CAD教學(xué)系統(tǒng)工程教育論文
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1背景
進(jìn)入二十一世紀(jì)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(qiáng)國”的戰(zhàn)略目標(biāo)，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(dǎo)下，實(shí)施了一系列的高等學(xué)校教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程，包括已經(jīng)實(shí)施的本科院校評估工程、質(zhì)量和品質(zhì)提升工程。為進(jìn)一步深化本科教育教學(xué)改革，提高本科教育教學(xué)質(zhì)量，國家、教育部先后發(fā)文，同時(shí)，為推動協(xié)同創(chuàng)新，促進(jìn)高等教育與科技、經(jīng)濟(jì)、文化的有機(jī)結(jié)合，教育部提出“高等學(xué)校創(chuàng)新能力提升計(jì)劃”，并對計(jì)劃實(shí)施提出面向4個(gè)方面的意見，即包括面向科學(xué)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(xué)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(biāo)、戰(zhàn)略思想、指導(dǎo)意見，同時(shí)還要對接好區(qū)域市場，需要學(xué)校根據(jù)區(qū)域發(fā)展定位、生源質(zhì)量、師資狀況、實(shí)驗(yàn)設(shè)備情況來具體實(shí)施完成。江漢大學(xué)是地方院校，機(jī)電與建筑工程學(xué)院專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)定位“培養(yǎng)寬基礎(chǔ)、高素質(zhì)、具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的高水平工程類人才”。主要培養(yǎng)應(yīng)用性、實(shí)用型人才，著力培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力，盡力幫助畢業(yè)生縮短承擔(dān)實(shí)際工作任務(wù)的過渡時(shí)間。教學(xué)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(shí)施模式選擇上需要考慮。產(chǎn)學(xué)研培養(yǎng)模式的問題不在于學(xué)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(xué)校對接并將利潤流入學(xué)校進(jìn)行人才培養(yǎng)。所以學(xué)校教學(xué)質(zhì)量與改革對教學(xué)目標(biāo)定位所選取服務(wù)的產(chǎn)業(yè)很重要。同時(shí)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(fù)制操作的體系，并具有一定的國際視野以適應(yīng)整個(gè)大環(huán)境對人才的培養(yǎng)需求。借鑒發(fā)達(dá)國家的工程教育模式，在原有教學(xué)體系基礎(chǔ)上加以調(diào)整和改進(jìn)，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(jì)，Implement實(shí)現(xiàn)，Operate運(yùn)作）思想為導(dǎo)向，構(gòu)建cad教學(xué)系統(tǒng)的模式、提出優(yōu)化方法和實(shí)例。
2CDIO教學(xué)模式
2.1理念分析
根據(jù)當(dāng)前對工程人才培養(yǎng)的社會需求，當(dāng)前國際主流為全面工程教育理念。因?yàn)楝F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工程問題不再是局限于單一學(xué)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(shí)中問題的解決也不再是傳統(tǒng)方法，需要多學(xué)科、多層面和跨時(shí)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(shí)現(xiàn)手段，2004年由4所國際大學(xué)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(xiàng)目為載體對目標(biāo)群體實(shí)施主動性、實(shí)踐性、綜合性課程教學(xué)方式，主要以“基于項(xiàng)目的教育和學(xué)習(xí)”為重點(diǎn)，以能力培養(yǎng)為目標(biāo)。
2.2體系結(jié)構(gòu)
CDIO體系嚴(yán)密，并具備全面實(shí)施過程和結(jié)果檢驗(yàn)的12條標(biāo)準(zhǔn)。12條標(biāo)準(zhǔn)可以概括為3個(gè)方面。
2.2.1課程體系與培養(yǎng)方案
涵蓋標(biāo)準(zhǔn)2、標(biāo)準(zhǔn)3、標(biāo)準(zhǔn)4，主要是課程體系和教學(xué)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(xiàng)目設(shè)計(jì)與評估
