李靜 袁寶民 牛文杰

摘? 要：面向新工科對(duì)創(chuàng)新人才的要求，該文結(jié)合中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)械CAD課程，以培養(yǎng)學(xué)生“學(xué)”和“造”的興趣為目標(biāo)，融合現(xiàn)有的“線上+線下”混合教學(xué)實(shí)踐，從教學(xué)內(nèi)容和評(píng)價(jià)體系兩個(gè)層面探索開放性設(shè)計(jì)在機(jī)械CAD課程教學(xué)實(shí)踐和考核中的運(yùn)用。通過建立開放性設(shè)計(jì)案例庫(kù)，進(jìn)行系列的開放式和研究性實(shí)踐，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科研創(chuàng)新；增加線下開放式考試題型，完善線上和過程性考核，逐步建立開放性考核體系。實(shí)踐證明，該教學(xué)改革不僅提高了學(xué)生的創(chuàng)造性和設(shè)計(jì)實(shí)踐能力，落實(shí)了新工科背景下工程技術(shù)人才培養(yǎng)的理念；而且為學(xué)生提供了一個(gè)連續(xù)、深入學(xué)習(xí)的過程，取得了良好的學(xué)習(xí)成效，為創(chuàng)新實(shí)踐人才培養(yǎng)提供了一個(gè)新思路和新方法。

關(guān)鍵詞：開放性設(shè)計(jì)；機(jī)械CAD；仿生設(shè)計(jì)；教學(xué)改革；評(píng)價(jià)體系

Abstract： In order to meet the requirements of innovative talents for the new engineering， and cultivate the interests of studying and creating， it takes the course of "Mechanical CAD" in China University of Petroleum （East China） as an example in this work. We study the application of open design in the teaching practice and examination of mechanical CAD course based on the teaching mode of "online and offline" mixed. By establishing the case base of open design， a series of open and research design practices are carried out to guide students for scientific research and innovation. Besides， an open examination system is gradually established by increasing offline open questions and improving online and process assessment. The results indicate that the reform improves students' creativity and method for the cultivation of innovative practical talents.

Keywords： open design; mechanical CAD; bionic design; teaching reform; evaluation system

2017年教育部啟動(dòng)了新工科的發(fā)展研究工作，提出我國(guó)工程教育改革旨在培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型的卓越工程人才[1]。在新工科背景下，最有價(jià)值的現(xiàn)代工程技術(shù)人才必須是以實(shí)踐能力為核心，兼具核心技術(shù)研發(fā)、全球化思維、現(xiàn)代管理組織等素養(yǎng)的綜合性創(chuàng)新人才[2-3]。因此，為實(shí)現(xiàn)新工科的思想落地，著力解決當(dāng)前高等工程教育中工程性、實(shí)踐性與創(chuàng)新性的缺位，工程教育既要培養(yǎng)學(xué)生“學(xué)”的興趣，也要注重學(xué)生“造”的興趣，基于開放性設(shè)計(jì)理念將創(chuàng)新思維、發(fā)展眼光、實(shí)踐能力貫穿到工程教育的全過程。

