基于CDIO的模具CAD/CAE/CAM實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建

俞彥勤　廖敦明　樊自田

摘 ?要：通過分析現(xiàn)有模具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、模具計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）、模具計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，根據(jù)CDIO工程教育模式，以材料成形件從數(shù)字模型到成形件實(shí)物的整個(gè)過程為載體，構(gòu)建了一體化的模具CAD/CAE/CAM綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。依據(jù)工程教育認(rèn)證對(duì)學(xué)生的要求，制訂了實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)目標(biāo)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式、成績(jī)考核評(píng)估等方面進(jìn)行了分析與探討。該實(shí)驗(yàn)課程對(duì)于探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新模式、新方法，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題及綜合創(chuàng)新能力等方面具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：CDIO;模具;計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）;計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）;計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）

中圖分類號(hào)：G642 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2019）17-0107-03

Abstract： By analyzing the existing problems in the computer-aided design （CAD）， mold computer-aided engineering （CAE）， and mold-assisted manufacturing （CAM） experiment teaching， according to the CDIO engineering education model， the material forming parts from the digital model to the forming parts The whole process of the physical object is the carrier， and an integrated CAD/CAE/CAM integrated experimental teaching system is constructed. According to the requirements of engineering education certification for students， the teaching objectives of the experimental course were formulated， and the experimental teaching methods and performance evaluation were analyzed and discussed. The experimental course has the promotion and application value for exploring new modes and methods of experimental teaching， cultivating students to solve complex engineering problems and comprehensive innovation ability.

Keywords： CDIO（conceive-design-implement-operate）; mold; computer aided design（CAD）; computer aided engineering （CAE）; computer aided manufacturing（CAM）

模具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）是材料成型及控制工程專業(yè)的主干核心課程，長(zhǎng)期以來，這三門實(shí)驗(yàn)課程在運(yùn)行中存在以下問題：首先，因教學(xué)方法缺乏創(chuàng)新，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性不夠。其次，因?qū)嶒?yàn)教學(xué)手段方式落后而存在重理論輕實(shí)踐的現(xiàn)象。第三，各門課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)獨(dú)立封閉進(jìn)行，造成了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容零碎，綜合性程度不高。第四，實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容及其軟、硬件更新慢，嚴(yán)重滯后于當(dāng)前社會(huì)生產(chǎn)實(shí)際，導(dǎo)致教學(xué)與行業(yè)發(fā)展脫節(jié)。第五，實(shí)驗(yàn)課程在整個(gè)專業(yè)培養(yǎng)體系中的地位與作用、對(duì)達(dá)成學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)的能力要求不明確。鑒于以上問題，必須對(duì)現(xiàn)有模具CAD、模具CAE、模具CAM實(shí)驗(yàn)課程，從課程培養(yǎng)目標(biāo)、課程內(nèi)容、教學(xué)方式等諸方面進(jìn)行改革與創(chuàng)新，以構(gòu)建體系完備、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容充實(shí)、教學(xué)方式多樣化的“模具CAD/CAE/CAM綜合實(shí)驗(yàn)”。

一、基于CDIO的實(shí)驗(yàn)課程體系構(gòu)建

（一）CDIO教育模式

CDIO（構(gòu)思conceive、設(shè)計(jì)design、實(shí)施implement、運(yùn)作operate）是國(guó)際工程教育人才培養(yǎng)的創(chuàng)新模式，旨在關(guān)注工程實(shí)踐，加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、綜合創(chuàng)新能力以及與社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展等問題。CDIO是由MIT（麻省理工學(xué)院）等幾所大學(xué)經(jīng)過多年探索而創(chuàng)立的工程教育模式，它以產(chǎn)品從研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行結(jié)果的整個(gè)生命周期為載體，通過建立一體化的相互支撐和有機(jī)聯(lián)系的課程體系，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式進(jìn)行工程教育訓(xùn)練[1]。迄今為止，這一國(guó)際工程教育的最新成果已被幾十所世界知名大學(xué)所采用，并逐步引入我國(guó)，成為國(guó)內(nèi)高校眾多工程類專業(yè)課程改革與創(chuàng)新的有力工具[2-5]。

（二）實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)

基于CDIO的理念，將模具CAD、模具CAE、模具CAM三門課程融合打通，設(shè)置為一門獨(dú)立于理論課的一體化的綜合實(shí)驗(yàn)課程。梳理三者之間的層次關(guān)系，依據(jù)課程的邏輯關(guān)系建立三者之間相互支撐和有機(jī)聯(lián)系的課程體系。

構(gòu)思（conceive）材料成形件，它可以是沖壓件、或注塑件、或鑄件、或3D打印件。它可以是課程給定，如給出的二維圖，也可以是來自于社會(huì)（企業(yè)）需要的產(chǎn)品，也可以是學(xué)生自己設(shè)計(jì)的模型。對(duì)于以上給出的各種成形件，運(yùn)用三維CAD軟件，完成其數(shù)字化，得到成形件的三維數(shù)字化模型。