涵蓋標(biāo)準(zhǔn)5、標(biāo)準(zhǔn)6、標(biāo)準(zhǔn)7、標(biāo)準(zhǔn)8、標(biāo)準(zhǔn)11和標(biāo)準(zhǔn)12，工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)是CDIO實(shí)施的主要部分；標(biāo)準(zhǔn)7和標(biāo)準(zhǔn)8主要體現(xiàn)綜合性學(xué)習(xí)和主動學(xué)習(xí)；標(biāo)準(zhǔn)11和標(biāo)準(zhǔn)12構(gòu)成評估體系，包括學(xué)習(xí)評估和專業(yè)項(xiàng)目評估兩個(gè)方面。
2.2.3教學(xué)理念
涵蓋標(biāo)準(zhǔn)1、標(biāo)準(zhǔn)9、標(biāo)準(zhǔn)10，標(biāo)準(zhǔn)l主要是CDIO教育理念，要求專業(yè)目標(biāo)反映CDIO理念；標(biāo)準(zhǔn)9和標(biāo)準(zhǔn)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(shí)施檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，中國教育部2008年前后引進(jìn)試點(diǎn)，具備一定成熟度。
2.3.2課程體系分析
CDIO對學(xué)生跨學(xué)科知識和文理并重提出要求，比如創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)組織協(xié)調(diào)與交流能力等。課程體系需針對教學(xué)培養(yǎng)方案對學(xué)習(xí)目標(biāo)、綜合課程設(shè)置、工程類課程設(shè)置等做出相應(yīng)調(diào)整，大類培養(yǎng)和專業(yè)教育相結(jié)合。以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為導(dǎo)線從而有機(jī)劃分課程群進(jìn)而系統(tǒng)地整合課程體系，并以此為核心組織需要學(xué)習(xí)和掌握的教學(xué)內(nèi)容?？筛鶕?jù)CAD教學(xué)課程體系調(diào)整改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)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(fù)雜的項(xiàng)目進(jìn)階模式，從而使學(xué)生在項(xiàng)目完成過程中提高自主學(xué)習(xí)能力和工程實(shí)踐能力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、求知欲、自信心、探索精神、開創(chuàng)精神和鍛煉團(tuán)隊(duì)精神。
2.3.3教學(xué)理念方法與評估分析
主要是在教學(xué)方法上體現(xiàn)現(xiàn)代工程教育，由以教師為中心教學(xué)轉(zhuǎn)向“以學(xué)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(jìn)。評估體系主要改變原有評估結(jié)構(gòu)適應(yīng)項(xiàng)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(xué)習(xí)經(jīng)歷、人際關(guān)系技巧、系統(tǒng)構(gòu)建技能、團(tuán)隊(duì)合作知識等，可以利用先進(jìn)通信技術(shù)采用非傳統(tǒng)評價(jià)手段。
2.3.4項(xiàng)目設(shè)計(jì)分析
項(xiàng)目設(shè)計(jì)是重點(diǎn)部分。項(xiàng)目要求具備綜合性,體現(xiàn)學(xué)科知識與工程訓(xùn)練的融合，同時(shí)契合實(shí)際，從而實(shí)現(xiàn)綜合學(xué)習(xí)與自主學(xué)習(xí)過程。可以增加綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，引入相關(guān)企業(yè)、研究所實(shí)際范例。
3基于CDIO的CAD教學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建
3.1課程體系結(jié)構(gòu)調(diào)整
基于CDIO的學(xué)科課程體系的研究主要體現(xiàn)在圍繞“構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)現(xiàn)-運(yùn)作”思路要求，以項(xiàng)目為導(dǎo)引構(gòu)建課程群。根據(jù)項(xiàng)目規(guī)模劃分項(xiàng)目層級、明確層級順序和課程時(shí)間順序，構(gòu)建項(xiàng)目魚骨架圖。比如專業(yè)課程由單門課程支撐一個(gè)三級項(xiàng)目，一組核心課程群支撐一個(gè)二級項(xiàng)目，一組二級項(xiàng)目支撐一個(gè)一級項(xiàng)目。圖1所示主干顯示包含CDIO全過程的一級項(xiàng)目，由主要核心課程構(gòu)成。工程制圖及CAD屬于二級項(xiàng)目下的核心課程，CAD系統(tǒng)、CAD/CAM分屬于后續(xù)二級項(xiàng)目下課程。
3.2教學(xué)理念方法與模式
為了由過去以教師為中心的教學(xué)方式轉(zhuǎn)向“以學(xué)生為中心”，同時(shí)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和自主學(xué)習(xí)能力，需要對信息的傳達(dá)方式和手段優(yōu)化，這里主要提出3個(gè)方面的措施。
3.2.1教學(xué)信息邏輯結(jié)構(gòu)圖處理
