CAD教學系統(tǒng)工程教育論文

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1背景

進入二十一世紀以來，國家對人才培養(yǎng)提出了“提高自主創(chuàng)新能力，建設(shè)創(chuàng)新型國家”、“優(yōu)先發(fā)展教育，建設(shè)人力資源強國”的戰(zhàn)略目標，并在“辦好人民滿意的教育”、“提高高等教育質(zhì)量”的戰(zhàn)略思想指導下，實施了一系列的高等學校教學質(zhì)量與教學改革工程，包括已經(jīng)實施的本科院校評估工程、質(zhì)量和品質(zhì)提升工程。為進一步深化本科教育教學改革，提高本科教育教學質(zhì)量，國家、教育部先后發(fā)文，同時，為推動協(xié)同創(chuàng)新，促進高等教育與科技、經(jīng)濟、文化的有機結(jié)合，教育部提出“高等學校創(chuàng)新能力提升計劃”，并對計劃實施提出面向4個方面的意見，即包括面向科學前沿的協(xié)同創(chuàng)新中心、面向文化傳承創(chuàng)新的協(xié)同創(chuàng)新中心、面向行業(yè)產(chǎn)業(yè)的協(xié)同創(chuàng)新中心、面向區(qū)域發(fā)展的協(xié)同創(chuàng)新中心。教學質(zhì)量和改革不僅要對接國家政策，契合國家總的戰(zhàn)略目標、戰(zhàn)略思想、指導意見，同時還要對接好區(qū)域市場，需要學校根據(jù)區(qū)域發(fā)展定位、生源質(zhì)量、師資狀況、實驗設(shè)備情況來具體實施完成。江漢大學是地方院校，機電與建筑工程學院專業(yè)培養(yǎng)目標定位“培養(yǎng)寬基礎(chǔ)、高素質(zhì)、具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高水平工程類人才”。主要培養(yǎng)應用性、實用型人才，著力培養(yǎng)學生實踐能力、創(chuàng)新能力，盡力幫助畢業(yè)生縮短承擔實際工作任務(wù)的過渡時間。教學質(zhì)量與品質(zhì)提升遇到的困難主要還是國家對教育的投入不足，所以在實施模式選擇上需要考慮。產(chǎn)學研培養(yǎng)模式的問題不在于學校能否培養(yǎng)出所需的人才，主要在于國內(nèi)多數(shù)企業(yè)動力不足，很難主動與學校對接并將利潤流入學校進行人才培養(yǎng)。所以學校教學質(zhì)量與改革對教學目標定位所選取服務(wù)的產(chǎn)業(yè)很重要。同時教改需要依據(jù)規(guī)律性東西，形成可以持續(xù)且循環(huán)復制操作的體系，并具有一定的國際視野以適應整個大環(huán)境對人才的培養(yǎng)需求。借鑒發(fā)達國家的工程教育模式，在原有教學體系基礎(chǔ)上加以調(diào)整和改進，具有一定的優(yōu)越性和可行性。本文主要探討以CDIO（Conceive構(gòu)思，Design設(shè)計，Implement實現(xiàn)，Operate運作）思想為導向，構(gòu)建cad教學系統(tǒng)的模式、提出優(yōu)化方法和實例。

2CDIO教學模式

2.1理念分析

根據(jù)當前對工程人才培養(yǎng)的社會需求，當前國際主流為全面工程教育理念。因為現(xiàn)代科學技術(shù)和工程問題不再是局限于單一學科的問題，這里面有現(xiàn)代科技、生物技術(shù)、信息技術(shù)迅猛發(fā)展帶來的深層次原因，所以，對現(xiàn)實中問題的解決也不再是傳統(tǒng)方法，需要多學科、多層面和跨時空交流與合作，對人才素質(zhì)能力培養(yǎng)提出新的要求。CDIO是基于全面工程教育理念的具體實現(xiàn)手段，2004年由4所國際大學組成的跨國研究組合KnutandAliceWallenberg基金會研究探索形成。它是以工程項目為載體對目標群體實施主動性、實踐性、綜合性課程教學方式，主要以“基于項目的教育和學習”為重點，以能力培養(yǎng)為目標。

2.2體系結(jié)構(gòu)

CDIO體系嚴密，并具備全面實施過程和結(jié)果檢驗的12條標準。12條標準可以概括為3個方面。

2.2.1課程體系與培養(yǎng)方案

涵蓋標準2、標準3、標準4，主要是課程體系和教學培養(yǎng)方案上要體現(xiàn)和滿足CDIO工程教育模式、思想和方法，體現(xiàn)“寬基礎(chǔ)、高素質(zhì)”培養(yǎng)要求。

