《模具CAD/CAM》三位一體教學模式的探索

呂濱江，崔 寧

（青島理工大學機械與汽車工程學院，山東 青島 266520）

CAD/CAM 技術是通過計算機輔助技術進行機械設計及加工的工具，是一種集高效益、高科技和高效率于一體的高新技術，是先進制造技術的重要組成部分。模具CAD/CAM技術可以通過計算機對模具結構、模具零件結構、成形工藝、模流分析、數控自動編程及生產管理等過程進行集成設計和優化，大幅縮短模具的設計制造周期，降低設計人員的勞動強度和生產成本，提高零件質量[1]。近二三十年來，模具CAD/CAM技術的出現對模具設計和制造行業帶來了巨大變革，并起到了巨大的推動作用。隨著現代模具行業生產模式和理念的轉變，相關企業也越來越注重專業技術人員的工程創新實踐能力。面對WTO所帶來的挑戰與機遇，國內外企業迫切需要熟練掌握模具CAD/CAM技術的高技術人才。模具設計生產企業對專業從業人員的基本要求就是熟練掌握模具CAD/CAM技術[2]。

建設創新型國家戰略要求高校培養具有創新實踐能力的工程技術人才。因此，高等院校需要對當前的人才培養模式進行大膽的變革和創新[3]。《模具CAD/CAM》是借助CAD/CAM應用軟件進行計算機輔助模具設計和制造的一門專業課。傳統的“理論式”《模具CAD/CAM》教學模式重理論、輕實踐，對學生能力的培養存在許多不足之處，造成專業學生所學與企業的需求脫節。因此，如何構建新的《模具CAD/CAM》課程教學模式以提高學生的創新實踐能力是亟須解決的課題之一。

1 傳統的《模具CAD/CAM》教學模式存在的問題

為了培養滿足模具設計制造相關企業需求的具備創新實踐能力的技術人才，服務地區經濟建設，《模具CAD/CAM》課程通常是工科院校材料成型與控制工程專業模具方向的重要專業課程。傳統教學模式的不足，主要有以下幾個：大部分授課教師沒有工程實踐經驗，與產業脫節，過多強調理論學習或軟件的使用，學生被動聽課，學習目的不明確，缺乏創新實踐能力鍛煉，學習效果差；教學體系存在理論教學與實踐教學聯系不緊密，教學內容部分老化，沒有緊跟當前行業先進技術的發展趨勢及企業需求[4-5]。還有，近年來很多高校都實行專業課程的學分壓縮，使該課程的課堂學時、上機學時及實驗課時進一步壓縮。專業課教師在授課時，只能以講授為主，壓縮學生上機和實驗學時，學生缺乏軟件操作經驗，也無法了解掌握企業的實際設計生產流程，培養的畢業生難以滿足企業的需求。此外，傳統教學方式的考核方式比較單一，以考試成績為主要評定依據，學生為了應試，忽略上機練習及實際操作，缺乏實踐能力，與企業對人才技能的需求脫節。本文針對傳統教學模式存在的問題，對專題專業培養模式進行不斷變革，通過建立“理論+虛擬仿真+實驗”的三位一體新的教學模式，探索一條能夠培養滿足當前企業所需專業人才的培養途徑。

2 《模具CAD/CAM》三位一體的教學模式探討

2.1 教學目標和定位

青島理工大學作為國家首批地方高校“111計劃”建設單位、全國首批深化創新創業教育改革示范高校、山東省重點建設的應用基礎型人才培養特色名校，在教學方面一直注重學生創新與實踐能力的培養。

《模具CAD/CAM》課程是本校材料成型與控制工程專業模具設計制造方向的限定選修課。本課程旨在培養學生應用計算機輔助設計與制造技術解決本專業問題的能力，學習模具結構、沖壓工藝以及CAD/CAM開發的基本原理和方法。課內教學內容主要為模具CAD/CAM的基本原理，模具CAD/CAM系統基本功能組成，模具設計準則，成型過程，幾何造型與圖形處理方法等。上機及實驗課通過對圖形變換、幾何造型、注塑模CAD/CAM應用系統、銑削加工編程、注塑模向導的演示，增強學生對模具CAD/CAM設計方法、特點及優越性的感性認識，學生采用上機操作、虛擬仿真和實驗實操等方法完成圖形變換、幾何造型、注塑模的設計及銑削加工編程流程。通過學習和掌握模具CAD/CAM的原理、方法與技術，以適用制造業的發展和社會需要。