基于CAD的計(jì)算機(jī)實(shí)踐課程是機(jī)械類或近機(jī)類專業(yè)設(shè)計(jì)與制造系列課程的重要實(shí)踐組成部分，主要是以AutoCAD和SolidWorks等軟件為載體的實(shí)踐教學(xué)，旨在培養(yǎng)學(xué)生利用軟件進(jìn)行繪圖、建模及工程設(shè)計(jì)的能力，使學(xué)生理解計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造系統(tǒng)理念，建立解決問題的能力。對(duì)于新形勢(shì)下實(shí)踐性和創(chuàng)造性要求極強(qiáng)的工科人才的培養(yǎng)，目前該課程滿足于軟件的使用學(xué)習(xí)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，更重要的是一種基于軟件設(shè)計(jì)能力的學(xué)習(xí)和培養(yǎng)。近年來，在“互聯(lián)網(wǎng)＋”環(huán)境下，翻轉(zhuǎn)課堂[4]、慕課（MOOC）[5]、微課[6]、線上線下混合教學(xué)[7]、云課堂[8]和微信公眾平臺(tái)[9]等新的教學(xué)模式不斷涌現(xiàn)。雖然現(xiàn)有的多元化教學(xué)模式有助于提高課堂教學(xué)的有效性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行主動(dòng)探索式的研究性學(xué)習(xí)，但是培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)造性，僅僅通過靈活、多元化的教學(xué)方法和模式是無法完全實(shí)現(xiàn)的。換湯必須換藥，改善現(xiàn)有CAD課堂教學(xué)以熟悉軟件操作為目標(biāo)的教學(xué)現(xiàn)狀，不僅需要結(jié)合現(xiàn)有的教學(xué)模式，更需要融合相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)。作為一門軟件學(xué)習(xí)和實(shí)踐課程，開放性設(shè)計(jì)內(nèi)容可以為學(xué)生提供充分的發(fā)展空間，在提高學(xué)生的參與度和創(chuàng)造性方面起著重要作用。此外，嚴(yán)格而有效的考核體系對(duì)檢驗(yàn)和實(shí)現(xiàn)預(yù)期的學(xué)習(xí)成果具有重要作用[10]。新工科建設(shè)行動(dòng)路線中強(qiáng)調(diào)要以學(xué)生為中心改革教學(xué)方法和考核方式，形成以學(xué)習(xí)者為中心的工科教育模式[11]。因此，課程的考核內(nèi)容需要從強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)知識(shí)的主動(dòng)探索、主動(dòng)發(fā)現(xiàn)和對(duì)所學(xué)知識(shí)意義的主動(dòng)建構(gòu)[12-13]，重視實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。面向新工科對(duì)卓越工程人才的要求，如何將開放性設(shè)計(jì)融入到CAD課程的教學(xué)和考核體系中值得研究。

一? 基于開放性設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)踐

（一）? 融合“線上+線下”的教學(xué)模式，建立開放性設(shè)計(jì)案例庫(kù)

為適應(yīng)學(xué)科快速發(fā)展和變化，在保證基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)完整實(shí)施的前提下，如何選定合適的教學(xué)內(nèi)容切合多學(xué)科融合研究和創(chuàng)新實(shí)踐人才培養(yǎng)是教學(xué)中一大挑戰(zhàn)[14]。CAD實(shí)踐課程需要學(xué)生進(jìn)行大量的上機(jī)實(shí)踐，但是實(shí)踐題目、答案大多固定，通過練習(xí)可以鍛煉學(xué)生熟練軟件的操作使用，這樣的練習(xí)在軟件使用學(xué)習(xí)過程中必不可少，卻無法體現(xiàn)學(xué)生的創(chuàng)造性和設(shè)計(jì)能力。實(shí)踐選題逐步從單一、固定題目走向半開放、全開放題目，對(duì)于學(xué)生而言這具有一定挑戰(zhàn)性，卻會(huì)大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)造性。以多段線、陣列和復(fù)制命令的學(xué)習(xí)為例，通過為學(xué)生布置一道繪制自行車的固定題目練習(xí)（如圖1所示），在熟悉軟件操作的基礎(chǔ)上進(jìn)一步鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力。由于幾乎每個(gè)學(xué)生都擁有自行車，若能對(duì)于自行車的尺寸、顏色和局部結(jié)構(gòu)，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣愛好進(jìn)行半開放自由設(shè)計(jì)，將大大激發(fā)學(xué)生的熱情和興趣，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力；而對(duì)于能力較強(qiáng)的學(xué)生，則可以選擇開放性設(shè)計(jì)題目：設(shè)計(jì)一款全新的休閑健身自行車，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性和設(shè)計(jì)能力。因此，建設(shè)與課堂內(nèi)容配套的難度分層次的開放性設(shè)計(jì)案例庫(kù)，將有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和興趣。