2.2.2項目設(shè)計與評估

涵蓋標準5、標準6、標準7、標準8、標準11和標準12，工程項目設(shè)計是CDIO實施的主要部分；標準7和標準8主要體現(xiàn)綜合性學習和主動學習；標準11和標準12構(gòu)成評估體系，包括學習評估和專業(yè)項目評估兩個方面。

2.2.3教學理念

涵蓋標準1、標準9、標準10，標準l主要是CDIO教育理念，要求專業(yè)目標反映CDIO理念；標準9和標準10主要包括教師基本能力、產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)構(gòu)建能力的提高。

2.3借鑒性分析

2.3.1成熟度分析

CDIO具有完備的能力體系結(jié)構(gòu)和實施檢驗標準，中國教育部2008年前后引進試點，具備一定成熟度。

2.3.2課程體系分析

CDIO對學生跨學科知識和文理并重提出要求，比如創(chuàng)新精神、實踐能力、團隊組織協(xié)調(diào)與交流能力等。課程體系需針對教學培養(yǎng)方案對學習目標、綜合課程設(shè)置、工程類課程設(shè)置等做出相應調(diào)整，大類培養(yǎng)和專業(yè)教育相結(jié)合。以項目設(shè)計為導線從而有機劃分課程群進而系統(tǒng)地整合課程體系，并以此為核心組織需要學習和掌握的教學內(nèi)容?？筛鶕?jù)CAD教學課程體系調(diào)整改進實驗教學體系，增強實驗體系模塊化、層次化和系統(tǒng)化，形成由基礎(chǔ)到高級、由簡單到復雜的項目進階模式，從而使學生在項目完成過程中提高自主學習能力和工程實踐能力，激發(fā)學習興趣、求知欲、自信心、探索精神、開創(chuàng)精神和鍛煉團隊精神。

2.3.3教學理念方法與評估分析

主要是在教學方法上體現(xiàn)現(xiàn)代工程教育，由以教師為中心教學轉(zhuǎn)向“以學生為中心”，可以對過去多媒體開發(fā)思路和傳統(tǒng)教案組織方式加以改進。評估體系主要改變原有評估結(jié)構(gòu)適應項目體系結(jié)構(gòu)，可以增加CDIO能力因素評估環(huán)節(jié)，比如學習經(jīng)歷、人際關(guān)系技巧、系統(tǒng)構(gòu)建技能、團隊合作知識等，可以利用先進通信技術(shù)采用非傳統(tǒng)評價手段。

2.3.4項目設(shè)計分析

項目設(shè)計是重點部分。項目要求具備綜合性,體現(xiàn)學科知識與工程訓練的融合，同時契合實際，從而實現(xiàn)綜合學習與自主學習過程?？梢栽黾泳C合性設(shè)計性實驗項目，引入相關(guān)企業(yè)、研究所實際范例。

3基于CDIO的CAD教學系統(tǒng)構(gòu)建

3.1課程體系結(jié)構(gòu)調(diào)整

基于CDIO的學科課程體系的研究主要體現(xiàn)在圍繞“構(gòu)思-設(shè)計-實現(xiàn)-運作”思路要求，以項目為導引構(gòu)建課程群。根據(jù)項目規(guī)模劃分項目層級、明確層級順序和課程時間順序，構(gòu)建項目魚骨架圖。比如專業(yè)課程由單門課程支撐一個三級項目，一組核心課程群支撐一個二級項目，一組二級項目支撐一個一級項目。圖1所示主干顯示包含CDIO全過程的一級項目，由主要核心課程構(gòu)成。工程制圖及CAD屬于二級項目下的核心課程，CAD系統(tǒng)、CAD/CAM分屬于后續(xù)二級項目下課程。

3.2教學理念方法與模式

為了由過去以教師為中心的教學方式轉(zhuǎn)向“以學生為中心”，同時激發(fā)學生學習興趣和自主學習能力，需要對信息的傳達方式和手段優(yōu)化，這里主要提出3個方面的措施。