通過對青島周邊大量模具設計制造企業的調研，了解到汽車及家電產品的模具設計制造行業發展前景非常廣闊。充分聽取企業對模具專業畢業生專業技能和職業素養的要求，重新調整優化專業課程體系，制定更加合理的教學內容和課程計劃。其中，大部分企業采用UG NX軟件進行模具CAD/CAM的設計制造。為了與行業和企業需求接軌，本課程采用UG NX11.0進行產品結構和模具的設計、工藝設計及數控編程等。UGNX軟件功能強大，具有獨立運行的集成管理數據庫系統是CAD/CAM/CAE各部分數據能夠進行自由切換；良好的二次開發接口和輔助工具可以讓用戶自己創建個性外部插件。

2.2 提高教師的創新實踐能力

《模具CAD/CAM》專業課教師是否具備工程實踐能力是培養高素質工程人才的重要影響因素，既關系到教師的職業生涯發展，還關系到課程教育教學改革的成效。從高校畢業后剛入職的青年教師大多長期從事理論研究，缺乏在企業一線工作的經驗，難以接觸企業工程項目，在教學過程中缺乏企業生產實際案例，教學內容難以與企業所需掛鉤，教學效果差[6]。此外，原先具有企業工程背景的教師，由于長期脫離企業生產環境，工程經驗技術無法實時更新，從而與不斷發展更迭的工程技術發生脫節，難以適應當前企業的生產實際。因此，提高教師的工程實踐能力，是提高專業教學質量、拓寬教師資深職業發展道路、建設高素質師資隊伍及有效培養學生創新實踐能力的重要任務。

針對上述問題，學校加強頂層建設，對教師工程實踐能力的培養和提升進行總體規劃。出臺一系列政策鼓勵年輕教師深入企業聯合參與課題研究，推薦具有博士學歷的年輕教師到企業中掛職鍛煉。同時，積極鼓勵教師外出參加課程研討班和技術培訓，學習其他高校相關課程的教學和實踐方法，并結合自身工程化的特色，對課程內容進行更新，以提高教師的工程實踐能力，為學生提供接觸企業生產實際與科技前沿、了解社會等機會，促進專業工程教育水平的提升。此外，為進一步加強學科人才培養，本專業還積極組織教師申請和落實產學研項目和橫向課題，到企業鍛煉與開展科技合作，加強對外交流與學習，把握工程前沿技術，在增強與企業合作的同時，也很好地培養了教師的工程實踐能力。

同時，與專業相關的企業建立產學研合作基地與創新實踐基地，并聘請具有豐富工程實踐經驗的企業工程技術人員為兼職導師，充分發揮實踐基地企業高水平技術專家及技術骨干的優勢，構建校企合作協同育人機制，共同開發符合企業生產實際的校企合作共建課程內容，用于本專業教學和創新實踐能力的培養，使學生全面了解和掌握本行業的發展現狀以及先進的生產技術工藝和設備等。

上述措施為《模具CAD/CAM》三位一體的教學模式的探索和開展提供了有力保障。

2.3 教學模式

教學環節以注塑模CAD/CAM章節為例，講述構建的“理論+虛擬仿真+實驗”課程體系。

由于課時壓縮，課堂學時較為緊張，部分章節的學習內容需要學生提前預習，借助學校數字圖書館的中國MOOC大學、超星泛雅及其他網上學習平臺進行預習。課前，讓學生復習專業課學過的注塑模結構設計等內容，并查閱文獻了解注塑模設計制造的最新研究現狀和發展趨勢，調動學生學習興趣和學習主動性。

課堂上，講解注塑模CAD/CAM概述及注塑模結構CAD等基礎內容，利用問題導入，讓學生對模具設計制造的最新技術和發展趨勢展開討論，鍛煉學生的綜述表達能力，激發學生思維。對學生的討論結果進行總結，向學生介紹當前行業所采用的模具CAD/CAM技術，激發學生的學習興趣，明確學習目的。

