CAX技術與高職機械基礎課程融合研究

孫克銳 葉炬鋒

摘 要：隨著數字化設計、制造技術的應用，高職教育迫切需要將CAX技術與機械基礎課程融合，培養既懂機械理論又懂CAX應用的高素質、高技能、創新型人才。本文通過對CAX技術與機械基礎課程關聯性的分析，探討了兩者融合的策略，包括教材設計、教學設計、教學評價等，同時提出了融合面臨的問題及解決方案。

關鍵詞：CAX技術；課程融合；高職教育；機械基礎課程

作者簡介：孫克銳，浙江同濟科技職業學院講師、工程師。研究方向：機械制造及其自動化技術教學與研究；葉炬鋒，浙江同濟科技職業學院講師。研究方向：機制專業教學與研究。

中圖分類號：G712 文獻標識碼：A 文章編號：1671-0568（2018）02-0036-02

隨著“十三五”規劃的實施和供給側結構性改革推進，數字化設計、制造技術的應用越來越廣泛深入。以CAD、CAE、CAPP、CAM等為代表的CAX技術，是數字化設計制造技術的基礎和核心。新時期，高職院校要在有限的教學條件下培養學生的數字化應用能力、創新能力， CAX技術與機械基礎課程融合是必須的，也是大勢所趨。

一、CAX技術與機械基礎課程關聯性分析

機械基礎課程也稱專業基礎課，包括機械制圖、機械制造基礎、機械設計基礎等課程。目前，高職機械類專業一般都開設了計算機二維繪圖、機械CAD/CAM等CAX課程，然而這些課程的教學偏重軟件學習和操作，與其他專業課橫向聯系不夠，不利于學生對CAX技術深入理解、掌握和創新能力培養。學生學習目標不明確，學習動力不足。同樣，基礎課教學也未充分關聯CAX技術，學生已習得的CAX技術得不到應用和提升。待到工作需要用軟件進行實實在在的設計時，常常一籌莫展，無從下手。即使經過一段時間痛苦適應、摸索，設計出的東西可能還是漏洞百出，要么設計方案不佳，要么可制造性太差。筆者分析，上述現象主要是因為學校教育偏重于學科知識體系教學，而非按照工程應用能力的培養來組織教學，未將CAX技術與專業課程充分融合。

二、 CAX技術與機械基礎課程融合策略

1. 教材融合

CAX技術與機械基礎課程的融合、推廣離不開教材建設。機械制圖、計算機二維繪圖、三維機械設計三門課程都與繪圖有關，可融合為數字化機械制圖課程。3D模型能輔助學生對投影圖的理解，發揮學生的空間想象力。3D裝配圖、爆炸圖能幫助學生從裝配角度考慮設計。3D圖轉工程圖能提高學生識讀、制作工程圖能力，加強學生對設計規范、國家標準的掌握。故在新機械制圖教材中，引入三維設計軟件的基本操作、裝配圖、爆炸圖畫法、計算機工程圖制作、標注、BOM制作等內容。通過課程整合，將三維圖、二維圖和制圖理論有機結合，縮短了總課時量，提升了教學效率，培養了學生的創新思維能力和計算機繪圖能力。

“機械制造基礎”課程涉及金屬工藝學、公差配合與技術測量、金屬切削原理、機械制造工藝學和機床夾具設計等多學科內容，綜合性、實踐性強。高職學生理論基礎、空間想象力、學習定力都較薄弱，該課程更需融合CAX技術進行教學。通過CAD軟件建模技術展現模具結構如鑄模、沖壓模等。通過CAE軟件動態模擬金屬壓力加工變形過程。通過CAPP軟件模擬企業工藝部門工作過程，并對典型零件編制工藝文件，再通過CAM軟件規劃走刀路徑、模擬金屬切削過程和自動編程。對于公差配合與技術測量部分的教學，可以借助CAD軟件構建測量模型，包括被測設備、測量治具、檢具等，再通過軟件動畫功能示意測量過程。因此，在新教材中增加三維軟件繪制的模具結構圖、金屬塑性成型應力應變分布云圖、形位公差測量模型圖、有限元基本理論、CAE軟件基本操作和工程分析案例、CAPP軟件操作和工藝文件編制方法、CAM軟件操作和自動編程方法等。CAX技術與機械制造基礎課程融合，展現了現代制造技術和工程實踐情境，使枯燥、抽象的機械理論、知識、不得見的設備和結構、測量過程等形象地呈現出來，幫助初次接觸專業學生快速融入專業學習中，明確學習目標，增加學習興趣，啟發創新思維。

“機械制造基礎”課程涵蓋工程力學、材料力學、機械原理、機械設計等內容，兼具理論性和實踐性。該課程主要解決機構運動規律、機械結構設計、尺寸設計、選材等問題。一個完整、快速、合理的機械設計離不開眾多CAX技術的應用。三維模型能更清晰地表達零件形狀、裝配關系、干涉和間隙分析、實現機構運動仿真，提早發現設計缺陷。將三維模型轉換為標準格式導入CAE軟件，施加邊界條件等，模擬分析系統受力和變形情況，優化設計。最后對設計零件采用CAM軟件模擬加工和自動編程。在新教材中可引入CAD軟件機構運動仿真方法、裝配干涉和間隙分析方法、結合設計的CAE工程分析案例、CAM制造案例。CAX技術與機械設計基礎課程融合，能顯著提高教學質量，鞏固和提高學生的數字化設計、制造能力、創新能力，學生畢業后能更好、更快地適應設計等工作。