課堂教學(xué)的學(xué)時(shí)有限，僅僅依靠課堂教學(xué)，無法充分鍛煉學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)造性。如圖2所示，融合“線上+線下”的教學(xué)模式，基于“石大云課堂”“智慧樹”平臺(tái)，充分利用線上的優(yōu)秀資源，將課堂教學(xué)和課外學(xué)習(xí)互為補(bǔ)充，為學(xué)生提供自主學(xué)習(xí)的平臺(tái)和空間。在線上平臺(tái)提供豐富的自主學(xué)習(xí)資源，如：優(yōu)秀作品，比賽信息和往屆賽題、操作技巧等，使學(xué)生通過線上自學(xué)，對(duì)軟件的強(qiáng)大功能有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，增加學(xué)生努力學(xué)習(xí)的熱情和信心，激發(fā)學(xué)生利用工具軟件進(jìn)行自主創(chuàng)新的工程意識(shí)。比如山東省大學(xué)生機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新大賽、全國(guó)3D動(dòng)力大賽，全國(guó)大學(xué)生先進(jìn)成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模創(chuàng)新大賽的介紹；直升機(jī)、海洋平臺(tái)、發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)器人和太空勘探車等往屆學(xué)生的優(yōu)秀作品展示，不僅開闊學(xué)生眼界，幫助學(xué)生了解CAD等數(shù)字化技術(shù)與相關(guān)領(lǐng)域（CAM/CAE/PDM/ERP）的滲透和發(fā)展，而且激發(fā)了學(xué)生利用工具軟件進(jìn)行自主創(chuàng)新的工程意識(shí)。

基于線上自主學(xué)習(xí)成功激發(fā)學(xué)生的求知欲和表達(dá)欲望，進(jìn)而設(shè)計(jì)難度適宜的線下開放性和創(chuàng)造性實(shí)踐，通過實(shí)踐課程、畢業(yè)設(shè)計(jì)、大學(xué)生競(jìng)賽、創(chuàng)新項(xiàng)目等引導(dǎo)學(xué)生深入學(xué)習(xí)。線下開放性設(shè)計(jì)實(shí)踐在選題上注重與學(xué)生興趣相結(jié)合，鼓勵(lì)學(xué)生從專業(yè)、生活中自主選擇對(duì)象進(jìn)行原型設(shè)計(jì)或創(chuàng)新性改進(jìn)設(shè)計(jì)。圖3為部分學(xué)生的課下設(shè)計(jì)實(shí)踐作業(yè)和畢業(yè)設(shè)計(jì)作品：從實(shí)際生活出發(fā)，設(shè)計(jì)的書桌配套健身椅（圖3（a）），可清掃角落的掃地機(jī)器人（圖3（b））；從實(shí)際生產(chǎn)出發(fā)，某學(xué)生對(duì)拋丸機(jī)的拋丸器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和三維建模（圖3（c））；創(chuàng)新設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能小車模型（圖3（d））。這些設(shè)計(jì)實(shí)踐促使學(xué)生由被動(dòng)表達(dá)向主動(dòng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，提高了學(xué)生的創(chuàng)新思維與設(shè)計(jì)能力。

（二）? 引入仿生設(shè)計(jì)實(shí)踐項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生深入學(xué)習(xí)

仿生設(shè)計(jì)以生物體為研究對(duì)象，通過對(duì)生物功能、結(jié)構(gòu)或運(yùn)動(dòng)機(jī)理的研究建立其生物原理模型；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行相應(yīng)的工程理論研究和技術(shù)創(chuàng)造，并以特定的機(jī)械結(jié)構(gòu)來模擬其運(yùn)動(dòng)[15]。仿生設(shè)計(jì)作為本校工業(yè)設(shè)計(jì)系一個(gè)重要研究方向，在造型設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和界面仿生設(shè)計(jì)制備方面進(jìn)行了大量的研究。以仿生設(shè)計(jì)為契機(jī)，將學(xué)科前沿引入到教學(xué)實(shí)踐過程中，以拉近學(xué)生與現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的距離，并能學(xué)以致用[16]。由于本課程開設(shè)面對(duì)從大一至大三學(xué)生，所以設(shè)計(jì)題目多以造型和功能設(shè)計(jì)為主。例如，山羊腳蹄是一種天然登山靴，其特殊的蹄掌部結(jié)構(gòu)及羊蹄內(nèi)部的肉墊部分的表面微型納米結(jié)構(gòu)，和有力的腿部肌肉為攀巖爬壁過程提供了強(qiáng)大的摩擦力。在本課程學(xué)習(xí)過程中，某組學(xué)生結(jié)合了伸縮結(jié)構(gòu)，仿生羊腿結(jié)構(gòu)、羊蹄減震裝置完成了仿生機(jī)器人雛形的三維建模。課程結(jié)束后，在此基礎(chǔ)上，又申報(bào)了本科生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目“基于羊蹄結(jié)構(gòu)的仿生機(jī)械爪設(shè)計(jì)”，進(jìn)一步進(jìn)行深入研究。這種開放性的實(shí)踐內(nèi)容可以為學(xué)生提供充分的發(fā)展空間，在提高學(xué)生的參與度和創(chuàng)造性方面起著重要作用。

