基于云平台的机械CAD/CAE软件实践课程改革与探索

摘  要：CAD/CAE软件实践在现代机械产品开发、制造以及工程分析过程中扮演着重要角色。该文分析目前CAD/CAE软件实践课程模式及存在的问题；结合云平台的优势，从学习环境、教学资源、过程管理等方面论述改革教学模式的必要性。在此基础上针对CAD/CAE软件实践课程的特点，从与专业课程贯穿结合、项目驱动教学、学科竞赛融入教学、考核评价方式改进等方面进行了改革和探讨。在工程教育智能化的趋势背景下，基于云平台的机械CAD/CAE软件实践课程改革与探索，有助于培养学生的实践创新能力、解决复杂工程问题能力以及适应未来科技发展的能力。

关键词：软件实践；问题分析；云平台；教学模式；课程改革

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2025）10-0136-04

Abstract： The practice of CAD/CAE software plays an important role in modern mechanical products development， manufacturing and engineering analysis. The current CAD/CAE software practice curriculum mode and existing problems are analyzed; combined with the advantages of cloud platforms， this paper addresses the necessity to reform the teaching model in terms of learning environment， teaching resources， and process management. Based on the characteristics of the CAD/CAE software practice curriculum， reforms and discussions were conducted in the areas of combination with professional courses， project-driven teaching， integration of subject competitions into teaching， and improvement of assessment and evaluation methods. In the context of the trend of intelligent engineering education， the reform and exploration of the mechanical CAD/CAE software practice course based on the cloud platform can help to develop the practical innovation ability， the ability to solve complex engineering problems and to adapt to future developments in science and technology.

Keywords： software practice; problem analysis; cloud platform; teaching mode; curriculum reform

新工科建设和工程教育专业认证均强调实践创新的全面优化升级，以培养更多具有创新精神和实践能力的多元化、创新型卓越工程人才，为国家和社会的发展注入新的活力和动力[1-2]。在此背景下高校需要改革实践教学模式，为学生提供更好的实践平台和更多的实践机会，有助于提高学生的职业素养和解决复杂工程问题的能力，为未来的职业发展奠定坚实的基础。

CAD（计算机辅助设计）和CAE（计算机辅助工程）软件在现代产品开发、制造以及工程分析过程中扮演着重要的角色，对于优化产品设计、降低制造成本、提高设计效率等方面都具有重要意义，也是推动中国制造业转型升级、实现高质量发展的关键支撑工具[3]。对于机械专业本科生，CAD/CAE软件实践是一重要的实践性环节，有助于培养学生解决产品开发和工程设计中的复杂问题的能力。

“重软件、轻内涵”以及“重操作、轻探索”是目前CAD/CAE软件实践课程存在的主要问题。工程软件的应用与专业知识结合的不够紧密，大多时候过于强调软件的操作熟练度，而对于工程软件对应的背景专业知识的理解不够。在实践过程中，解决问题的基本操作流程得到了训练，而针对复杂工程问题，问题分析、模型简化以及结果讨论与评价等方面，往往未得到充分的重视，而这些方面恰恰是锻炼学生分析、解决、评价复杂工程问题的重要体现。目前较多高校虽然投入了大量财力物力，但机房资源仍很紧张，如台套数不够用、电脑硬件设备和软件更迭太快，加上CAD/CAE技术涉及的软件较多，各类软件有不同的系统架构及计算资源要求，维护和更新压力较大。另一方面，受教学安排的限制，课程周期较短，短时间的教学训练，学生很难融汇贯通，因此需要有具备长时间开放式的自主学习训练平台。云平台技术的出现，为解决这些问题提供了便利条件。通过云平台技术搭建虚拟实验室或教学环境，学生可以随时在任何位置使用各种终端获取应用服务，可以更方便地实现教学资源共享，同时有利于高效整合现有的教学资源，提高资源利用率[4]。

一  现有教学模式及问题分析

（一）  传统教学模式难于适应工程软件实践类课程

针对软件应用类实践课程，已有不少高校进行了相关的教学改革活动[5-7]，结合课程性质对教学内容进行了调整，对考核方式进行了优化，但教学方式本质上仍停留在集中课堂教学和上机操作等传统模式，这种模式较难体现以学生为中心的教学理念，教学效果虽有所提高，但仍未达到企业对人才培养的要求。

目前大部分高校是以课程设计的形式开展CAD/CAE软件实践，教学计划安排一般为2～3周。这类实践课程不同于其他课程设计，一方面CAD/CAE技术涉及到的理论背景课程较多，涉及各类软件也较多且版本在不断更新，这不但要求学生对工程软件涉及的背景理论知识要有所了解，同时还需要学生有较多的时间进行软件的自学，集中时间段开展这类实践课程，学生往往大部分时间都在熟悉软件操作，而对工程问题分析、模型简化、结果分析与讨论等真正锻炼工程实践能力的方面训练不够；另一方面，集中时间开展这类课程，学生难以充分利用空余时间进行自学、探索，在短时间内学生难以消化吸收和举一反三，导致学习体验很差、实践效果不好。

