付君健 杜 軒 周祥曼

三峽大學機械與動力學院 湖北宜昌 443002

1 概述

我國人才培養(yǎng)與科技創(chuàng)新資源豐富,有能力培養(yǎng)大批高層次應(yīng)用型人才。為了貫徹落實國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要,大力推進全面育人的人才培養(yǎng)模式改革,需逐步發(fā)展并形成學校教育與產(chǎn)業(yè)深度合作的格局,實現(xiàn)人才培養(yǎng)與企業(yè)生產(chǎn)、社會發(fā)展需要的精準對接,既能讓學生鍛煉技能、提升服務(wù)水平,又為產(chǎn)業(yè)及社會經(jīng)濟發(fā)展提供專業(yè)人才支持。

CAD/CAM技術(shù)基礎(chǔ)是機械設(shè)計制造及其自動化等機械類專業(yè)的重要專業(yè)課程[1],其教學目的是培養(yǎng)學生了解、應(yīng)用和開發(fā)各類工業(yè)軟件的基本能力,以及從事產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)和系統(tǒng)集成的綜合能力。CAD/CAM技術(shù)在工業(yè)場景中有廣泛應(yīng)用,非常適合作為面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)教學改革的突破點。在應(yīng)用型人才培養(yǎng)的新形勢下,傳統(tǒng)章節(jié)式教材和純理論式教法已無法滿足應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要[2-4]。因此,有大批學者對CAD/CAM技術(shù)基礎(chǔ)課程開展教學改革研究,提出了虛擬仿真教學[5]、混合教學模式[6]和項目式教學方法[7-8]。分析可知,CAD/CAM基礎(chǔ)教學改革核心在于課程體系和教學方法的創(chuàng)新,而基于項目式的教學方法是目前主要的課程改革方向。而基于項目式教學的核心在于設(shè)計教學案例,教學案例的設(shè)計不可完全依賴工程項目,需在案例設(shè)計中體現(xiàn)技術(shù)的先進性和理論知識的綜合性。

因此,結(jié)合應(yīng)用型人才培養(yǎng)和課程教學案例的設(shè)計要求,本文圍繞機械制造和工業(yè)軟件應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計了兩個綜合性案例,為了CAD/CAM技術(shù)基礎(chǔ)課程教學改革提供了參考案例。

2 應(yīng)用型人才培養(yǎng)的課程建設(shè)要求

一是要重構(gòu)課程教育理念。應(yīng)用型人才要兼?zhèn)涓呱畹闹R素養(yǎng)和解決復雜工程問題的能力,傳統(tǒng)課程教育思想重理論、重書本,而應(yīng)用型人才培養(yǎng)需強化重應(yīng)用、重實踐,需在一定程度上改變“重學輕術(shù)”的教育觀點,因此需要重構(gòu)課程理念來指導課程改革,解決高校教學和社會需求相脫節(jié)的問題[9]。

二是要優(yōu)化課程教學大綱。針對應(yīng)用型人才培養(yǎng)而言,僅依靠高校教師制定教學大綱無法實現(xiàn),要有針對性地吸納企業(yè)專家參與制定教學大綱。教學大綱應(yīng)由不同知識背景的專家參與制定,高校教師和企業(yè)專家都應(yīng)是教學大綱制定的核心成員,高校教師基于知識體系提出教學大綱的基本框架,企業(yè)專家從工程應(yīng)用角度給出教學大綱實踐環(huán)節(jié)的實施方案,實現(xiàn)教學大綱中理論基礎(chǔ)和實踐應(yīng)用的合理分配。

三是要改革課程教學方法。為了培養(yǎng)學生的實踐應(yīng)用能力,充分調(diào)動學生的積極性和創(chuàng)造性。針對工科專業(yè),應(yīng)采用啟發(fā)式和互動式的教學方法,如案例教學法、項目教學法、現(xiàn)場教學法等。同時,開展“引企入教”的教學改革研究,以高校老師教學為主體,引導企業(yè)教師深度參與課程的教學,以多種方式參與建立專業(yè)課程的教學機制,如課程規(guī)劃、教材開發(fā)、教學設(shè)計、教學考核等,促進企業(yè)需求融入專業(yè)課程的教學環(huán)節(jié)。支持和鼓勵企業(yè)專家擔任課程的企業(yè)指導教師,推行融合企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的應(yīng)用型人才培養(yǎng)教學模式。