以仿生設(shè)計(jì)為契機(jī)，在開放性實(shí)踐內(nèi)容的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生通過大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目、學(xué)科比賽和畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行科研創(chuàng)新、深度學(xué)習(xí)。圖4、圖5為部分同學(xué)的仿生設(shè)計(jì)作品：基于水蛭褶皺結(jié)構(gòu)優(yōu)異的抗壓和抗沖擊性能，創(chuàng)新項(xiàng)目組學(xué)生設(shè)計(jì)了仿生水蛭多維緩沖減震機(jī)構(gòu)（圖4）；圍繞海洋生物仿生主題，基于現(xiàn)有的剛性機(jī)械手在濕環(huán)境中抓取脆性、柔軟、易碎及摩擦力較小的物體時(shí)容易對(duì)物體表面造成破壞的問題，高年級(jí)學(xué)生設(shè)計(jì)了仿生花朵深海生物捕獲機(jī)械手（圖5（a）），通過多桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪的開合運(yùn)動(dòng)，閉合狀態(tài)下形成封閉空間，以避免對(duì)深海軟體生物的破壞；另一學(xué)生設(shè)計(jì)了一款仿生章魚軟體機(jī)械爪，如圖5（b）所示，利用液壓傳動(dòng)和機(jī)械連桿的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)手指的抓取運(yùn)動(dòng)，爪部界面采用帶微結(jié)構(gòu)的柔性材料，爪部以外結(jié)構(gòu)采用剛性材料。這些設(shè)計(jì)實(shí)踐促使學(xué)生由被動(dòng)表達(dá)向主動(dòng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，提高了學(xué)生的創(chuàng)新思維與設(shè)計(jì)能力。

二? 構(gòu)建開放性的考核體系，增加線下開放式考試題型，加強(qiáng)線上和過程性考核

面向新工科對(duì)卓越工程人才的要求，在學(xué)習(xí)過程中，對(duì)該課程實(shí)行“全過程、全方位”的多元化考核體系，在“線上”和“線下”兩個(gè)維度上設(shè)置若干考核指標(biāo)，同時(shí)關(guān)注學(xué)生的知識(shí)與技能、創(chuàng)新意識(shí)、工程實(shí)踐能力、分析與解決問題的能力等方面。其中，過程性考核通過線下點(diǎn)評(píng)、線上問題自測(cè)等開放式、互動(dòng)式的考核評(píng)價(jià)形式引導(dǎo)激勵(lì)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)。例如：對(duì)于開放性設(shè)計(jì)的作業(yè)，給學(xué)生足夠的空間反復(fù)修改，多次點(diǎn)評(píng)，直到解決問題，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和需求，提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。對(duì)于期末學(xué)習(xí)結(jié)果的考核，改變?cè)瓉砉潭}目，增加線下開放式考試題型。如圖6所示，給出零件的部分結(jié)構(gòu)和要求，要求學(xué)生設(shè)計(jì)出該零件缺少的結(jié)構(gòu)，并完成相應(yīng)的三維模型圖和工程圖。對(duì)于同一個(gè)題目，不同學(xué)生會(huì)有不同的設(shè)計(jì)方法，沒有固定答案，既考察了學(xué)生對(duì)圖學(xué)理論和軟件的使用情況，又考察了學(xué)生的設(shè)計(jì)能力；同時(shí)，沒有唯一答案，只有若干設(shè)計(jì)里面哪個(gè)比較好，這也對(duì)教師提出了更高的要求。

