CAD/CAM技術課程案例庫的建設與應用

褚忠 梁嘉強 普俊偉 石云霞 吳興農

［摘 要］課程案例庫的建設，有利于促進研究生教學改革、提高研究生的綜合素養。文章基于綜合性、交互性和前沿性的原則，建立了包括汽車及摩托車行業零部件設計分析與解決方案、校企合作典型項目、企業工程技術人員成長典型案例和法律案例等12項CAD/CAM技術課程案例庫。實踐表明，案例庫的建設和應用激發了研究生的學習興趣，改善了CAD/CAM課程課堂教學效果，培養了研究生分析問題和解決問題的能力，促使教師到企業一線生產中實踐，進一步完善了校企合作模式。

［關鍵詞］研究生培養;案例庫建設;CAD/CAM技術

［中圖分類號］ G643.2 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2022）11-0074-03

教學案例庫由具有與課程大綱緊密聯系、典型的知識點和豐富的思政元素的教學案例組成。教學案例來源于行業生產實際中，具有整合課程知識、啟發學生思考和增進師生互動的作用。教學案例要具有綜合性、交互性和前沿性，能反映CAD/CAM相關的綜合技術和前沿進展情況，能促進研究生教學改革，是理論和實際相結合、個體和團隊相結合、學校、企業和社會相結合的產物。

一、CAD/CAM技術課程簡介

CAD/CAM技術課程服務于整個產品生命周期與開發全過程，內容包含三個主要部分：CAD、CAM和CAD/CAM系統的集成。課程重點講述CAD幾何建模的基本原理及方法、數據交換標準，CAM數控編程的原理及常用軟件、CAD/CAM/CAE系統的信息交換與系統集成以及3D打印技術和逆向工程技術。CAD/CAM技術課程的內容設置本科和研究生階段有所區別：本科課程偏重于實體建模、裝配以及工程圖的基本原理學習和軟件操作，側重于基本知識的積累；而在研究生課程中增加了CAD、CAPP、CAM信息的集成，以及CAD/CAM技術在不同行業的實踐應用，強調尋求知識的突破與創新，強調尋求真理、發現規律，從而培養研究生學會科學研究的方法，掌握科學研究的能力。

二、案例庫建設要求

隨著研究生招生規模的擴大，研究生的教學方式朝規范化、創新化方向發展。在課堂教學中，借助案例庫有助于研究生對理論知識的理解掌握，能幫助研究生將理論與工程實踐相結合。因此，研究生CAD/CAM技術課程的案例庫設計應符合以下要求。

（一）綜合性

CAD/CAM技術課程涉及機械工程、計算機圖形學、數控機床和軟件等多學科的知識，與工程實踐緊密結合，案例庫中的案例應具有創新性、典型性和客觀性。

（二）交互性

課程案例設計中增加的交互環節，能激發研究生思考和自主學習，給學生帶來更好的課堂體驗。交互方式可以是師生交互、學生之間的交互，通過“思”“辨”，碰撞新的思想火花。

（三）前瞻性

智能制造是多學科交叉產生的新技術。其中3D打印、逆向工程等技術與課程緊密相關，有助于學生開闊視野，了解國內外行業發展的新技術、新材料等，為課題研究和將來進一步深造打好基礎。這些案例內容與CAD/CAM課程大綱內容相關，又是從實踐中總結提取形成，不僅有助于激發研究生在校學習理論課程的興趣，促進其創新思維的產生，而且有利于挖掘個人研究興趣、盡早定位個人職業導向，提高研究生發現問題、解決問題的能力，讓研究生努力成為對社會有用的人才。

三、案例庫建設方案

CAD/CAM課程案例庫依托校企聯合“3D打印裝備與制造”實驗室開展，所有案例的素材取自工程實際和生產管理。案例內容以汽車、模具等行業中涉及的工程技術為主，兼有管理人才培養、技術開發引發的法律糾紛等案例，原創性案例達60％以上。

（一）案例庫來源

案例庫的建設是由教學、科研以及生產實踐中的項目開發、人才成長、法律糾紛等案例的匯總提煉形成的。案例來源于不同行業，包括汽車、通用機械、模具、物流等，這些案例具有好的前沿性和集成性，能通過圖片、動畫、音頻、視頻甚至VR的形式進行展示。

1.校企合作項目。參加案例庫建設的團隊成員由在校教師與企業工程師組成，校企合作致力于精密模具及3D打印技術跨學科的開發和應用。團隊成員將合作過程中產生的新技術、新材料和新方法進行篩選整理，按照規定的格式整理成案例庫。

2.工程領域案例。模具是制造行業的核心技術，模具企業被定位為人才、技術和設備密集型企業，目前模具工業正在朝著投資密集型的產業方向前進。因此，工程實際中可以編制案例的素材極其廣泛，如模具爆裂、模具表面疲勞受損、材料選擇、模具數控加工、金屬3D打印模具等。

