系統工程視角下《CAD/CAM 技術》的教學改革與實踐

侯俊劍 都金光 馬 軍 明五一 何文斌

（鄭州輕工業學院機電工程學院，河南 鄭州 450002）

《CAD/CAM 技術》作為本科專業課，其內容包括產品建模技術、計算機輔助工程分析、CAPP 系統、計算機輔助數控加工，基于PDM 的CAD/CAM 集成技術等，教學內容覆蓋面較寬，在時空上涵蓋了從計算機硬件架構到軟件系統，從產品研發設計到裝配質檢的理論知識和技術，還使學生了解到產品研發生產過程中存在的工程問題及解決問題的方法[1]。該課程同計算機圖形學、數據庫技術、設計方法學、計算機軟硬件、網絡技術等相關技術具有關聯性，其發展和應用對制造業產生了巨大的影響和推動作用。

充分體現CAD/CAM 技術在當前應該達到的科學和技術水平是本課程多年來力行教學改革的內在動力?！禖AD/CAM 技術》課程雖然在過去進行了一系列的教學改革，但其指導思想基本上還是以教師灌輸，學生被動接受為主[2]。對于這樣一門內容龐雜，實踐性強的課程，如何能夠在既達到當前教學目標、滿足學生今后求職市場多樣化需求的前提下，提升《CAD/CAM 技術》課程的系統性和協同性，培養學生的綜合創新能力成為當前亟待解決的問題。

1 基于系統工程論的《CAD/CAM 技術》教學改革思路

系統工程的基本思想，就是將對象視為一個整體分層次、分步驟的分析和研究，再進行綜合、歸納和演繹，使之最有效的完成任務。機械生產過程中的各個環節既有聯系又相對對立，是一種離散的分布式過程，呈現復雜多變的特性。

《CAD/CAM 技術》涵蓋了產品從原材料采購、研發、設計、制造到銷售服務全生命周期的信息傳遞規律。從系統論的觀點來分析和研究這一過程，傳統意義的《CAD/CAM 技術》課程教學體系邊界也隨之消融，形成現代CAD/CAM 集成系統的教學需求，即在保持傳統《CAD/CAM 技術》課程內涵的基礎上，拓展《CAD/CAM 技術》外延的總體設想，根據這個需求制定了以下三項具體思路：

（1）以培養學生分析解決工程問題的能力為目的，將教學內容進行模塊劃分、組合和優化，實現教學體系的系統化；

（2）從培養應用型工科專業學生的“工程意識”出發，以項目為參照點來設置課程內容，使教學內容的應用化；

（3）結合本科教學實踐環節，建立服務于課程設計和生產實習的教學改革評價機制。

2 《CAD/CAM》教學體系的模塊化設置

《CAD/CAM 技術》的一個突出矛盾就是內容多而雜，初學者感到零碎，抓不到要領。而且，CAD/CAM 技術自身的研究內容不斷更新，研究領域也不斷拓展，原課程體系尚未形成，新的教學要求接踵而至，很難給該課程結構理出一個清晰的脈絡。因此，推進《CAD/CAM 技術》課程體系改革，必須首先科學地界定課程各內容的教學范圍，正確處理教學內容之間的橫向與縱向關系，使其成為一個科學的整體。

例如，三維設計能夠全面地反映設計對象，使產品設計成功率大大提高，已成為許多企業增強市場競爭能力的迫切需要。對“計算機輔助設計”一章進行教學內容的模塊劃分時，將機械設計方法學的原理、方法和思維融合、滲透到工程制圖與三維建模中，形成新的“計算機輔助設計”基本知識和理論體系，再將二維制圖內容學習和三維建模方法的掌握劃分為計算機繪圖、構形設計及繪圖、工程圖樣繪制四個教學模塊，穿插進行，使學生在掌握工程制圖的基本知識、基本技能的同時，掌握現代的設計方法和手段，培養其空間想象能力和創新能力。

依據上述體系，以軸零件構圖為例，首先分析物體，抽象描述。然后得到想象模型，表示用戶所理解的客觀事物及事物之間的關系，如以二維或三維的草圖方式描述。再次，將想象模型以一定格式轉換成符號或算法表示的信息模型，該模型表示了信息類型和邏輯關系，最后形成計算機內部表達的數字化產品模型。

