融入OBE理念的CAD/CAM基础课程混合式教学研究与实践

摘  要：针对CAD/CAM基础课程内容涉及较多理论原理、算法、程序实现等特点，充分利用线上线下相结合的混合式教学方式优点，根据搭建的CAD/CAM基础在线资源课程平台，通过融入OBE理念，阐述“以学生为中心”混合式教学模式设计思路、课堂教学方法和课内实验改革和实践，培养学生自主学习能力和创新意识，提高课程教学质量，达成课程教学目标。

关键词：OBE理念;混合式教学模式;CAD/CAM基础;教学改革和实践

中图分类号：G642 文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）05-0066-05

Abstract： Aiming at the characteristics of "Fundamentals of CAD/CAM" involving many theoretical principles， algorithms， program implementation and so on， the advantages of blended teaching mode combining with online teaching and offline teaching are made the best use， the teaching ideas， reform and practice of classroom teaching method and in-class experiment for blended teaching mode based on "student-centered" are elaborated by incorporating the OBE concept according to the "Fundamentals of CAD/CAM" online resource course platform， so as to cultivate the students' independent learning ability and innovation consciousness， to improve the teaching quality and  to attain the teaching objectives.

Keywords： OBE concept; blended teaching mode; Fundamentals of CAD/CAM; teaching reform and practice

CAD/CAM即计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM），是计算机技术在工程应用中最重要的体现之一，是产品设计、成型制造领域中的一项关键技术，也是成型制造领域重要的发展方向之一[1-2]。随着科学技术的进步以及全球制造业激烈的竞争环境，掌握CAD/CAM技术是现代工程技术人员必备的技能之一，也是适应“中国制造2025”发展规划下对人才培养的需求。为了提高学生利用现代工具的能力，武汉理工大学材料成型及控制工程专业在近几年的培养方案中开设了多门与CAD/CAM相关的理论课程、实践课程。

CAD/CAM基础是材料成型及控制工程专业的一门专业基础课，课程内容主要介绍在计算机辅助设计和制造中工程数据处理、图形处理、几何造型以及曲线曲面处理的基本原理和方法。课程内容涉及方法多、学科交叉、知识点密集，特别是其中图形处理涉及的矩阵变换、曲线曲面参数化内容等，公式较多，比较抽象，教学过程中有一定的难度，而且该课程又是今后本专业其他CAD/CAM实践课程应用的理论基础，是本专业的一门核心课程，支撑本专业两个毕业要求指标点。由于课时限制，采用传统的教学方法很难将所有知识点高效率地传授给学生，课程教学目标达成度偏低，因此立足于满足工程教育认证标准，利用武汉理工大学网络教学平台建设了CAD/CAM基础在线资源课程平台，采用线上线下相结合的混合式教学方式开展了该门课程的教学改革。为了培养学生自主学习的能力和创新意识，提高课程教学质量和课程教学目标达成度，在线上线下混合式教学的过程中，融入了国际工程教育认证“以学生为中心”的OBE核心教学理念，重新优化设计了课程理论教学内容和课内实验教学内容、改革了课程教学方法和课内实验实施方式。

一、融入OBE理念的混合式教学模式设计思路

（一）OBE教育理念

OBE（Outcome Based Education，简称OBE）即成果导向教育，是一种以学生的学习成果（Learning  outcomes）为导向的教育理念，由美国学者Spady在1981年首次提出，其核心理念是以学生为中心，结果为导向，持续改进，认为教学设计和教学实施的目标是学生通过教育过程最后所取得的学习成果[3]。OBE教育是一种先进的教育理念，已形成了一套比较完整的理论体系和实施模式，美国工程与技术教育认证协会（ABET）全面接受了OBE的理念，并将其贯穿于工程教育认证标准的始终，是教育范式的革新[4-5]。