在上機課，利用UG NX 11.0進行簡單注塑模型芯及型腔部件的CAD設計演示。學生在先修課中已經學習了《計算機輔助設計（UG）》，具備UGNX的操作基礎。通過上機練習，可以較快地了解注塑模CAD/CAM，熟練掌握并通過UG NX 11.0軟件進行注塑模結構設計的流程，能夠利用建模模塊進行簡單的注塑模零件設計。給學生提供簡單的注塑模型腔零件，讓學生通過NX11.0的進行型腔零件的三維模型建模，鍛煉CAD設計操作能力。利用課上講解的知識，對該工件進行工藝分析和加工工藝設計，分析零件需要加工的部位，選擇加工方法，確定加工工序。借助UG NX 11.0的CAM模塊進行自動數控編程：導入自己建立的注塑模型腔零件3D模型，選擇合適的加工環境（如型腔銑），依次進行如下操作：創建加工程序和加工順序，便于管理工序；創建刀具并進行編輯，根據工藝設計結果，創建刀具并進行刀具參數設置；創建幾何，指定工件及毛坯的加工表面和加工范圍；創建加工方法，主要有粗加工、半精加工、精加工等，定義幾何邊界條件、切削余量、內外公差和進給速度等；隨后，根據工藝設計結果，創建操作生成刀路。讓學生通過2D和3D可視化直觀地對刀路進行檢查驗證，檢查無誤后進行確認，選擇合適的后處理器，對產生的刀軌進行后處理，生成并導出數控機床能夠識別的數控代碼。同時還需生成車間文檔。

在教學過程中，創新性的加入虛擬仿真過程。虛擬仿真練習過程采用斯沃數控系統仿真軟件。斯沃數控仿真軟件包含的操作面板和操作系統非常全面，還具備手動編程和導入程序模擬加工功能，可以使學生有數控機床操作的真實感和沉浸感，了解各種系統的數控車床、數控銑床及加工中心等操作。通過仿真練習過程，使學生達到實物操作的練習目的，同時能避免在操作不熟練的情況下損壞機床。學生將UG NX 11.0的CAM模塊導出的數控代碼導入斯沃數控仿真軟件的數控系統，加載待加工工件的三維模型，選擇合適的夾具進行裝夾，在虛擬數控系統上操作數控機床，進行模擬加工操作。虛擬仿真過程可以讓學生提前熟悉從生成數控代碼到機床加工的整個流程。最后，學生對操作系統和操作設備比較熟悉的前提下，通過實驗課，在工程實訓中心的數控機床上分組進行操作，加工出課堂上所設計的注塑模型腔零件。現場實驗教學是《模具CAD/CAM》課程中重要的授課環節，可以在現場解決學生提出的技術問題，引導學生觀察技術要點，現場講解與生產實際相關的技術基礎知識。學生通過機床實物操作，能熟練掌握所操作的數控系統，并能在數控機床上進行加工操作，處理加工和操作過程中出現的相關問題，加強理論與實踐能力。

2.4 評價體系

傳統教學模式下，期末考試是主要的考核方式。本校《模具CAD/CAM》2017舊版教學大綱的考核方式中，期末成績占比80%，實驗占比20%。隨著教學模式和教學方法的改革，課程考核模式也需要進行變革。根據課程設計要求和目標，以全面發展和注重差異為原則，針對學習內容建立一套評價科學、描述可觀、質量過程相結合，與“三位一體”新教學模式相適應的考核體系，如表1所示。新的考核體系，注重課程學習過程評價和最終評價相結合。其中，理論知識考核占比30%，將軟件和設備操作作為非常重要的考核部分，占比70%，重視學生創新實踐能力的培養和考核。該考核方式能夠比較全面地反映學生在理論學習、軟件操作和實操各個階段的學習情況，以便于在學期末進行課程分析和課程總結，對課程進行持續改進。

表1 “三位一體”教學模式的考核體系

3 結語

隨著社會和制造企業對專業技術人員創新實踐能力需求的不斷提高，高校應該不斷進行課程改革的探索和實踐，培養具有創新素質與工程實踐能力的技術人才。與《模具CAD/CAM》課程傳統教學模式相比，通過構建“理論+虛擬仿真+實驗”一體化專業培養模式，通過多種教學手段和平臺，挖掘學生的創新能力，激發學生的實踐能力，使學生具備扎實的理論基礎及企業所需的專業實踐技能。通過“三位一體”教學模式的探索與實踐，逐步構建一套注重學生創新實踐能力培養的教學體系，積累了一定的實踐教學經驗，為更多專業課程創新實踐能力的培養奠定了良好的基礎。

然而，“三位一體”教學模式仍有很多不足之處，需要不斷持續改進。主要存在如下問題：（1）課時不足，模具CAD/CAM軟件操作、數控系統操作及數控機床的實操都需要大量的練習時間才能熟練掌握，在學時被壓縮的前提下，如何協調優化各個教學環節是亟須解決的一個重要問題；（2）“三位一體”教學模式多樣，如何制定更為合理的教學計劃、項目設計和試驗計劃以有效地銜接各個教學環節，是另外一個需要解決的重要問題。