設(shè)計(jì)（design），根據(jù)“構(gòu)思”階段成形件的數(shù)字化模型，進(jìn)行模具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD），完成該成形件所需要模具的設(shè)計(jì)。

實(shí)施（implement），根據(jù)“設(shè)計(jì)”階段所設(shè)計(jì)的模具，對(duì)成形件的成形工藝及模具進(jìn)行計(jì)算機(jī)分析（CAE），檢驗(yàn)其設(shè)計(jì)的合理性，根據(jù)檢驗(yàn)的結(jié)果，對(duì)模具進(jìn)行優(yōu)化和修改，再對(duì)模具零部件進(jìn)行制造（CAM）。

運(yùn)作（operate），根據(jù)“實(shí)施”階段制造的模具，在材料成形設(shè)備上，加工出“構(gòu)思”階段所指定的成形件實(shí)物。

（三）實(shí)驗(yàn)課程流程

根據(jù)CDIO工程教育模式，以材料成形件從數(shù)字模型到最終成形實(shí)物的整個(gè)生命周期（PLA）為載體，構(gòu)建出一體化的《模具CAD/CAE/CAM綜合實(shí)驗(yàn)》教學(xué)體系見圖1。

圖1中，依據(jù)成形件的成形方式不同，可分別構(gòu)成“沖壓實(shí)驗(yàn)?zāi)K”、“注塑實(shí)驗(yàn)?zāi)K”、“鑄造實(shí)驗(yàn)?zāi)K”、“3D打印實(shí)驗(yàn)?zāi)K”等四個(gè)材料成形實(shí)驗(yàn)?zāi)K，學(xué)生自主依興趣選擇其中之一模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，按實(shí)驗(yàn)流程依次進(jìn)行“三維造型技術(shù)實(shí)驗(yàn)”，從而建立成形件的三維數(shù)字模型;進(jìn)行“模具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”，設(shè)計(jì)出完成成形件加工所需要的模具;進(jìn)行“模具計(jì)算機(jī)輔助工程實(shí)驗(yàn)”，對(duì)所設(shè)計(jì)的模具進(jìn)行分析，修改、優(yōu)化所設(shè)計(jì)的模具;進(jìn)行“模具計(jì)算機(jī)輔助制造實(shí)驗(yàn)”，用數(shù)控加工機(jī)床等，對(duì)所設(shè)計(jì)的模具零件進(jìn)行加工;進(jìn)行“成形工藝物理模擬實(shí)驗(yàn)”，通過采用范例模具分別在材料成型設(shè)備（數(shù)控沖床、注塑機(jī)、離心鑄造機(jī)、3D打印機(jī)）上加工出成形件的實(shí)物產(chǎn)品。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程以成形件數(shù)據(jù)流瀑布式逐層推進(jìn)，來完成模具CAD/CAE/CAM一體化綜合實(shí)驗(yàn)的各個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)[6]。

二、實(shí)驗(yàn)課程目標(biāo)

《模具CAD/CAE/CAM綜合實(shí)驗(yàn)》課程是一門多學(xué)科交叉、綜合性強(qiáng)的應(yīng)用課程。它反應(yīng)了材料成型基本理論與模具技術(shù)的實(shí)踐、傳統(tǒng)材料成形工藝與先進(jìn)數(shù)字化技術(shù)、材料加工基本知識(shí)與前沿智能制造技術(shù)的高度融合。依據(jù)這些特點(diǎn)來確立該課程在整個(gè)專業(yè)培養(yǎng)體系中的地位與作用，并明確對(duì)達(dá)成學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)的能力要求。根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證（華盛頓協(xié)議）對(duì)學(xué)生素質(zhì)的12點(diǎn)要求[7]，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制定課程目標(biāo)如下：

課程目標(biāo)1——系統(tǒng)掌握模具CAD/CAE/CAM方向的專業(yè)知識(shí)，具備應(yīng)用這些知識(shí)分析、解決實(shí)際模具CAD/CAE/CAM復(fù)雜問題的技能。

課程目標(biāo)2——掌握常用材料成型及控制工程裝備、實(shí)驗(yàn)儀器的工作原理、操作方法，具備調(diào)控裝備及儀器參數(shù)的能力，合理實(shí)施成型零件及模具設(shè)計(jì)的研究方案。

課程目標(biāo)3——能夠應(yīng)用材料成型基本原理，識(shí)別、表達(dá)、并通過文獻(xiàn)研究分析復(fù)雜工程問題，獲得有效的結(jié)論。比如板料彎曲塑性力學(xué)分析、板料彎曲回彈產(chǎn)生的原因等。

課程目標(biāo)4——掌握模具CAD/CAE/CAM方向重要資料來源及獲取方法（文獻(xiàn)檢索、資料查詢、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)搜索工具的使用等）;具備應(yīng)用各類文獻(xiàn)、信息及資料進(jìn)行模具CAD/CAE/CAM方向問題分析的能力;應(yīng)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，掌握材料成型及控制復(fù)雜工程的主流軟件進(jìn)行建模、預(yù)測(cè)、模擬與優(yōu)化方法，并理解其局限性。

