面向一流本科專業建設的模具設計課程教學改革探索

張輝 陳瑤 楊育 朱成順

摘要：模具課程是機械制造課程體系中的一個重要組成部分，模具課程的教學改革是機械制造及自動化專業一流專業建設中的重要內容之一。本文分析現有模具課程教學方面的不足，通過對改革教學模式、豐富教學內容、拓展教學評價手段等方面的研究，探索通過增強現實的案例式教學融入模具設計課程教學，導通授課、案例、考核三方面的教學環節，以此達到教師引導、學生主動的教學目的，提高課程中學生的參與度、興趣度，以及課程教學質量。本文可為高等院校模具方向課程教學模式的創新和改革，以及拓展增強現實教學應用模式提供借鑒。

關鍵詞：模具設計課程? 一流專業? 增強現實 機械制造及自動化

Exploration on the Teaching Reform of Mold Design Course for the Construction of First-Class Undergraduate Major

ZHANG Hui^*CHEN Yao? YANG Yu? ZHU Cheng Shun

（Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang， Jiangsu Province， 212100 China）

Abstract：Mold design course is an important part of mechanical manufacturing course system， and the teaching reform of mold design course is one of the important contents in the construction of first-class major of mechanical manufacturing and automation. By analyzing the shortcomings of the existing mold related courses teaching， and the research on the reform of teaching mode， the enrichment of teaching content and the expansion of teaching evaluation， this paper explores the integration of augmented reality case teach and study into the teaching implementation of mold design course， the realization of the conduction of teach and study， case exploration and assessment， the promotion of teachers guidance and students initiatives towards teaching goals， and at last the improvement of students interests and involvement as well as the teaching quality. The work could provide a reference for the innovation and reform of mold related classes and similar course teaching mode in colleges and universities and inspiration for the expansion of augmented reality teaching application.

Key Words： Mold design course; First-class major; Augmented reality; Mechanical engineering and automation

模具是工業之母，模具行業是制造業的重要組成部分^[1]，模具相關的課程教學是支撐國家制造業現代化的重要環節，模具類課程的教學改革對推進機械制造及自動化等模具相關專業的一流專業建設起重要的支撐作用。本文通過分析目前傳統模具課程教學中的不足，結合一般機制專業中的模具方向教學實踐，從教學模式改革、豐富教學內容、拓展教學評價手段等方面開展研究，探索通過增強現實的案例式教學手段融入模具設計課程的教學過程中，以提高教學水平，達到教師引導、學生主動的教學目的。

1 現有模具課程教學方面的不足

模具類課程是一門知識點豐富、背景課程體系要求高、實踐操作性強、涵蓋機械類教學課程內容范圍廣的專業門類課程，但其又是一門相對古老的行業課程。在傳統的機械學科相對吸引力不強的大背景下，模具類課程同樣也存在學生興趣點不高、形式與內容老舊的問題。分析目前的模具類課程傳統教學環節的不足體現在以下幾點。

（1）教學手段相對陳舊，多媒體課件課堂講授同模具拆裝的實踐教學結合的傳統方式，不易引發學生的興趣，貫穿課堂、實踐、考核的案例點、考評點較少，且考核評價中也較難體現實踐動手能力與創新設計思維能力。

（2）教學過程中的新型的信息化技術應用不多，教學過程還有不少環節依賴老舊的CAD軟件開展，拆裝實驗同一般的課程設計區分度低，難以調動學生的學習積極性，新型軟件使用程度不高，同其他課程的體系梳理不完備，不易體現模具課程的背景特點。

（3）教學互動性一般，課堂講授和實踐教學中的程式化較嚴重，教學環節依然按照分塊的知識點，沖裁、彎曲、拉深等教學內容間的過程分開。教師按照“套路”教，學生按照“套路”學，課程知識的前后關聯性挖掘不夠，靈活運用知識的能力不易培養。

在這樣的背景下，學生在模具課程學習過程中缺少與本課程內容相關的感性認識與實踐機會，同時課外也缺少理解專業、理解知識運用的途徑，感覺書本知識與實際應用脫節^[2]，形成模具類課程“知識陳舊”“跟不上時代”的看法，進而容易養成僅想“應付考核”的習慣。

2 模具設計課程教學模式改革調研

由于模具課程的重要性，國內不少高校都開設有模具設計、模具設計與制造或模具CAM之類的課程，甚至有單位開設有專門的模具方向或模具專業。不少教師或研究人員也從教學改革的需求出發，對模具設計課程教學模式改革提出自己的解決思路或方法。這些思路或方法如下。

（1）從專業工程認證的角度出發^[3]，按照《悉尼協議》的標準和范式進行專業建設、參與國際認證，實施成果導向的教育，開發成果導向課程體系，對專業課開展全過程、全方位、科學合理的評價，提升專業內涵建設，樹立以學生為中心，成果導向、過程保障為核心的質量觀，基于專業工程認證的契機，努力梳理好整個模具專業的課程體系，并改進教學評價體系。

（2）從項目教學的角度出發^[4]，明確了職業教育中項目教學法的意義，從專業課程的內容設置、教學實施過程等方面進行探討，提出了項目式教學的考核標準。為培養模具行業的一線技能人才，突出其制造、裝配、調試、維護等工作能力，探索有效、實用的實訓教學方法。采用“任務”“計劃”“實施”“檢查”“評價”的步驟開展教學。

（3）采用線上線下混合式課堂教學、混合模式教學等方式開展教學^[5]，輔助開放性的查新和調研作業，廣泛利用網絡資源和三維軟件進行教學深度和廣度的拓展，夯實學生對沖壓模具基本結構和零件的認識，結合UGNX中的模具模塊開展教學。或者采用軟件二次開發的方式，在CATIA建模軟件平臺上^[6]，設計一套覆蓋模具設計過程的流程化方法，開發用于冷沖壓模具設計的教學軟件，增強學生知識面，提升教學效果。這類方法以信息化為大背景，具有先進性。