3.前沿性案例。汽車、電子及模具是新材料、新技術集成應用較多的行業。專業學位研究生了解這些技術的最新動態能給自己的就業帶來幫助，也有利于盡早確定自己的發展方向，早日為社會做出貢獻。

（二）案例庫內容構成

CAD/CAM技術案例庫主要應用于機械制造、機電一體化、汽車與軌道交通等專業的碩士研究生專業課程教學，包括12個具體案例，其中工程案例5項、校企合作案例4項、人才成長案例2項、知識產權糾紛法律案例１項。表１為該案例庫的案例清單。

1.汽車及摩托車行業零部件設計分析與解決方案（4例）。此類案例通常與汽車及摩托車零部件逆向設計、輕量化設計、在線監測技術、加工設備密切相關。通過對此類針對產品設計方法及車間管理案例的講解，使研究生結合現代設計方法、數值模擬、在線監測等專業理論知識及分析手段，深刻理解企業生產技術及關鍵問題，促進研究生利用理論知識解決工程實際問題、提高工程素養和解決復雜工程問題的能力。

在CAD/CAM課程中，將逆向工程知識點融入案例“汽車零部件逆向設計與工藝庫建立”。該案例的主要內容是上海某企業開展乘用車競品逆向建模，選擇市場認可度高的車型，進行零部件的反求測量，具體包括覆蓋件建模、汽車車門焊接工藝數據庫建立、后視鏡建模、儀表盤等內飾件的建模等。該案例涵蓋了外觀設計、零部件結構設計、焊接工藝設計等知識點。其建立的數據庫將成為汽車新車型設計的參考依據，向各汽車制造公司推廣。在案例中，研究生要思考激光、白光等不同掃描儀的原理、使用場合、掃描精度以及逆向建模軟件的選擇、曲面擬合的方法和精度，同時要理解車門焊接工藝的重要性，及其對外觀和質量的影響。

2.模具行業典型案例分析（3例）。CAD/CAM應用軟件離不開數據庫，此處案例講解“NX軟件標準件庫建立與維護”。該案例取自西門子工業軟件（上海）有限公司，在NX軟件注塑模或級進模模塊中，定制開發模具標準件庫。標準件庫的內容可以是國標、行標或企業標準。這些標準件在動車、汽車等行業廣泛使用，可以極大提高工程師設計進度，降低重復勞動強度。通過這些案例，引導學生建立“標準化”的設計理念。在模具行業中，標準化有助于提高效率，同時，模具標準件公司（例如香港的龍記集團）制定模架、頂桿、水道等標準件，便于行業內模具公司采購和使用。另外，如果高科技企業建立行業標準化，將引領行業發展，比如我國的華為技術有限公司，在“5G”領域建立標準，并使之成為國際標準，真正成為“超一流”企業。

較大的模具公司的模具加工刀具將占據較大的成本。如何降低刀具購買、保管、領用等成本，涉及公司內部合理的管理措施。青島海爾模具有限公司建立了“刀具超市”，大大降低了這方面的成本。其具體做法是：首先，與目前的刀具供應商溝通，確定3～5家規模大、質量好的公司，然后讓這些公司進駐青島海爾模具有限公司，并至少保證2～3天所需的刀具庫存量；其次，車間機床、刀具管理團隊，每日統計第二天所需刀具的種類、數量，在操作員上班之前，從刀具超市“購買”刀具，并將所用刀具放置在各自工位；最后，青島海爾模具有限公司定期與刀具供應商結清刀具費用。實踐證明，這種創新的“刀具超市”模式，降低了公司運行成本（提前購買刀具）、管理成本（刀具保管）和使用成本。該案例在于引導學生建立創新的管理方法，促進公司“開源節流”，提高企業經濟效益。

3.校企合作典型項目分析（4例）。校企合作不僅是學校與企業之間的合作，也是學生與教師、企業工程師之間的合作。據統計，80％以上的碩士研究生畢業后會進入企業工作。一方面，通過這些案例的學習，可以使研究生在校時學會團隊協作，畢業后可很快地融入企業的工作團隊中。同時，研究生經過實踐鍛煉，各方面的能力得到提高，可反哺母校，繼續與母校合作，形成傳幫帶的良性循環。校企合作的目的是多贏，學生（校友）在此過程中將獲得更多鍛煉與發展的機會，學校、企業及學生本人都將受益。此類案例涉及工程技術、政府政策、項目管理、交流溝通等多方面的問題，是培養研究生宏觀管理和適應社會能力的有效措施。

上海應用技術大學與上海存知光電科技有限公司建立校企合作，成立了“3D打印裝備與制造技術”聯合實驗室，開展3D打印新材料開發，在實驗室制備夜光絲材、香味絲材，經過一系列的實驗分析（力學性能、微觀組織等），下一步將進入量產階段。研究生在這個新材料開發過程中起到了至關重要的作用，他們通過跨學科知識的學習、校內外實驗及結果分析、3D打印材料市場調研，經歷了新產品的開發、生產過程，真正實現了自身綜合能力的提升。