（二）混合式教学模式

随着现代科学技术和互联网的迅猛发展，在美国的哈佛大学和麻省理工学院掀起的在线教育课程（Massive Open Online Courses，简称MOOCs）浪潮后，中国也开始了“互联网+教育”时代高校教育的改革思考和实践探索。我国一些发达和先进地区的高校如北大、清华、上海交大进行了高等教育课程的改革和探索，率先建设了一系列资源丰富MOOCs、视频公开课，推进了我国高等学校各学科专业课堂教学模式的改革，混合式教学应运而生[6-7]。

混合式教学模式（blending learning）是国际教育界在由美国为代表提出的“E-learning”发展而来的，是在线（online）教学和离线（offline）教学的一种整合，是面对面课堂教学和网上交互辅助教学形成的一种混合模式[6]。一般是指学生根据教师要求在课前进行线上自主学习，在课堂上，教师只是对重难点知识进行讲授，结合讨论、答疑及习题测验等方法，开展协作探究和互动学习的教学模式[8]。由于混合式教学通常是以网络教学平台为载体，利用视频、图片、PPT等多媒体素材，采用线上线下相结合的模式进行教学，课前向学生布置相关学习内容进行预习，课中通过讲授、讨论等多种方式进行重难点知识点讲解，课后布置相关的思考题或任务进行巩固复习，学生通过学习网络教学平台相关课程资源直接获取所需知识或者间接与同学、教师沟通交流获取所需知识。这种教学模式打破了传统课堂“教师讲，学生被动接受知识”的状况，学生主动参与课堂学习的程度更高。这种教学模式不仅激发了学生学习的兴趣，还提高了学生自主学习的能力，符合当前新工科背景下高校人才培养的需求，是近年来我国高校各专业学科广泛开展的一种提高课程教学质量的课程教学模式改革。

（三）混合式课程教学模式设计思路

为了满足工程认证的标准要求，材料成型专业调整了2017版培养方案，按照调整的专业培养方案要求，CAD/CAM基础课程学时为40学时，其中理论学时为32学时，实验学时为8学时，课程支撑本专业两个毕业要求指标点——设计/开发解决方案和使用现代工具，为了达成毕业要求指标点，本课程设计了三个课程教学目标：

（1）正确认识和处理人与计算机之间的关系，熟悉计算机辅助设计和制造技术在材料成型及控制工程专业领域中应用的目的和意义。

（2）掌握CAD/CAM系统组成和关键技术，能够运用CAD/CAM课程中的基本原理进行工程数据、图形以及曲线曲面等的计算机处理。

（3）了解常用的CAD/CAM软件，能够结合CAD/CAM基本原理和常用软件对材料成型及控制工程领域中工程问题进行预测和模拟，并了解其使用的局限性。

针对本门课程的内容特点和教学目标，课程负责人整合设计了课程理论教学内容和课内实验内容，首先利用武汉理工大学网络教学平台搭建了该门课程网站，录制了课程重难点教学内容视频，设置了课程实验、课程作业、课程测试、课程讨论、课程拓展资源等模块，建设了本门课程的在线教学资源网站。

根据建设好的课程资源网站，立足工程认证标准的基本要求，在课程教学中采用了线上线下混合式的教学模式，分课前、课中、课后三个阶段进行课程理论环节的教学和实施，任课教师每次在上课之前2-3天布置下一次课的线上线下学习任务，表1是其中一次课的混合式课程学习安排。

课前内容设计的思路主要是四个方面，一是对于相对简单易于理解的内容布置学生线上学习并完成配套的作业，二是对于难度比较大的内容布置学生课前预习，三是对一些重要的理论、原理进行课前测试，四是布置学生阅读网站拓展资源，开拓学生视野的训练。

课中内容设计的思路主要是三个方面，一是讲授重难点知识，二是对学生在线学习中遇到的问题进行讨论解答，三是进行课程单元测试。

课后内容设计思路主要是学生回看课中没有弄懂的知识点、完成课后作业、更正课前测和单元测的错误，巩固课程所学各知识点。

课内实验的设计思路是，为了进一步提高学生自主学习的能力和培养学生分析问题解决问题的能力，贯彻以学生为中心的教学理念，课程负责人改革了课程实验内容，摒弃了原先的全班学生共用一本课程实验指导书，按照实验指导书一步步完成实验项目的教学方式，而是根据整合后的理论教学内容和课程教学目标要求以及对毕业指标点的支撑，特别是加强了学生使用相应的软件进行图形处理和图形设计的功能，采用了模块化的方式，设计了四个实验项目，将8学时的实验分解成四个2学时，分解到相应的理论教学环节之后进行实施。