（二）  实践内容与工程实际及专业课程结合不紧密

目前CAD/CAE软件实践的训练内容尽管大多来源于工程实际，但各内容大多为孤立的某个具体问题，缺乏系统化和综合性，且在实际出题时大多已进行了简化，这对于学生解决复杂工程问题的能力训练不够。尽管CAD/CAE技术涉及到的背景理论知识在前期的部分基础课和专业课中已出现过，但软件实践内容的设置与这些专业课程结合不够紧密，理论与实践结合不够，各实践内容的继承性较差。

（三）  课程考核方式单一，评价结果趋同

目前此类课程考核的难点在于学生的过程完成情况较难把握，主要是由于学生实践的中间过程大多需在软件环境中进行，老师进行过程考核时需要面对学生一对一进行，同时涉及到具体的软件实操，不仅工作量大，考核效果也不佳。过程考核不仅仅是关注学生的操作情况，更重要的是了解学生在解决具体问题时的思路、解决办法及措施，而这些过程又较难把握和评价。在目前大多数情况下，学生提交的报告无论是从形式上还是内容上都较难拉开差距，往往导致课程考核最终结果趋同。

（四）  线下、线上融合教学的条件限制

线下与线上融合教学模式成为新常态，而线上开展实践训练往往受制于物理条件的配置，如传统的实践教室机位数量及开放时间受限，学生往往需要预约使用（“不够用”）；CAD/CAE软件运行大多对电脑硬件条件要求较高，电脑配置难于满足不断更新的CAD/CAE软件的需求（“不好用”）；软件种类多、资源形式多样，部署复杂，日常运维工作量大，学生与教师交互性差（“不好管”）。

二  搭建云平台的优势

工程教育应顺势新一轮数字与智能技术变化和发展，实现工程教育智能化。工程教育智能化是“数字-智能时代”工程教育发展的必然趋势。学习环境智能化是工程教育智能化的技术底座，是一种具有资源共享、数据驱动、实时互联、虚实贯通、人机交互、沉浸体验、开放泛在和便捷高效等多功能特性的新型智慧学习环境[8]。借助桌面云技术可以打破传统“以教室/机房为中心”的实训模式，转变成“以学生为中心”，突破教室边界，打造随时随地自主学习的创新实践环境，每人拥有一个云端学习空间，无论课上课下，可使用多种终端设备，随时随地登陆个人空间完成实践内容[9]。云平台能够将各种教育资源进行集中管理和共享，使得教师和学生可以随时随地通过网络访问所需资源，这种高度共享的特性打破了地域和时间的限制，提高了资源的利用效率。

平台采用微服务架构及容器技术，将各类资源和应用打包部署。“后台”服务器部署采用异构多GPU集群共享技术，构建资源池。“中台”通过定制的微服务架构搭建应用平台，集中部署和管理各类CAD/CAE软件与学习资源，按需自由组合。“前端”以容器定制化桌面方式为每名学生打造个人专属学习空间，为每位老师打造专属个人教学空间。平台采用开放模式，可在更多学习场景中便捷切换，师生可随时随地通过PC笔记本、手机、平板等各类终端轻松接入，突破现有教室边界，从而有利于促进学生“开放学习、自主学习、互助学习”。

（一）  提供灵活的学习环境和多样化的教学资源

云平台支持在线学习和远程教学，学生可以根据自己的时间和地点选择学习。这种灵活的学习方式适应了不同学生的需求，提高了学习的便捷性和效率，同时有效提升学生自主学习时长。云平台整合了文字、图片、音频、视频等多种形式的教学内容，使教学更加生动有趣。教师可以通过这些多样化的教学资源，更直观地展示知识点，提高教学效果。

（二）  提高教学效率与个性化学习

为教师教学提供了突破时间和空间限制的平台化环境，教师可灵活、便捷地实现移动办公、教学及辅导。为学生在校期间打造一个专属的学习空间和教育资源、以及作业成果的存储环境。学生课上课下，随时随地均可获取平台上的实践资源，不必将时间浪费在安装软件和寻找学习资料上，学习环境变得更轻松，充分释放了自主学习的积极性。对于CAD/CAE软件实践，学生可以轻松流畅地操作高性能应用，如建模、仿真、VR课件等，摆脱对电脑设备的性能依赖。学生也可根据自己的兴趣特点和课余时间安排，选取个性化的资源内容和学习计划。

（三）  高效的过程管理与师生互动

借助云平台，可实现教学管理自动化，云平台支持教学全过程的实时监控和管理，包括学生出勤、作业提交、测试等环节，帮助教师快速了解学生的学习进度和需求，从而更高效地进行教学决策和调整。提供了丰富的互动功能，如在线讨论、作业提交、在线测验等，支持教师和学生之间的实时互动。这有助于激发学生的学习兴趣，提高参与度和互动性，同时也有助于培养学生的合作意识和团队精神。

三  基于云平台的教学改革