4.企業工程技術人員成長典型案例（2例）。杰出校友是學校的寶貴資源。可以邀請這些校友為師弟師妹做講座，引導在校學生扎根企業生產一線，從而讓他們形成腳踏實地的工作作風；杰出校友的工作成就和社會貢獻也將激勵研究生投身科技工作，擔當社會建設的使命。

將杰出校友的成長歷程匯總形成案例，講述他們從技術崗位到管理崗位、從工程師到創業當老板、或是從政過程的酸甜苦辣，樹立在校學生為企業、為行業、為社會做貢獻的抱負，以科技工作者腳踏實地的工作作風和團結協作的工作態度，實現個人價值到社會價值的轉變。在課程教學中，教師可以通過這種典型人才的成長案例，激發學生的奮斗意志，讓學生樹立對專業和工程技術的信心，努力將自己逐步培養成卓越工程師。

5.典型法律案例分析（１例）。本案例講述了一個模具公司由于技術問題引發的法律糾紛案件。公司購買標準的注塑模熱流道系統，后因試模過程反復修改流道結構，而最終延誤交貨日期，產生了合同逾期賠款。該案例不僅涉及企業管理與法律問題，同時涉及多方面的技術問題。該案件為研究生展示了模具行業上下游供應鏈的組成及相互協作過程。通過分析該案例可以教育研究生如何合理協調生產過程的技術問題與企業契約的關系，以及出現問題后的最優解決方案，以免“贏了官司、丟了客戶”。

以上這些案例既與CAD/CAM技術課程的重點內容緊密關聯，又是工程實際的延展，將為什么要學、學什么和怎么學統一起來。案例庫中每個案例各有側重點，可滿足案例與教材內容間關聯性的要求，使各知識點在實踐中得到應用，在應用中得到升華。

四、案例呈現形式

將CAD/CAM技術案例庫中的每個案例整理成三個個文件：案例描述、案例講義和案例使用說明，案例以文本方式為主，穿插圖片、數據、視頻錄像等，甚至嵌入AR/VR形式的內容。

教師在授課過程中可以通過學習通、雨課堂等教學平臺直接使用這些案例，也可將案例內容重新整理形成具有自己風格的講義或PPT課件，授課方式可通過線上/線下混合模式，授課教師講授重點知識和邏輯步驟，學生進行閱讀、問題分析和討論。

五、教學實施方法

通過將不同的案例庫素材與CAD/CAM技術課程內容結合應用，強化單一知識點的掌握，利用綜合案例促進學生綜合能力的提高。

（一）知識點案例與課程章節相結合

CAD部分的幾何建模是后續環節（有限元分析、CAPP、數控加工等）的基礎，在講述這部分內容時，將逆向工程、輕量化設計和標準件庫等單一知識點案例穿插其中，讓學生樹立產品優化設計、正逆向混合設計、拓撲優化輕量化設計等理念，將軟件工具與現代設計方法相結合，提高自身的產品設計綜合能力。

（二）以PBL+案例庫模式開展綜合型案例分析

PBL教學模式將提出問題、分析問題、解決問題整個教學過程置于具有實際背景的情境中，將綜合案例庫素材應用在CAM部分，通過3D打印工藝、新材料開發與應用，促進學生對智能制造系統的理解。

（三）強調學生在教學過程的主體作用

教學過程中應發揮研究生的主體作用，有效提升學生運用知識、獨立分析問題和合作解決問題的能力，通過分析、交流討論，提高CAD/CAM技術課程的教學質量，使案例化、項目化教學法發揮其應有的價值。

六、結論

案例庫的建設和應用，改善了CAD/CAM課程的課堂教學效果，激發了研究生的學習興趣，培養了研究生分析問題和解決問題的能力。同時，案例庫的建設，也使校企合作模式得到進一步完善，促使教師到企業一線生產中實踐，有利于校企合作項目的升華。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 陶海軍，張國澎，鄭征，等. 專業學位研究生課程教學案例庫建設探討[J].教育教學論壇，2020（18）：324-325.

[2] 林高用，王德志，李慧中，等. 研究生課程教學案例庫建設與應用[J].中國冶金教育，2020（2），66-69，74.

[3] 周麗萍，朱和軍，陳俊，等. 基于項目化教學法CAD/CAM/CNC一體化案例開發和運用[J].實驗科學與技術，2013（4）：92-96.

[4] 孫瑛，程文韜，朱文瓊，等.基于校企聯合協同中心的機械工程研究生培養模式創新研究[J].教育教學論壇，2018（16）：31-33.

[5] 趙國生，廖祎瑋，共玉妍，等. 淺談PBL教學模式在研究生教學中的應用[J].高教論壇，2020（6）：102-103.

[6] 褚忠，華福文，林海龍，等. 3D打印教具在模具CAD/CAM中的應用研究[J].大學教育，2019（7）：89-91.

[7] 褚忠，朱帝成，華福文，等. 基于3D打印實踐平臺的大學生創新能力培養[J].大學教育，2017（12）：164-166.

［責任編輯：陳 明］