材料成型CAD/CAE/CAM實驗教學中任務驅動教學法的應用

謝揚球+雷聲遠

【摘 要】本文分析材料成型CAD/CAE/CAM實驗教學中任務驅動教學法的優勢，通過闡述實驗教學任務的設計和任務驅動教學法的實施過程探討材料成型CAD/CAE/CAM實驗教學中任務驅動教學法的具體應用，并總結任務驅動教學法的實施效果。

【關鍵詞】材料成型CAD/CAE/CAM課程 實驗教學 任務驅動教學法 應用

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2017）05C-0068-02

實驗教學是高等教育中的一個重要環節，尤其是對于材料成型與控制工程這類具有很強實踐性的工科專業來說。作為材料成型與控制工程專業的一門主要課程，材料成型CAD/CAE/CAM課程主要培養學生掌握材料成型中的產品三維造型、材料成型的計算機輔助設計、成型過程的計算機模擬、數控加工等現代化的成型技術和方法，其實驗教學在學生綜合能力培養及前沿應用軟件及技術的掌握方面起著舉足輕重的作用。但由于該課程涉及的知識面廣，對數學、力學、機構學等方面的理論知識要求較高，而且該課程一般安排在第五學期進行授課，部分理論知識對本科生來說還很抽象和深奧；同時，在前期的學習階段，學生對機械加工、工藝編排等實踐操作知識也掌握很少，因而傳統教學方法的教學效果不佳，尤其是學生無法將相關的理論知識和操作技能進行有效的融會貫通。因此，探討該課程的新的教學方法顯得尤為重要。

一、材料成型CAD/CAE/CAM實驗教學中任務驅動教學法的優勢

材料成型CAD/CAE/CAM課程涉及材料成型工藝學、工程力學、計算機模擬、機械加工工藝等理論知識，以及三維造型、計算機仿真、數控加工編程、有限元分析等實際操作技能。可見，該課程內容寬泛、理論性強，對實踐操作能力的要求較高。材料成型CAD/CAE/CAM課程的教學要求為：根據相關的設計理論知識，熟練運用UG軟件，對中等復雜程度的塑料、五金等產品的成型過程及其成型設備，熟練進行運動仿真、有限元分析、成型過程模擬、數控編程加工等操作。

材料成型行業由于其理論性和工程實踐性都較強，對于沒有生產經驗的本科生來說，難以有效地將相關理論知識運用在實際的設計過程和生產過程中，這是導致學生就業能力差的主要原因之一。傳統的教學模式是圍繞教師展開的，以教師講授為主、學生學習和練習為輔，這種教學模式一般是針對以理論知識為主的課程而設計的。而材料成型CAD/CAE/CAM課程以教授UG軟件的操作技能為主，以講解材料成型的優化設計和加工的理論知識為輔。可見，傳統的教學模式并不適應該課程的實驗教學。因此，探討新的教學方法是非常重要的。

根據多年以來的實際教學經驗總結，并結合具體的課程要求和實際情況，本文提出采用基于任務驅動的教學法來進行材料成型CAD/CAE/CAM的實驗教學。任務驅動教學法最初出現形式是德國工科院校的“雙元制”教學模式的行動導向教學方法。與我國的教學情況不同，德國的工科院校同時兼具職業教育的功能，對學生同時教授理論知識和操作技能，培養目標是高級工程師。為了適應智能制造的需要，我國當前的工科教學改革目標也逐漸向這個方向靠攏。

一般來說，任務驅動教學模式是一種探究式的教學方法，主要以適當的實際項目例子為先導，將相關教學內容設計為不同的任務，并將其作為驅動，通過引導和幫助學生解決對應的任務，同時培養學生用理論分析問題和實際解決問題的能力，從而在完成相關任務過程中同時掌握理論知識和操作技能。此外，通過正確的引導和分組教學，還能培養學生發現問題、抽象總結和團隊合作等能力。

二、材料成型CAD/CAE/CAM實驗教學中任務驅動教學法的具體應用

（一）實驗教學任務的設計

根據教學大綱，材料成型CAD/CAE/CAM課程的培養目標是：培養并行設計的思想，在成型產品定型生產之前，運用高性能的計算機和相關軟件，對材料成型的全過程進行模擬和分析，并根據分析結果不斷進行優化和改進，確定最優的成型加工過程，從而大大縮短設計過程和提高設計效率，并預先解決實際生產中可能出現的各種缺陷和難題。實驗教學的任務是：學生熟練運用UG軟件，對塑料制件、五金制品、鋁合金產品的成型過程進行優化設計和模擬，確定合理的成型方案。本文主要以塑料制件為例來進行闡述，其他類型產品的教學過程類似。

根據實際生產過程，首先確定塑料制件的成型過程主要包括：產品設計、成型性能分析、注射模具設計、零件加工、模具裝配、注塑生產。于是，可以將教學任務劃分為6個任務，分別涉及和覆蓋不同的知識點。任務1：利用UG軟件的三維造型功能，完成產品設計的任務。這主要涉及力學分析、曲面設計等課程的理論知識。任務2：利用UG軟件的有限元分析功能，完成成型性能分析的任務。這主要涉及熱力學分析、塑料成型工藝等課程的理論知識。任務3：利用UG軟件的三維造型功能，完成注射模具設計的任務。這主要涉及塑料模具設計、機械設計等課程的理論知識。任務4：利用UG軟件的數控編程功能，完成零件加工的任務。這主要涉及模具制造工藝、機械制造基礎、數控機床等課程的理論知識。任務5：利用UG軟件的三維裝配功能，完成模具裝配的任務。這主要涉及機械制造基礎、公差與互換性等課程的理論知識。任務6：利用UG軟件的運動仿真功能，完成注塑生產的任務。這主要涉及成型設備與操作、生產管理等課程的理論知識。