四是要完善課程評價機制。應(yīng)用型人才的培養(yǎng)需建立一套與課程相呼應(yīng)的課程評價機制。改變課程成績的評定方式,降低試卷考試成績的占比,提高案例和項目考核的成績占比。強化學生學習過程評價,階段性地開展案例和項目分享與展示。在階段性考核評價過程中,采用項目報告和答辯的形式,采用小組互評、老師參評的形式,提高學生在考核過程中的參與程度,讓學生學會主動思考和解決復雜工程問題,考查學生對知識的應(yīng)用能力,以及理解、判斷、分析和表達的能力。

3 應(yīng)用型人才培養(yǎng)的課程案例設(shè)計要求

在課堂教學中借助案例庫有助于學生對理論知識的理解和掌握,也能幫助學生將理論與工程實踐相結(jié)合,培養(yǎng)學生應(yīng)用理論知識解決復雜工程問題的能力。因此,CAD/CAM技術(shù)基礎(chǔ)課程的案例庫設(shè)計應(yīng)符合以下要求。CAD/CAM技術(shù)基礎(chǔ)課程涉及機械工程、計算機科學、力學和數(shù)學等多學科領(lǐng)域的知識,與機械工程實踐緊密結(jié)合,在案例庫建設(shè)過程中應(yīng)首先注重案例的綜合性。在課程案例設(shè)計中應(yīng)避免教師主導,通過在案例實施過程中教師與學生互動,激發(fā)了學生自主思考和自主學習。案例的設(shè)計應(yīng)與工程實際緊密貼合,圍繞CAM/CAM工業(yè)軟件的應(yīng)用和開發(fā)進行設(shè)計,讓學生開拓了學術(shù)和工程視野,既能學以致用,又能為科學研究打下堅實的基礎(chǔ)。

4 綜合案例設(shè)計

基于案例設(shè)計要求,本文設(shè)計了CAD/CAM技術(shù)基礎(chǔ)課程的兩個綜合性案例。

4.1 齒輪CAD/CAM綜合案例

針對機械制造應(yīng)用領(lǐng)域,提出了齒輪CAD/CAM綜合案例。如下圖所示,圍繞CAD/CAM技術(shù)基礎(chǔ)課程中的核心理論教學內(nèi)容,如數(shù)據(jù)處理、圖形處理、幾何建模、工程分析、工藝設(shè)計、數(shù)控加工等,與實際工程項目中的齒輪參數(shù)化、漸開線生成、齒輪三維建模、齒輪加工分析、齒輪加工工藝、齒輪數(shù)控編程等進行結(jié)合,設(shè)計了以齒輪CAD/CAM為應(yīng)用場景的綜合案例。

(a)數(shù)據(jù)處理 (b)圖形處理 (c)幾何建模

(d)工程分析 (e)工藝設(shè)計 (f)數(shù)控編程齒輪CAD/CAM綜合案例設(shè)計圖

(1)在數(shù)據(jù)處理章節(jié),設(shè)計齒輪的參數(shù)化程序,實現(xiàn)不同參數(shù)齒輪的數(shù)據(jù)存儲與調(diào)用。

(2)在圖形處理章節(jié),通過圖形處理的平移和旋轉(zhuǎn)基本變化,融合復合變換技術(shù),從齒輪齒條嚙合揭示齒輪漸開線的生成原理。

(3)在幾何建模章節(jié),基于三維建模軟件,研究漸開線直/斜齒輪的三維模型的參數(shù)建模技術(shù)。

(4)在工程分析章節(jié),建立齒輪銑削的有限元接觸分析模型,揭示齒輪在加工過程中的受力與變形情況。

(5)在加工工藝章節(jié),基于極坐標變化和圖形變化技術(shù),設(shè)計齒輪的粗加工和精加工工藝過程文件。

(6)在數(shù)控編程章節(jié),基于圖形變化技術(shù)將齒輪漸開線生成的復合變化進行分解,形成一個旋轉(zhuǎn)軸和兩個直線軸的復合運動方程,并編寫齒輪漸開線生成的G代碼,并在數(shù)控加工軟件中進行加工仿真。

通過設(shè)計齒輪CAD/CAM綜合案例,將本課程六個核心章節(jié)進行串聯(lián),學生在完成綜合案例的過程中,既掌握了實際工程應(yīng)用中的知識和技能,又培養(yǎng)了解決復雜工程問題的能力。

4.2 工業(yè)軟件開發(fā)綜合案例

針對工業(yè)軟件開發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域,提出了工業(yè)軟件開發(fā)綜合案例。圍繞本課程中圖形處理、幾何建模、工程分析、數(shù)控加工等核心章節(jié),與Python語言編程結(jié)合,將工業(yè)軟件開發(fā)中的圖形變換、CAD技術(shù)、CAE技術(shù)和CAM技術(shù)進行融合,設(shè)計以工業(yè)軟件開發(fā)為應(yīng)用場景的綜合性案例。