課程目標(biāo)5——了解模具CAD/CAE/CAM方向的國(guó)內(nèi)外的技術(shù)現(xiàn)狀，具備一定的國(guó)際視野;能夠應(yīng)用現(xiàn)代工具撰寫實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)文稿、實(shí)驗(yàn)報(bào)告。表1為課程目標(biāo)與畢業(yè)要求對(duì)應(yīng)矩陣圖。

三、教學(xué)方式

從開始自主選擇成形件的實(shí)驗(yàn)?zāi)K開始，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束的整個(gè)過程，學(xué)生是教學(xué)的主體及主要參入者，教師作為引導(dǎo)者，引導(dǎo)學(xué)生在“做中學(xué)”，這種以學(xué)生為中心的教育理念，不僅極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，而且使其知識(shí)、技能內(nèi)化，有利于學(xué)生創(chuàng)造能力的培養(yǎng)。鑒于《模具CAD/CAE/CAM綜合實(shí)驗(yàn)》課程所涉及的知識(shí)綜合性強(qiáng)，知識(shí)密集，學(xué)時(shí)少，訓(xùn)練量大等特點(diǎn)，可利用師生個(gè)人通訊終端，采用翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方法[8-9]，即由任課教師提供以視頻為主要形式的學(xué)習(xí)資源，把知識(shí)的傳授過程從課堂翻轉(zhuǎn)到課下，課堂大部分時(shí)間用于教學(xué)答疑、學(xué)生與學(xué)生的交流、學(xué)生與教師的交流、學(xué)生實(shí)驗(yàn)小組的協(xié)調(diào)合作等。

四、學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)

學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課程考核評(píng)價(jià)是教學(xué)活動(dòng)的重要環(huán)節(jié)，作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程的導(dǎo)向，不僅可以檢驗(yàn)、監(jiān)督大型綜合實(shí)驗(yàn)的過程及其執(zhí)行情況，而且也是衡量教學(xué)目標(biāo)是否達(dá)到的重要依據(jù)，同時(shí)還應(yīng)兼顧對(duì)學(xué)生整體水平與個(gè)體差異、個(gè)人能力鍛煉與團(tuán)隊(duì)精神方面的考查。依據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果以及多個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)上學(xué)生的表現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)課程考核及評(píng)價(jià)細(xì)則如下：

（一）實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)

按教學(xué)目標(biāo)1要求，依據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)情況，按10%計(jì)入課程總成績(jī)。

（二）上課表現(xiàn)

按教學(xué)目標(biāo)2要求，根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)預(yù)約出勤率、實(shí)驗(yàn)紀(jì)律及互動(dòng)情況，視其對(duì)課程學(xué)習(xí)的態(tài)度及積極程度，按10%計(jì)入課程總成績(jī)。

（三）操作能力

按教學(xué)目標(biāo)3要求，根據(jù)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中現(xiàn)場(chǎng)操作技能水平表現(xiàn)，是否違章操作等，按15%計(jì)入課程總成績(jī)。

（四）數(shù)據(jù)記錄

按教學(xué)目標(biāo)4要求，根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整程度、數(shù)據(jù)的真實(shí)性、規(guī)范性、合理性等，按15%計(jì)入課程總成績(jī)。

（五）實(shí)驗(yàn)報(bào)告

按教學(xué)目標(biāo)5要求，根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成情況及質(zhì)量，視其對(duì)課程知識(shí)理解、掌握情況，按50%計(jì)入總成績(jī)。

五、結(jié)束語

基于CDIO工程教育模式所構(gòu)建的“模具CAD/CAE/CAM綜合實(shí)驗(yàn)”，以從成形件的數(shù)字模型到成形件實(shí)物的全過程為載體，實(shí)現(xiàn)了材料成形件的三維造型、模具CAD/CAE/CAM、成形件的物理模擬等一體化的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，既提高了實(shí)驗(yàn)的綜合程度，又提高了教學(xué)實(shí)驗(yàn)效率。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，以學(xué)生為中心，讓學(xué)生“做中學(xué)”，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，使其學(xué)習(xí)知識(shí)、技能內(nèi)化，也培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主管理、自主服務(wù)的意識(shí)與能力。

該課程的實(shí)施，加強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟、硬條件建設(shè)，推進(jìn)了信息技術(shù)與材料成形課程的深度融合，優(yōu)化了課程教學(xué)內(nèi)容，促進(jìn)了教學(xué)手段和方法的現(xiàn)代化。

該課程的實(shí)施，解決了華中科技大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)2015年工程教育專業(yè)第一次論證中存在的“實(shí)

驗(yàn)綜合性不夠，對(duì)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題能力訓(xùn)練偏弱”的問題，在2018年6月進(jìn)行的該專業(yè)工程教育專業(yè)第二次論證中，該課程成為綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一大亮點(diǎn)，受到專家組好評(píng)。該實(shí)驗(yàn)課程對(duì)于探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新機(jī)制、新模式、新方法，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力及綜合創(chuàng)新能力等方面具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

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