二、融入OBE理念的教学方式

（一）课堂教学方法

为了激发学生的学习兴趣，提高学生的课堂参与度，在课堂理论教学过程中，根据不同的课程知识特点和其难易程度，采用了不同的教学方法，并不定时地对学生进行问卷调查，以了解学生对各种教学方法实施的满意度和对知识点的掌握情况，以便于任课教师在后期的教学实施过程中能够不断地根据教学内容选择和完善相应的方法，力图能很好地达成本课程教学目标。

1. 问题导向式教学方法

如果课程内容理论性不是很强，侧重于理解记忆，但是在工程中又有广泛的应用，一般都是要求学生对重点章节内容进行课前在线学习，然后在课堂上利用设置问题的方式导入教学内容。如，在讲授CAD关键技术——参数化技术时，为了检查学生课前对参数化设计概念的理解，设置了“请列举在机械零件的CAD设计中能进行的参数化设计的零件”。通过问题设置首先让学生进行问题的回答，一方面可以掌握学生的在线预习情况，另一方面可以调动学生思维积极性，活跃课堂气氛，此外老师也可以判断学生通过在线学习掌握了哪部分知识点，哪部分需要课堂上加强讲授，然后老师就会在课堂上进行重点介绍，课后再通过在线作业来巩固，从而加深学生对该知识点的理解和掌握。

2. 启发式教学方法

计算机图形处理技术基础是CAD/CAM基础课程中很重要的一个章节，也是本专业学生今后熟练使用各种CAD/CAM软件进行图形设计的理论基础。通过本章节的学习让学生们能够明白在CAD/CAM软件中对图形进行旋转、缩放等操作的时候，计算机后台程序是怎样进行数据处理实现图形的这些操作。也就是说学生们不但要会操作软件的各种命令，还必须明白这些命令是如何实现的。这样当以后遇到更复杂的问题的时候，同学们也能去分析和解决。图形变换是计算机对图形数据进行处理实现图形操作的过程之一。图形变换的方式和类型很多，有二维图形变换、三维图形变换，各种维度的图形变换，又有比例变换、旋转变换、平移变换等，课本上给出了各种图形变换的矩阵，学生记忆困难。为了让学生不因为需要死记硬背这些矩阵而影响对该门课程的学习兴趣，本节内容采用了启发式教学。首先让学生明白图形变换的实质就是点的变换，不管图形多么复杂，只要确定了图形变换前后各点的坐标对应关系，就能确定图形变换矩阵，通过矩阵运算就能确定图形变换前后点集的坐标。因此，只要掌握其中一种图形变换原理、其变换矩阵推导的过程和建立的方法，那么其他的图形变换都能自己去理解并进行推导，就不需要死记矩阵变换公式了。

比如，在课堂上任课教师首先讲解了对称变换中“关于X轴为对称线的对称变换”的推导过程，告诉学生进行图形变换前，首先从几何上去确定图形坐标点在变换前后的关系并用公式进行表达，然后根据公式写出变换矩阵就能确定关于X轴对称前后图形点集的对应关系，有这个关系我们就能通过程序进行数据处理了。在讲了这一个对称变换关系后，再让同学们自己动手推导其他几种对称变换，如关于Y轴对称变换、关于直线Y=X对称变换等，绝大部分同学都能又准又快地推导出各种变换矩阵，部分不会的同学通过交流了解到不会的原因后，老师再稍微拓展讲解一下就基本上都掌握了。通过这种教学方法不但调动了学生课堂思维的积极性，而且学生通过自己推导演算，主动参与了思考，对知识点的理解更透彻，避免了老师从头讲到尾，学生被动接受知识，课程效果差的问题。通过将这些方法推广到其他图形变换矩阵的推导，学生也都能越来越熟练地掌握和利用。