，成都本地及周边无电风扇生产企业，在收集、获取企业技术资料时，主要依靠已就业于电风扇生产厂家的毕业生。教师在摸索中遇到问题时，主要通过电话、邮件形式咨询，效率低下且在项目中的技术标准贯彻难以规范、完整；学生设计完成的结果由教师评判，缺乏企业工程师的实用性、新颖性、新产品转化性等方面的准确评判，但限于实际条件，难以改善。

（三）将企业委托项目作为载体的实践及总结

2000年起，先后将学生送往西南技术物理研究所、黑蚁设计公司等单位从事结构设计的工程图绘制，其中送往西南技术物理研究所的学生参与国防重点科研项目核心内容的研发工作，派出的学生在机械CAD能力及实际工作能力方面进步明显。但此类培养学生的途径不能有效解决缺乏实际经验的教师培养问题。自2004年起，我们开始接受企业委托的设计任务，由教师带领学生利用课余时间完成外观、结构设计项目，同时实现教师和学生能力的增长。

鉴于企业委托项目存在难度大、时间紧的特点，在实际完成过程中，只有个别学生能直接参与到项目中，更多的学生只能通过教师加工委托项目后形成的教学任务来受益，对设计流程、企业技术标准缺乏切身感受，也难以直接获得企业工程师的指导和交流。

（四）与多沐汽车工程公司通过校企合作方式实施课程的情况及总结

成都多沐汽车工程公司是由日本、美国、中国几家汽车工程公司组成的AATG汽车工程集团的主要成员，公司以生产汽车检具为主，技术源自日本汽车企业，主要技术人员均有在日本汽车工程公司工作及进修的经历，企业在国内处于领先地位。在2007年计算机辅助设计制造专业调研过程中，该公司提出，公司的主要产品汽车检具设计中存在“波峰”现象，一般获得订单后，应在较短的周期中完成数十、上百副检具的设计工作，订单周期又大于设计周期，人员设置和工作安排存在困难，建议学院组织在校生经过培训后，承担汽车检具工程图绘制工作，我们欣然接受。在2007年7月，学院组织了20名2005级学生参加为期两周的培训，培训在校内进行。多沐公司设计主管讲解检具设计背景知识及工作流程，资深工程师讲解检具工程图绘制的标准、规范、步骤及注意事项，学生进行练习，经考试后选取8名学生在多沐公司熟悉生产工艺并参与工程图绘制。开学后多沐公司将任务内容及要求通过电子邮件形式发到学院，学生完成规定任务后，通过电子邮件发回公司，2007～2008学年第一学期又选拔了12名2006级学生参与，学生共完成数十套检具的工程图设计，并获取了相应报酬。

在一学期的试运行后，2007年12月，学院与多沐公司签订了具有法律效力的校企合作协议，规范了学院组织学生完成多沐公司汽车检具的工程图设计项目中双方的责任、权利、义务，为今后持续、规范合作奠定了基础。自2008年5月起，以计算机辅助设计制造专业107311班学生为主，开始实施确定的机械CAD课程，目前已完成两批“组长”的三维造型基础训练。学生们了解了由一汽大众工程师介绍的轿车车身知识，参观了一汽丰田成都工厂的车身制造，参观了多沐汽车公司的检具生产。以上工作为全班同学进入三维造型基础训练、工程图设计奠定了基础。根据教学计划，2008年12月，107311班开始承担检具工程图的实际设计。

三、本教学成果的可借鉴性分析

教学组织形式和教学载体的选择是课程教学设计的两个重点和难点，对于培养学生的能力有决定性影响，在目前高职院校及我院开展的基于工作过程的课程系统化设计和实施中尤为重要。

本成果中学院与多沐汽车工程公司合作，将学院的教学活动与企业技术工作融为一体，可充分发挥企业各级技术人员作为兼职教师的作用，保证“做中学”综合性项目的持续实施。教师通过在企业进修后，回校承担技术及组织工作，并获取企业提供的补助。学生在通过企业技术任务学习的同时，部分承担实际任务的同学可获取相应报酬，此类校企合作形式有利于师生工程技术能力的提高，具有较强的可借鉴性。

创新点

1．构建以培养学生行业通用能力为主要目标的新型校企合作机制。即解决了企业在设计任务波峰时及时完成设计工作的问题，同时开辟了学生机械CAD能力成长的途径，也为教师专业能力的成长提供了通道。

2．探索并形成了机械CAD教学采取教师集中引导讲评、课外自学及辅导、专周课程教学及教师指导完成设计任务的几种形式相结合的教学方式。

3．探索并总结、形成了层次教学组织形式，为提高班级应用软件教学质量提供了新型途径。

4．形成兼职教师参与教学活动的新形式，有效解决了教学需求与企业工程师工作之间的矛盾。

5．捕捉就业市场高技能人才需求，结合已有工作基础，灵活组织教学，提高学生的就业质量和教师应用科研能力。

实践效果及推广价值

1．通过在工业设计专业开展的CAD教学改革和机械设计课程设计改革，确保学生获得行业要求的CAD应用能力。曾作为“组长”的工业设计毕业生，不少人从事产品结构设计工作，并发展良好，许多毕业生在企业中表现出高于其他高职高专院校毕业生的CAD应用能力。

2．在校学生在教师及企业工程师指导下，完成汽车检具图纸绘制、产品设计等企业实际工作任务，在提高自己能力的同时，经历了为社会创造财富的过程。

3．校企合作项目有效提高了教师的专业能力、科研能力和学生的就业竞争力。

4．成果中的层次教学法符合教学规律，适应现有编班规模，作为一种以培养学生能力为目标的教学组织方法，具有可推广性。

5．将教学过程与企业工程设计、生产过程融为一体的高职教育教学理念具有普遍意义，本成果提供了可资借鉴的案例。