2. 教學融合

真正掌握CAX技術，不是依賴于幾門獨立開設的CAX課程，不是僅僅停留在軟件操作上，CAX技術必須以工學結合的形式滲透到所有專業課的教學中，結合工程實踐，讓學生自己動手操作。

融入CAX技術的機械基礎課程采用基于任務的項目化教學方式。理論教學和上機操作主要安排在安裝有CAX軟件的信息化機房，輔以CAI課件、多媒體、板書、教具、現場演示或基于網絡視頻直播企業現場操作，并結合CAX軟件動態呈現機構運動規律、機器拆裝過程、金屬壓力加工變形過程、幾何量測量方法、工藝文件自動編制和零件模擬加工過程等。實操訓練分為單項訓練和綜合訓練，根據具體任務，可在計算機上或實訓室完成。以機械設計基礎課程為例，單項訓練可以讓學生設計一個單功能的機構，如彈簧自動復位球閥機構。學生用三維軟件設計模型并進行運動學仿真，分析設計合理性等。綜合訓練指學生完成整個設計、加工過程，即用CAD軟件設計，CAE軟件分析受力情況，CAPP軟件編制工藝，再通過CAM軟件自動編程，并將生成的可執行代碼文件輸入到機床，完成零件加工、組裝和驗證。

新課程內容廣博、實踐性強，僅靠有限的教學學時很難達到好的教學效果，甚至教學任務也很難達成。采用以學生為中心的混合式學習法，將線上課堂學習與線下學習、集中答疑相結合。課件提前放在網上，學生隨時學習，碰到不懂之處可以查閱資料、進行朋輩交流，也可以參加定期的線上和線下答疑。線上答疑可以借助網絡平臺，如微信平臺等。為增強學生學習主體性、表達能力、團隊意識和學習信心，采用異質分組教學，按組完成任務和提交作品，教師多創造機會訓練學生的表達能力。

為貼近真實的工程環境，培養學生的系統工程意識，可組織學生去企業參觀學習，了解企業信息化、網絡化、數字化發展的應用情況，了解相關崗位職責，提高學習動力。加強產學研合作，選取企業項目作為教學案例或任務。

在教學師資上，采用以雙師型教師為主、企業專家為輔的教學模式。以CAX技術大講堂作為第二課堂，定期邀請企業專家或優秀校友分享CAX技術的發展和應用。構建新課程與專業社團、大學生科技競賽、技能考證一體化平臺，形成學CAX、用CAX氛圍。任課教師擔任平臺指導教師，既可以將CAX技術應用于實踐，又可以了解學生在CAX技術上的薄弱之處，提高教學水平和專業技能。通過平臺的人才梯隊建設，培養一批批懂CAX技術的專業人才，薪火相傳，以點帶面，促進CAX教學。

3. 教學評價研究

教學評價對教學起到導向作用。CAX技術重在應用，新課考核內容除對基本理論、知識的掌握外，還包括利用CAX技術完成實際項目的能力。考核形式包括筆試、上機操作、動手操作。教學評價將過程性評價和結果性評價相結合。過程性評價包括CAX技術應用能力、表達能力、人際團隊能力、職業精神等。結果性評價包括工程技術知識掌握情況、分析推理能力、最終作品質量等。教學評價主體包括教師評價、自我評價、生生評價、企業專家評價、專業社團評價等。

三、CAX技術與機械基礎課程融合面臨的問題

CAX技術與機械基礎課融合符合工程實踐需要，然而兩者融合的研究與實踐還處于起步階段，面臨諸多的理論和現實問題。

兩者融合不是簡單的拼湊，而是自然的融合。首先，要明確CAX技術人才培養目標，教材編寫要緊扣該目標，且要有教學和工程實踐經驗作支撐。教材內容要突出CAX技術的最新應用，教材組織和教學要符合高職學生接受特點。任課教師既要懂機械理論，又要有豐富的CAX實踐經驗，且針對不同層次的學生能制定不同的教學設計和教學評價體系。其次，線下學習質量如何保證、CAX技術社團如何有效運作、如何調動師生參與一體化平臺建設的積極性及一體化平臺內部如何互動、產學研合作形式等。此外，在硬件方面，需要購買網絡版的CAX軟件，需要足夠的信息化機房，電腦硬件配置要高，教學學時要盡量多。要解決這些問題，需要系統規劃包括制度保障、教材建設、實訓室建設、一線教師的努力配合等。

與CAX技術、信息化技術、網絡技術相結合的機械技術將助力中國制造向智能制造轉變，加快推進供給側結構性改革，為我國人工智能的發展奠定基礎和保障。CAX技術與高職機械基礎課程的融合，將有效提高教師自身的專業水平、教學水平和學生的創新能力、就業質量及職業可持續發展能力。兩者的融合是系統工程，需要統籌規劃師資、教材、教學、硬件配置、產學研合作等。

參考文獻：

[1] 王孝義，王全先.數字化設計與制造技術教學體系建設的研究[J].安徽工業大學學報（社會科學版），2011，（3）：97-100.

[2] 鄭立斌，陳全園，胡云龍.高職高專機械數字化設計的探索與實踐[J].景德鎮高專學報，2009，（2）：50-51.

[3] 孫克銳，葉炬鋒.“機械CAX”課程構建探索與實踐[J].裝備制造技術，2016，（9）：222-224.

[4] 石鳳琴，張婷婷.機械制圖與計算機繪圖課程整合的教學改革[J].職業教育研究，2012，（10）：106-107.

[5] 高成慧，王中任，張俊.基于三維技術的機械基礎系列課程的優化整合研究[J].制造業自動化，2012，（3）：74-75.

（編輯：秦俊嫄）