傳統(tǒng)圖學(xué)教學(xué)教案設(shè)計(jì)一般采用辦公處理軟件Word或者PPT對文字信息進(jìn)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(xué)習(xí)目標(biāo)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(xùn)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(xué)教案設(shè)計(jì)表達(dá)以及素材開發(fā)元件制作的腳本設(shè)計(jì)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(xué)的內(nèi)容進(jìn)行并行化處理，并加入思維形式注記，見圖2。首先，將教學(xué)內(nèi)容中適合做并行轉(zhuǎn)化處理部分篩選出來，選用適當(dāng)輔助軟件工具對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)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(xué)教案的線性文本結(jié)構(gòu)和屬性，增強(qiáng)重點(diǎn)、關(guān)聯(lián)、圖像、色彩、視覺節(jié)奏、維度等信息，達(dá)到強(qiáng)化學(xué)習(xí)活躍度、增強(qiáng)思維訓(xùn)練的目的。實(shí)現(xiàn)方法是首先針對某一知識點(diǎn)找出主題作為根結(jié)點(diǎn)；其次對文本信息內(nèi)容進(jìn)行分層，將各層內(nèi)容關(guān)鍵詞作為根結(jié)點(diǎn)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(xiàng)；再次標(biāo)識出整體內(nèi)容中的關(guān)鍵要素，標(biāo)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(xì)、結(jié)構(gòu)等以增強(qiáng)視覺效果表達(dá)。在轉(zhuǎn)化處理過程中應(yīng)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(xué)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(jìn)行劃分，而且可就工程圖學(xué)本身的圖形所具有的審美性加以匯總，這對于提高學(xué)習(xí)目標(biāo)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(xué)系統(tǒng)開發(fā)
傳統(tǒng)輔助教學(xué)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(xué)思路和教學(xué)實(shí)施過程編制固定腳本，因此封裝打包后無法修改，存在教學(xué)實(shí)施中開放性、通用性不強(qiáng)的問題。一方面教學(xué)實(shí)施者在教學(xué)中無法根據(jù)實(shí)際情況形成個(gè)人的單堂課程教案進(jìn)行個(gè)性化施教；另一方面教學(xué)實(shí)施對象實(shí)驗(yàn)中無法根據(jù)自身情況形成個(gè)性化學(xué)習(xí)，比如無法根據(jù)自己對計(jì)算機(jī)操作熟練程度、空間想象能力程度來適時(shí)調(diào)看相關(guān)命令、參照三維實(shí)物模型和相關(guān)理論知識點(diǎn)。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(xué)系統(tǒng)。該套系統(tǒng)由專業(yè)數(shù)字化教學(xué)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(qiáng)個(gè)性化修改定制功能，整個(gè)平臺系統(tǒng)呈現(xiàn)一種開放式結(jié)構(gòu)。輔助教學(xué)多媒體展示系統(tǒng)主要輔助教師課堂教學(xué)，利用教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)平臺進(jìn)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(shí)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(gè)性化教案進(jìn)行教學(xué)講解，可以根據(jù)前述CDIO理念以及便于項(xiàng)目化教學(xué)需要來組織教學(xué)內(nèi)容，把抽象的教學(xué)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(xué)對于教學(xué)重難點(diǎn)突出不夠、表達(dá)效果差等問題。網(wǎng)絡(luò)展示系統(tǒng)主要用于輔助學(xué)生自主學(xué)習(xí)與測試，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)調(diào)用庫內(nèi)矢量模型實(shí)時(shí)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(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)繪圖方法；網(wǎng)絡(luò)習(xí)題集涵蓋理論重難點(diǎn)、提供實(shí)時(shí)自測和正誤判斷，便于學(xué)生自由學(xué)習(xí)、深化鞏固知識。