以上劃分的6個教學任務，完全覆蓋了塑料制件注射成型的全過程，同時也涉及材料成型與控制工程專業大部分專業基礎課程的理論知識。通過操作演示、分組討論、講解輔導等方式，幫助和引導學生在計算機上獨立完成對應的實驗操作，并要求學生正確撰寫實驗報告，讓學生在熟練掌握UG軟件操作技能的基礎上，將理論知識融會貫通并應用于實際設計和生產過程。而且，通過上述的實驗教學過程，培養學生學會分析問題、解決問題以及實際操作的能力，能夠同時具備熟練的操作技能和扎實的理論基礎，真正適應社會和科技發展需要。

（二）任務驅動教學法的實施過程

任務驅動教學法是圍繞實際任務而展開的，以學生的實際練習和討論為主，教師主要擔當組織和引導工作。主要實施過程為：

第一，為了滿足相關教學的要求，配備有高性能計算機（i5-6500的CPU、8G內存、專業繪圖顯卡）的實驗室，并安裝UG8.5、Office2010、AutoCAD2010等軟件。每一位學生都有一臺單獨的計算機，可以獨自進行相關的操作；并與教師計算機構成一個主從局域網絡，以便教師進行講解和輔導，以及進行分組討論和操作演示。

第二，合理選擇實際塑料制件。選擇復雜程度適宜的制件是執行本教學法的關鍵因素之一，合理的制件使得教學過程可以涉及預期的理論知識和操作技能，并控制教學進度。實際教學中，選擇中等復雜程度的制件：具有多個不同類型的形體結構或簡單曲面，具備側抽芯的結構。為了避免學生抄襲，應確保每個學生的制件都是不同的；同時，為了培養學生的團隊合作和溝通協調能力，同組學生的制件也不能差別過大。因此，在實際教學中，同組學生一般選擇同系列或相近規格的產品，不同組之間的產品具有較大的差別。

第三，在每個任務開始之前，集中向學生講授或復習所涉及理論知識。一般來說，理論教學所占用時間較少，只需學生能夠正確地找到相關知識即可，具體的學習過程需要學生獨立完成。此外，還需要講授相關的UG軟件的操作命令、操作過程、注意事項等技能，從而使得學生具備獨立完成教學任務的實際操作能力。

第四，在理論教學之后，要求學生獨立進行任務操作；同時，以小組為單位進行討論。對于在完成任務過程中出現的問題，首先要求學生自行解決，其次要求在小組內解決，最后才通過教師進行解答。這種方式可以培養學生正確的設計習慣、更快的學習速度、更良好的發現和解決問題的能力。在教學過程中，通常是完成一個任務之后，再進入下一個任務。

第五，教師根據在實際教學過程中和巡視過程中發現的問題進行集中總結和分析，指出解決方法和途徑，并要求學生在課后進行充分的練習。同時，還需要設定和把握好任務進度，對于完成任務較快的學生，可以額外增加一些更深層次的子任務或要求。最后，在每個任務完成之后，進行講評和成績判斷，并指出存在的問題。

三、材料成型CAD/CAE/CAM實驗教學中任務驅動教學法的實施效果

為了驗證所提出實驗教學方案的效果，筆者在某校三屆學生的材料成型CAD/CAE/CAM課程教學中實施了任務驅動教學法，取得了良好的效果：

首先，該方案能夠進行實際的設計操作，教學過程不再是枯燥的理論講解和簡單的演示，有效地提高了學生的學習興趣。

其次，該方法圍繞實際產品的真實設計過程而展開，并且通過學生獨立完成相關任務，使得學生能夠將理論知識和實際操作融會貫通，有效地提高了發現問題、解決問題的能力。由于在教學中接觸到真實的材料成型設計過程，學生在第四學年的工作面試的成功率較高，而且還能在畢業后更好、更快地適應新工作。此外，該方案還提高了學生的團隊合作和分工協作能力，這對學生將來的工作是很有幫助的。

最后，學生由于對實際產品的真實設計過程進行了學習，較好地掌握了實際操作技能和理論知識，后續的課程設計和畢業設計的質量得到了較大的提高。

綜上所述，本文在總結已有實驗教學成果的基礎上，結合材料成型與控制專業的具體特點、專業要求和實際教學條件，提出將任務驅動教學法實際應用于材料成型CAD/CAE/CAM課程的實驗教學過程中，通過圍繞實際產品的材料成型過程展開實驗教學。教學實踐證明，該方案有利于激發學生的學習興趣，提高理論知識和實際操作技能的相互融會貫通能力。

【參考文獻】

[1]王夢寒，李玉鳳.網絡教學在“材料成形CAD/CAE/CAM”課程中的應用[J].中國電力教育，2012（2）

[2]余世浩，黃尚宇，等.材料成形CAD/CAM綜合實驗教學的研究與實踐[J].理工高教研究，2008（2）

[3]袁福華，田振清.任務驅動在AutoCAD教學中的應用研究[J].計算機教學，2014（1）

[4]唐田秋，張蓉.任務驅動在“模具制造工藝學”實驗教學中的應用[J].中國電力教育，2012（2）

[5]李海，方必軍，等.任務驅動教學模式在材料工藝學課程中的教學實踐[J].淮北師范大學學報（自然科學版），2014（1）

【作者簡介】謝揚球（1979— ），男，廣西賀州人，廣西大學材料科學與工程學院講師，博士，研究方向：3D超精密打印技術、材料精密成型技術。

（責編 蘇 洋）