(1)在圖形處理章節(jié),以CAD軟件中常用的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、鏡像等功能為啟發(fā),教授學生如何通過Python程序語言編程實現(xiàn)CAD軟件的相關(guān)操作。

(2)在幾何建模章節(jié),對CAD軟件的核心模塊—幾何內(nèi)核進行講解,基于OpenCASCADE開源幾何內(nèi)核,進行CAD軟件開發(fā)實踐教學。

(3)在工程分析章節(jié),以牛頓定律、胡克定律為基礎(chǔ),講授基于彈簧元的有限元理論及建模,并通過Python語言編程,實現(xiàn)較基礎(chǔ)的有限元模型的建立與求解。

(4)在數(shù)控編程模塊,依然基于OpenCASCADE開源幾何內(nèi)核,通過應(yīng)用布爾運算技術(shù),實現(xiàn)CAM技術(shù)中被加工模型的實時生成與可視化。

工業(yè)軟件開發(fā)綜合案例涉及工業(yè)軟件中常用的基本功能,可揭示工業(yè)軟件開發(fā)的神秘性,讓學生對常用軟件的基本原理有更深入的理解,掌握軟件開發(fā)的基本知識和技能。

5 綜合案例教學實施

5.1 課前準備

針對兩個綜合案例,在進行教學環(huán)節(jié)之前需有一定的知識儲備和工具準備。在知識儲備方面,學生需完成先修課程的學習,包括Python程序設(shè)計、機械制圖、機械原理、機械設(shè)計、機械制造基礎(chǔ)等。在軟件工具方面,需對常用的三維CAD/CAE/CAM軟件有一定了解,申請相關(guān)軟件的學生版或教育版授權(quán),并安裝Anaconda和PyCharm集成開發(fā)環(huán)境。

5.2 教學實施

(1)引導案例展示:以齒輪加工機床、重型鍛壓設(shè)備及其關(guān)鍵零部件為例,講解大模數(shù)齒輪加工技術(shù),以國產(chǎn)三維CAD軟件介紹為例,講解工業(yè)軟件基本功能及我國面臨的卡脖子難題,引導學生思考相關(guān)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的重要性。

(2)課程目標講解:圍繞工程教育認證課程目標與畢業(yè)要求、教學內(nèi)容的對應(yīng)關(guān)系,對CAD/CAM技術(shù)基礎(chǔ)的課程目標及內(nèi)涵進行講解。例如,課程目標1:了解復雜機械產(chǎn)品開發(fā)過程中涉及的CAD/CAM技術(shù)的基本內(nèi)涵和功能,了解計算機軟硬件基礎(chǔ)知識與計算機程序設(shè)計基本方法;課程目標2:針對復雜機械產(chǎn)品設(shè)計、分析與制造等環(huán)節(jié),具備選擇和使用CAD/CAM工業(yè)軟件的能力,了解CAD/CAM工業(yè)軟件的開發(fā)技術(shù)。

(3)課程任務(wù)解析:由于案例綜合性較強,對兩個綜合性案例涉及的知識點進行分解,將完成案例所需技術(shù)和課程理論教學知識點進行逐一講解,對先修專業(yè)課程的重點知識和編程基礎(chǔ)進行回顧,梳理案例實施過程中的重點和難點。

(4)軟件工具介紹:對本課程中涉及的CAD/CAE/CAM及Python編程軟件的基本功能進行介紹,講述不同軟件在案例實施過程中的作用。由于學時限制,為學生提供相關(guān)軟件學習資源,引導學生課后自學軟件基本操作。

(5)考核方式講解:本課程更加注重對學生解決復雜工程問題能力的過程性考核,區(qū)別于傳統(tǒng)試卷考核的主導形式。本課程將以報告、答辯和考試的形式進行考核,學生需在結(jié)課時提交實踐報告,并選兩個綜合案例之一進行現(xiàn)場答辯,展示案例的實施過程,分析案例實施的結(jié)果。

結(jié)語

針對機械類專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需求,以CAD/CAM技術(shù)基礎(chǔ)課程為對象,對教學案例設(shè)計進行了研究,提出了面向機械制造和工業(yè)軟件應(yīng)用領(lǐng)域的綜合性案例,給出了綜合性案例的教學實施辦法,培養(yǎng)學生了解、應(yīng)用和開發(fā)各類工業(yè)軟件的基本能力。