圖1 計算機輔助設計教學內容的教學模塊設置

3 面向工程師培養的《CAD/CAM 技術》教學內容創新

針對CAD/CAM 技術課程的特點，一方面，CAD/CAM 技術課程強調理論的講解，但要與案例分析和軟件工具緊密結合，最后要落實到專業技能的提高上來。另一方面，作為應用型本科院校的學生不僅要掌握軟件操作，更要掌握CAD/CAM 深層次知識，軟件只是一個工具，關鍵還是具有解決問題能力和具有深厚的工程實踐能力的人，不但要知其然，還要知其所以然。

在教學上培養學生運用現代設計方法學去創造性設計和思維。盡管CAD/CAM 研究的對象得到了擴展，但目前產品設計仍是CAD/CAM 研究的核心內容，而產品設計需要多種技術綜合支持，各種技術相互疊加和包容。我們國家培養了大批繪圖員而不是工程師，設計員只會根據系統的需要去設計，而工程師的創新性工作在于對知識和方法的綜合，需要從設計方法、成本、質量等方面全盤考慮產品的設計。正如美國工程院提出，面向2020 年的工程師所具備的關鍵特征是：分析能力、實踐經驗和創造力等[3]。而我國只有浙江大學在研究生階段開設了設計方法學這門課程，其它高校沒有系統的設計方法學課程，而德國則是在本科生階段就展開了設計方法學的教學，不管是學建筑、車輛還是機械，都必須學習G.帕爾與W.拜茨撰寫的設計方法學。

4 《CAD/CAM 技術》實驗與實踐教學結合

實踐是檢驗真理的唯一標準?！禖AD/CAM 技術》作為一門工程技術課程，始于對自然科學的實踐，同時與市場有著密切聯系。CAD/CAM 技術的發展既受科術與經驗的推動，又受經濟社會發展要求的引導，具有很強的社會性。因此，《CAD/CAM 技術》的教學改革是一項復雜的系統工程，除了課程體系的系統化之外，課程體系與實踐教學的銜接也是評價教學改革是否成功的重要指標。

基于上述想法，首先將理論教學、實驗教學與實踐環節進行有機結合。比如，對“計算機輔助產品建?！苯虒W內容，單獨設立“二/三維幾何圖形變換實驗”，強化學生對產品建模的理性認知，并在夾具課程設計中得以運用；對附屬于“計算機輔助工程”的有限元分析，將其與“計算機輔助產品建?！惫餐M成“計算機輔助優化設計實驗”，以培養提高學生的動手能力和綜合分析問題能力，并在機械制造裝備課程設計環節中得到展示；將“計算機輔助數控技術”、“計算機輔助工藝規劃”、“計算機輔助質量工程”三個教學內容有機串聯，設立“制造執行系統與物流仿真實驗”，使學生對產品生產過程的控制執行等有一個直觀的認識，并在機械制造工藝規劃課程設計、生產實習等實踐環節中得到充分運用。

表1 是課程體系改革后相關實驗教學內容。

表1 《CAD/CAM 技術》實驗實踐教學的結合

由表1 可以看出，通過課程體系的改革，特別是實驗教學環節與實踐教學環節的有機結合，凝練了理論教學內容，突出了教學重點。同時，理論教學、實驗教學與實踐教學在內容上緊密結合，成為課程教學內容的自然延伸和必要補充，使學生能夠更好的認識、理解和把握理論課程中學到的基礎理論和基本知識。

5 結束語

適應目前CAD/CAM 技術日新月異的發展需求，為市場培養具有創造力和工程意識的學生，是改革傳統《CAD/CAM 技術》教學體系、內容及方法的驅動力，這不僅需要教師能合理把握該課程的教學進度，以良好的科學素養和市場化視野及時更新、完善教學內容，更重要的是能在最終目的上體現《CAD/CAM 技術》的工程應用背景，培養具有自主創新、自主創業的學生。

［1］馬軍，肖艷秋.基于模塊化思想的CAD/CAM 教學與實踐[J].山西科技，2010，25(2)：140-141.

［2］段紅杰，肖艷秋，白代萍.CAD/CAM 系列課程教學內容和課程體系的改革與實踐[J].中國現代教育裝備，2012，23(2)：41-44.

［3］王令其，左健民，汪木蘭，等.大工程觀與應用型工科教學改革[J].理工高教研究，2009，2：130-132.