（4）采用虛擬現實或增強現實等手段開展模具類課程教學改革的方法^[7]。不少是基于手機平臺或電腦網頁等界面進行開發。采用互聯網技術、大數據技術及虛擬技術等，建設新的教育模式，利用VR/AR技術^[8]解決真實模具使用的問題，降低教學成本，提升教學效率。在虛擬的教學環境下，將知識內容進行模擬，在模擬的環境中進行授課和聯系。有的基于Unity 3D虛擬現實平臺進行開發，采用人機交互的教學模式，實現仿真教學系統，并能夠介紹系統的結構、功能及關鍵技術，實現模具工藝的虛擬可視化，具有一定的教學參考價值^[9]。

這些教學方法和思路為面向一流專業建設中的模具設計課程的教學改革提供了極大的參考。同時考慮到本專業的機制課程中模具課程僅作為一個選修方向課程，課程教學時間有限，如何在較短的教學學時中讓學生建立起模具行業的知識體系，是具設計教學改革重點思考的問題。

3 模具設計課程教學改革手段

（1）結合課程思政的契機，將大世界的背景，“制造強國”“智能制造”這樣的概念潛移默化地融入課程教學中，讓學生樹立宏達的理想，明白模具專業在整個國民制造業的作用和地位，從大處克服模具專業陳舊“老套”的負面心理。同時在知識點講解中，融入思政內容。比如，在講授模具的各種結構件的導柱導套布局形式時，啟發學生展開聯想，揉合“四梁八柱”的觀點，給予學生具象化的思維，增強其感性認識。

（2）整體考慮模具課程體系的教學內容，思考加工后在復習階段提煉精華教授給學生，引導其思考、分析、提煉前后課程內容間的關系，并進行總結。如在介紹沖壓模具的沖裁模具、彎曲模具和拉深模具的結構特點時，注意前后對應，讓大家多思考各種類型的模具結構間的異同點，以及造成這些異同點的原因，讓學生勤于思考與總結。

（3）同專業教學體系中的其他課程教師展開教研活動，明確學生在開始學習這門課程時已經掌握的知識點與欠缺的內容，在課程教學中有意識地進行補充。在課程實訓、下廠實習等教學環節中，留意周邊企業中的模具運用較多的企業，如相關的汽車燈飾廠使用的車燈模具等，讓學生清楚模具知識在各類行業中的廣泛應用。

（4）采用增強現實的手段開展模具類課程教學實訓環節的改進。基于自制實驗設備研制的支持和開放選修實驗的支撐，參考文獻中的一些思路^[10]，結合科研中涉及的視覺基礎積累，開發增強現實模具教學拆裝平臺。利用聲、光、電的手段吸引學生積極參與到實踐環節。同時將一些實例在課堂上進行有針對性的講授。結合預習報告檢查、實驗過程監督等手段，讓學生在較短的時間內能夠真正融入模具設計制造體驗中，提高其實驗參與度。

（5）參考工程認證平臺的建設，對模具設計的考核手段進行改進。在考核內容上，適當減少固定的客觀知識點考核內容，增加靈活運用課程知識等綜合性的考核內容。多出簡答、計算、分析、設計類的題型，提高學生靈活運用知識的能力，舉一反三，實現對學生解決問題的綜合工程實踐能力的考查。同時減少課程綜末的分數比重，增加平時作業、實踐環節的分數比重，切合工程認證的以學生為中心，成果導向、過程保障為核心的教學質量觀。

4 增強現實輔助的案例式教學手段應用

在自制實驗設備項目的支持下，針對傳統模具拆裝教學方法的不足，構建了信息投影輔助模具拆裝教學平臺，分析基于增強現實模具裝配實驗教學平臺的特點，建立了系統框架^[11]。平臺的建立需要考慮投影素材管理功能、可視化表達功能（包括圖片、動畫、三維模型、文字等）、語音引導功能、人機交互功能、位姿注冊功能（包括裝配現場圖像采集、手勢圖像采集）等。將真實裝配現場與虛擬裝配信息相結合，實現對裝配教學的指導。具體功能分布如圖1所示。

將模具各部件進行分塊分類，形成拆裝過程信息列表，并使用XML文件進行項目式管理（如圖2所示）。在研究了模具素材管理、信息投影與位姿注冊和實體按鍵交互等功能后，基于MFC和OpenGL，開發形成了平臺系統，并具有擴展性，可方便拓展其他類型的模具拆裝。圖3所示為模具拆裝某一步驟的實際展示。步驟的信息投影到工作臺上，需要拆裝的位置也展示到模具實體上，并且顯示了該步驟裝配動作的動畫。為了吸引學生參與，平臺同時具有簡單手勢交互和實體按鍵及語音引導提示功能。

采用本文平臺建設和教學改革后，學期課程的同學參與度明顯提升，除由于考研等特殊原因帶來的實驗教學調整外，學生全員參與了實驗環節，同時主動性提升，師生互動增加。

5 結語

信息技術與課程教學融合是未來發展的趨勢，虛擬現實、增強現實是交互的新型方式，本文在調研各類模具教學方法和思路的基礎上，分析目前傳統模具教學的不足，積極探索課程思政方法，通過增強現實的案例式教學融入模具設計課程教學，取得了一定的效果，具有參考價值。同時增強現實等新型技術是一個不斷進步升級的過程，模具設計課程教學也將不斷改進，持續改進教學模式，提高教學質量，完成教學目標。

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