3.2.1教學信息邏輯結(jié)構(gòu)圖處理

傳統(tǒng)圖學教學教案設(shè)計一般采用辦公處理軟件Word或者PPT對文字信息進行順序加工處理并展示。版式中大量文字以適合傳統(tǒng)閱讀模式的線性形式表述。結(jié)合CDIO對培養(yǎng)學習目標群體綜合能力素質(zhì)方面的要求，探索采取更加符合形象思維訓練和加深知識記憶的方法和手段，并將該方式方法融入教學教案設(shè)計表達以及素材開發(fā)元件制作的腳本設(shè)計中。主要思路為遵循形象創(chuàng)建規(guī)律和知識邏輯結(jié)構(gòu)傳遞為主線，對圖學的內(nèi)容進行并行化處理，并加入思維形式注記，見圖2。首先，將教學內(nèi)容中適合做并行轉(zhuǎn)化處理部分篩選出來，選用適當輔助軟件工具對教學內(nèi)容進行處理，添加思維注記形式如概念型、符號型、類化型、證明型、森林型、賦權(quán)樹型等，改變現(xiàn)有教學教案的線性文本結(jié)構(gòu)和屬性，增強重點、關(guān)聯(lián)、圖像、色彩、視覺節(jié)奏、維度等信息，達到強化學習活躍度、增強思維訓練的目的。實現(xiàn)方法是首先針對某一知識點找出主題作為根結(jié)點；其次對文本信息內(nèi)容進行分層，將各層內(nèi)容關(guān)鍵詞作為根結(jié)點的主要分支，各層內(nèi)容依次按先后和重要程度劃分作為分支的子項；再次標識出整體內(nèi)容中的關(guān)鍵要素，標識出各分支內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)與區(qū)別；最后插入相關(guān)圖示作為注釋說明，并調(diào)整各元素顏色、粗細、結(jié)構(gòu)等以增強視覺效果表達。在轉(zhuǎn)化處理過程中應注意首先主題需明確，各層級關(guān)鍵詞需經(jīng)過提煉保持簡明扼要，便于理解和掌握；其次盡量將某一主題內(nèi)容放置在同一幅面中，而且盡量保證每組的分支數(shù)在合理的范圍內(nèi)，并控制分支之間的密集度，如果內(nèi)容超出單幅面容納范圍。則可以采取子圖分解的方法加以解決。教學內(nèi)容中一些具有相似性屬性的圖形信息可以集中分析展示。這里的相似性屬性不僅僅是從邏輯概念或工程圖的內(nèi)容進行劃分，而且可就工程圖學本身的圖形所具有的審美性加以匯總，這對于提高學習目標群體綜合能力的培養(yǎng)有所裨益。

3.2.2基礎(chǔ)課程輔助教學系統(tǒng)開發(fā)

傳統(tǒng)輔助教學系統(tǒng)主要基于Authware、Director等MCAI軟件開發(fā)，這類系統(tǒng)根據(jù)程序開發(fā)者初期擬訂教學思路和教學實施過程編制固定腳本，因此封裝打包后無法修改，存在教學實施中開放性、通用性不強的問題。一方面教學實施者在教學中無法根據(jù)實際情況形成個人的單堂課程教案進行個性化施教；另一方面教學實施對象實驗中無法根據(jù)自身情況形成個性化學習，比如無法根據(jù)自己對計算機操作熟練程度、空間想象能力程度來適時調(diào)看相關(guān)命令、參照三維實物模型和相關(guān)理論知識點。針對上述需求，筆者研究了CAD基礎(chǔ)課程工程制圖數(shù)字化立體教學系統(tǒng)。該套系統(tǒng)由專業(yè)數(shù)字化教學素材庫、多媒體展示系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)展示系統(tǒng)3部分組成。增強個性化修改定制功能，整個平臺系統(tǒng)呈現(xiàn)一種開放式結(jié)構(gòu)。輔助教學多媒體展示系統(tǒng)主要輔助教師課堂教學，利用教學系統(tǒng)開發(fā)平臺進行開發(fā)并按照一定的框架結(jié)構(gòu)集成所有制作元素。教師可根據(jù)實際情況引用素材庫內(nèi)資源比如數(shù)字教案、數(shù)字化掛圖、平面工程圖、數(shù)字三維模型、動畫等形成個性化教案進行教學講解，可以根據(jù)前述CDIO理念以及便于項目化教學需要來組織教學內(nèi)容，把抽象的教學內(nèi)容轉(zhuǎn)化為易于接受、形象直觀的圖像、動畫、虛擬模型，解決傳統(tǒng)教學對于教學重難點突出不夠、表達效果差等問題。網(wǎng)絡(luò)展示系統(tǒng)主要用于輔助學生自主學習與測試，學生通過網(wǎng)絡(luò)隨時調(diào)用庫內(nèi)矢量模型實時拖曳、動態(tài)觀察、動畫放縮不失真、易于控制播放，調(diào)用自動繪圖命令講解動畫學習計算機繪圖方法；網(wǎng)絡(luò)習題集涵蓋理論重難點、提供實時自測和正誤判斷，便于學生自由學習、深化鞏固知識。整個系統(tǒng)設(shè)計過程可以劃分為以下幾個階段，首先針對工程制圖具體內(nèi)容綜合利用多媒體技術(shù)構(gòu)建資源庫內(nèi)各分類單元的元素素材收集、設(shè)計與初步制作；其次根據(jù)使用目的和場合要求搭建展示平臺框架；然后將各分類單元元素分別集成于開放平臺下，形成滿足本地和網(wǎng)絡(luò)化展示應用；再次根據(jù)CAD具體內(nèi)容完成基礎(chǔ)部分內(nèi)容設(shè)計，可以與工程制圖結(jié)合，融入前述系統(tǒng)中。整個系統(tǒng)進行測試并投入運行，使用情況好，其方法和系統(tǒng)平臺也適用于其他課程移植，便于實施開展開放式、自主性、個性化的教學。