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程可以劃分為以下幾個(gè)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(jì)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(yīng)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(jì)，可以與工程制圖結(jié)合，融入前述系統(tǒng)中。整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測試并投入運(yùn)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(shí)施開展開放式、自主性、個(gè)性化的教學(xué)。
3.2.3信息反饋和評估
建立非傳統(tǒng)評價(jià)體系，激勵(lì)學(xué)生將被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為主動學(xué)習(xí)。教學(xué)信息反饋和評估采取動態(tài)方式，包括實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分以及后續(xù)綜合項(xiàng)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(xiàng)目實(shí)施采用開放性實(shí)踐方式面向高年級學(xué)生開展，分小組按批次對學(xué)生實(shí)施。同時(shí)增加非傳統(tǒng)評價(jià)環(huán)節(jié)，比如綜合項(xiàng)目中對整個(gè)過程中的圖書館資料查閱、方案設(shè)計(jì)和選擇、具體實(shí)施和運(yùn)行、總結(jié)和歸納的各環(huán)節(jié)進(jìn)行評價(jià)，成績構(gòu)成由各環(huán)節(jié)成績按百分比組成。實(shí)施過程中以學(xué)生為主、教師為輔，教師就學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)施中提出的問題開展分析討論，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考，提出解決方案，以達(dá)到鍛煉提高學(xué)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(bào)告，通過小組答辯形式綜合確定成績。
3.3綜合項(xiàng)目設(shè)計(jì)
3.3.1設(shè)計(jì)目標(biāo)意義
學(xué)生在掌握CAD基本知識和理論后，可以通過CAD綜合性實(shí)踐項(xiàng)目獲得綜合素質(zhì)提高，達(dá)到深化知識、了解科研程序的目的，從而調(diào)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)、鉆研科學(xué)的興趣，培養(yǎng)獨(dú)立思考、善于創(chuàng)造、綜合運(yùn)用知識的能力。筆者曾就利用在研究課題結(jié)合實(shí)際工程問題項(xiàng)目方案做過相關(guān)討論，本文就CDIO中增強(qiáng)人文素質(zhì)培養(yǎng)和綜合素質(zhì)培養(yǎng)方面對綜合項(xiàng)目設(shè)計(jì)做進(jìn)一步改進(jìn)，以期增強(qiáng)綜合項(xiàng)目的多元性和復(fù)合性，培養(yǎng)學(xué)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(xiàng)目設(shè)計(jì)內(nèi)容
方案主要內(nèi)容為創(chuàng)意平面圖形設(shè)計(jì)。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(jì)軟件選用矢量圖形軟件，如AutoCAD、Coreldraw、Fireworks等。要求設(shè)計(jì)圖形具有一定品味、色彩配比合理、反映創(chuàng)意人獨(dú)有特征，具備材料運(yùn)用對象并可以加工為相應(yīng)的藝術(shù)品，有一定珍藏價(jià)值。運(yùn)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(yīng)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(yùn)用AutoCAD完成秦騎馬傭平面圖形設(shè)計(jì)，該圖案可以應(yīng)用于木板雕刻，作為旅游紀(jì)念品具有收藏價(jià)值。
4結(jié)語
教與學(xué)是教師與學(xué)生之間知識傳達(dá)的互動過程，傳達(dá)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(xùn)練。借鑒發(fā)達(dá)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(jìn)、同時(shí)增加綜合素質(zhì)和創(chuàng)意元素培養(yǎng)，不僅達(dá)到深化CAD課程內(nèi)容的目的，還使學(xué)生獲得其他能力鍛煉，對適應(yīng)當(dāng)前或未來復(fù)雜多變的競爭環(huán)境、提升學(xué)生個(gè)體學(xué)習(xí)滿意度和價(jià)值認(rèn)可具有現(xiàn)實(shí)意義。整個(gè)系統(tǒng)對提高CAD教學(xué)質(zhì)量具有參考價(jià)值。
作者：胡珺 萬宇杰 蔡敢民 單位：江漢大學(xué)機(jī)電與建筑工程學(xué)院