三? 教學(xué)實(shí)踐效果

改革后的教學(xué)過程強(qiáng)化了學(xué)生的實(shí)踐性和創(chuàng)造性，把開放性設(shè)計(jì)和考核與課程體系的知識(shí)點(diǎn)有機(jī)整合，構(gòu)建了基于開放性設(shè)計(jì)的教學(xué)模式。該教學(xué)模式包含了課內(nèi)、課外和考核三條主線（如圖7所示）：一是教學(xué)內(nèi)容和方法的開放性設(shè)計(jì)，二是課外開放性學(xué)習(xí)和實(shí)踐；三是考核內(nèi)容和方式的開放性設(shè)計(jì)。通過以提高學(xué)生“造”的興趣為契機(jī)，建立開放性設(shè)計(jì)案例庫(kù)（如圖2所示），將“開放性設(shè)計(jì)”融入CAD“線上+線下”的混合教學(xué)過程中；以工程實(shí)踐和設(shè)計(jì)能力為導(dǎo)向，把創(chuàng)造性實(shí)踐和工程案例教學(xué)貫穿到課堂教學(xué)；并從“開放性設(shè)計(jì)”的角度進(jìn)行配套的考核方式和題型改革。

基于仿生設(shè)計(jì)的開放式教學(xué)實(shí)踐，極大地改變了傳統(tǒng)的基于軟件使用的實(shí)踐教學(xué)模式。通過教師關(guān)鍵指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)查閱資料，擴(kuò)展相關(guān)理論知識(shí)，學(xué)生自我思考、設(shè)計(jì)、訓(xùn)練。這個(gè)過程潛移默化地強(qiáng)化了學(xué)生的自主意識(shí)，提高了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和專業(yè)實(shí)踐能力，鍛煉了學(xué)生的綜合素質(zhì)。不同知識(shí)和能力基礎(chǔ)的學(xué)生能夠充分發(fā)揮自己的個(gè)人特長(zhǎng)，滿足了人才培養(yǎng)的個(gè)性化需求。同時(shí)教師的業(yè)務(wù)水平也在教學(xué)活動(dòng)中得到了提升，經(jīng)過三年的教學(xué)實(shí)踐，逐步形成以教促學(xué)，以學(xué)促研，教研相長(zhǎng)的良好循環(huán)教學(xué)氛圍。實(shí)踐表明，這種開放式教學(xué)模式已在低年級(jí)和高年級(jí)學(xué)生中收到了良好效果。對(duì)于低年級(jí)學(xué)生來說，通過仿生設(shè)計(jì)實(shí)踐，極大地鍛煉了軟件使用能力，連續(xù)在“高教杯”全國(guó)大學(xué)生先進(jìn)成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模創(chuàng)新大賽中斬獲佳績(jī)；對(duì)于高年級(jí)同學(xué)，通過該課程的學(xué)習(xí)，為學(xué)生進(jìn)行科技活動(dòng)的第二課堂奠定了基礎(chǔ)，可以以此為基礎(chǔ)進(jìn)一步申報(bào)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目，甚至進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)。其中，以仿生水蛭多維緩沖減震機(jī)構(gòu)為例，已授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利。

四? 結(jié)束語(yǔ)

面向新工科對(duì)卓越工程人才的要求，本文以仿生設(shè)計(jì)為契機(jī)，探索了將開放性設(shè)計(jì)和考核方式融入到CAD課程教學(xué)實(shí)踐中。首先，基于開放性設(shè)計(jì)案例庫(kù)，形成面向開放性設(shè)計(jì)的實(shí)踐教學(xué)；其次，依托“線上”資源，探索課外“線下”研究性實(shí)踐，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科研創(chuàng)新；最后，增加線下開放式考試題型，加強(qiáng)線上和過程性考核，構(gòu)建開放性的考核體系?；诜律O(shè)計(jì)的開放式教學(xué)開展三年以來，不僅鍛煉了學(xué)生動(dòng)手操作技能，更加關(guān)注工程實(shí)踐、強(qiáng)調(diào)學(xué)生綜合創(chuàng)新能力，培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、分析問題和解決問題等綜合能力。通過從教學(xué)內(nèi)容和評(píng)價(jià)體系兩個(gè)層面的研究，優(yōu)化了設(shè)計(jì)實(shí)踐的教學(xué)體系，從低年級(jí)到高年級(jí)，為學(xué)生提供了一個(gè)連續(xù)、深入學(xué)習(xí)的過程，取得了良好的學(xué)習(xí)成效，為工業(yè)設(shè)計(jì)的人才培養(yǎng)提供了一個(gè)新思路和新方法。

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