3.2.3信息反饋和評估

建立非傳統(tǒng)評價體系，激勵學生將被動學習轉(zhuǎn)化為主動學習。教學信息反饋和評估采取動態(tài)方式，包括實驗教學部分以及后續(xù)綜合項目部分，可以充分利用網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)代交流工具如QQ、微信等動態(tài)收集信息；所有項目實施采用開放性實踐方式面向高年級學生開展，分小組按批次對學生實施。同時增加非傳統(tǒng)評價環(huán)節(jié)，比如綜合項目中對整個過程中的圖書館資料查閱、方案設(shè)計和選擇、具體實施和運行、總結(jié)和歸納的各環(huán)節(jié)進行評價，成績構(gòu)成由各環(huán)節(jié)成績按百分比組成。實施過程中以學生為主、教師為輔，教師就學生設(shè)計實施中提出的問題開展分析討論，引導學生獨立思考，提出解決方案，以達到鍛煉提高學生解決問題能力的目的。最后以書面總結(jié)的方式按小組形成報告，通過小組答辯形式綜合確定成績。

3.3綜合項目設(shè)計

3.3.1設(shè)計目標意義

學生在掌握CAD基本知識和理論后，可以通過CAD綜合性實踐項目獲得綜合素質(zhì)提高，達到深化知識、了解科研程序的目的，從而調(diào)動學生主動學習、鉆研科學的興趣，培養(yǎng)獨立思考、善于創(chuàng)造、綜合運用知識的能力。筆者曾就利用在研究課題結(jié)合實際工程問題項目方案做過相關(guān)討論，本文就CDIO中增強人文素質(zhì)培養(yǎng)和綜合素質(zhì)培養(yǎng)方面對綜合項目設(shè)計做進一步改進，以期增強綜合項目的多元性和復合性，培養(yǎng)學生開闊視野、創(chuàng)新探索、多角度分析解決問題的能力。

3.3.2項目設(shè)計內(nèi)容

方案主要內(nèi)容為創(chuàng)意平面圖形設(shè)計。利用已有的平面圖形繪制基本軟件完成創(chuàng)意圖形。平面設(shè)計軟件選用矢量圖形軟件，如AutoCAD、Coreldraw、Fireworks等。要求設(shè)計圖形具有一定品味、色彩配比合理、反映創(chuàng)意人獨有特征，具備材料運用對象并可以加工為相應的藝術(shù)品，有一定珍藏價值。運用AutoCAD、Flash完成，適于紡織品材料，可作為年節(jié)禮品。將民間有關(guān)福祿壽的相關(guān)紋樣用于基本形構(gòu)造，整體圖案可以應用于木板雕刻、建筑裝飾鑲嵌或其他諸如藝術(shù)玻璃鑲嵌工藝。為運用AutoCAD完成秦騎馬傭平面圖形設(shè)計，該圖案可以應用于木板雕刻，作為旅游紀念品具有收藏價值。

4結(jié)語

教與學是教師與學生之間知識傳達的互動過程，傳達的內(nèi)容不僅僅局限于科技內(nèi)容、綜合素質(zhì)或創(chuàng)新能力等的培養(yǎng)，還涉及思維和心理方面的訓練。借鑒發(fā)達國家已有并較成熟系統(tǒng)培養(yǎng)模式具有一定的可行性，通過對已有體系加以改進、同時增加綜合素質(zhì)和創(chuàng)意元素培養(yǎng)，不僅達到深化CAD課程內(nèi)容的目的，還使學生獲得其他能力鍛煉，對適應當前或未來復雜多變的競爭環(huán)境、提升學生個體學習滿意度和價值認可具有現(xiàn)實意義。整個系統(tǒng)對提高CAD教學質(zhì)量具有參考價值。

作者：胡珺 萬宇杰 蔡敢民 單位：江漢大學機電與建筑工程學院