面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)的CAD/CAM技術(shù)基礎(chǔ)綜合案例設(shè)計(jì)與實(shí)施

付君健 杜 軒 周祥曼

三峽大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院 湖北宜昌 443002

1 概述

我國(guó)人才培養(yǎng)與科技創(chuàng)新資源豐富,有能力培養(yǎng)大批高層次應(yīng)用型人才。為了貫徹落實(shí)國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要,大力推進(jìn)全面育人的人才培養(yǎng)模式改革,需逐步發(fā)展并形成學(xué)校教育與產(chǎn)業(yè)深度合作的格局,實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)與企業(yè)生產(chǎn)、社會(huì)發(fā)展需要的精準(zhǔn)對(duì)接,既能讓學(xué)生鍛煉技能、提升服務(wù)水平,又為產(chǎn)業(yè)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供專(zhuān)業(yè)人才支持。

CAD/CAM技術(shù)基礎(chǔ)是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化等機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)的重要專(zhuān)業(yè)課程[1],其教學(xué)目的是培養(yǎng)學(xué)生了解、應(yīng)用和開(kāi)發(fā)各類(lèi)工業(yè)軟件的基本能力,以及從事產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和系統(tǒng)集成的綜合能力。CAD/CAM技術(shù)在工業(yè)場(chǎng)景中有廣泛應(yīng)用,非常適合作為面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)教學(xué)改革的突破點(diǎn)。在應(yīng)用型人才培養(yǎng)的新形勢(shì)下,傳統(tǒng)章節(jié)式教材和純理論式教法已無(wú)法滿足應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要[2-4]。因此,有大批學(xué)者對(duì)CAD/CAM技術(shù)基礎(chǔ)課程開(kāi)展教學(xué)改革研究,提出了虛擬仿真教學(xué)[5]、混合教學(xué)模式[6]和項(xiàng)目式教學(xué)方法[7-8]。分析可知,CAD/CAM基礎(chǔ)教學(xué)改革核心在于課程體系和教學(xué)方法的創(chuàng)新,而基于項(xiàng)目式的教學(xué)方法是目前主要的課程改革方向。而基于項(xiàng)目式教學(xué)的核心在于設(shè)計(jì)教學(xué)案例,教學(xué)案例的設(shè)計(jì)不可完全依賴工程項(xiàng)目,需在案例設(shè)計(jì)中體現(xiàn)技術(shù)的先進(jìn)性和理論知識(shí)的綜合性。

因此,結(jié)合應(yīng)用型人才培養(yǎng)和課程教學(xué)案例的設(shè)計(jì)要求,本文圍繞機(jī)械制造和工業(yè)軟件應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)了兩個(gè)綜合性案例,為了CAD/CAM技術(shù)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革提供了參考案例。

2 應(yīng)用型人才培養(yǎng)的課程建設(shè)要求

一是要重構(gòu)課程教育理念。應(yīng)用型人才要兼?zhèn)涓呱畹闹R(shí)素養(yǎng)和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力,傳統(tǒng)課程教育思想重理論、重書(shū)本,而應(yīng)用型人才培養(yǎng)需強(qiáng)化重應(yīng)用、重實(shí)踐,需在一定程度上改變“重學(xué)輕術(shù)”的教育觀點(diǎn),因此需要重構(gòu)課程理念來(lái)指導(dǎo)課程改革,解決高校教學(xué)和社會(huì)需求相脫節(jié)的問(wèn)題[9]。

二是要優(yōu)化課程教學(xué)大綱。針對(duì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)而言,僅依靠高校教師制定教學(xué)大綱無(wú)法實(shí)現(xiàn),要有針對(duì)性地吸納企業(yè)專(zhuān)家參與制定教學(xué)大綱。教學(xué)大綱應(yīng)由不同知識(shí)背景的專(zhuān)家參與制定,高校教師和企業(yè)專(zhuān)家都應(yīng)是教學(xué)大綱制定的核心成員,高校教師基于知識(shí)體系提出教學(xué)大綱的基本框架,企業(yè)專(zhuān)家從工程應(yīng)用角度給出教學(xué)大綱實(shí)踐環(huán)節(jié)的實(shí)施方案,實(shí)現(xiàn)教學(xué)大綱中理論基礎(chǔ)和實(shí)踐應(yīng)用的合理分配。

三是要改革課程教學(xué)方法。為了培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力,充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性。針對(duì)工科專(zhuān)業(yè),應(yīng)采用啟發(fā)式和互動(dòng)式的教學(xué)方法,如案例教學(xué)法、項(xiàng)目教學(xué)法、現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)法等。同時(shí),開(kāi)展“引企入教”的教學(xué)改革研究,以高校老師教學(xué)為主體,引導(dǎo)企業(yè)教師深度參與課程的教學(xué),以多種方式參與建立專(zhuān)業(yè)課程的教學(xué)機(jī)制,如課程規(guī)劃、教材開(kāi)發(fā)、教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)考核等,促進(jìn)企業(yè)需求融入專(zhuān)業(yè)課程的教學(xué)環(huán)節(jié)。支持和鼓勵(lì)企業(yè)專(zhuān)家擔(dān)任課程的企業(yè)指導(dǎo)教師,推行融合企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的應(yīng)用型人才培養(yǎng)教學(xué)模式。

四是要完善課程評(píng)價(jià)機(jī)制。應(yīng)用型人才的培養(yǎng)需建立一套與課程相呼應(yīng)的課程評(píng)價(jià)機(jī)制。改變課程成績(jī)的評(píng)定方式,降低試卷考試成績(jī)的占比,提高案例和項(xiàng)目考核的成績(jī)占比。強(qiáng)化學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程評(píng)價(jià),階段性地開(kāi)展案例和項(xiàng)目分享與展示。在階段性考核評(píng)價(jià)過(guò)程中,采用項(xiàng)目報(bào)告和答辯的形式,采用小組互評(píng)、老師參評(píng)的形式,提高學(xué)生在考核過(guò)程中的參與程度,讓學(xué)生學(xué)會(huì)主動(dòng)思考和解決復(fù)雜工程問(wèn)題,考查學(xué)生對(duì)知識(shí)的應(yīng)用能力,以及理解、判斷、分析和表達(dá)的能力。

3 應(yīng)用型人才培養(yǎng)的課程案例設(shè)計(jì)要求

在課堂教學(xué)中借助案例庫(kù)有助于學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握,也能幫助學(xué)生將理論與工程實(shí)踐相結(jié)合,培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用理論知識(shí)解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。因此,CAD/CAM技術(shù)基礎(chǔ)課程的案例庫(kù)設(shè)計(jì)應(yīng)符合以下要求。CAD/CAM技術(shù)基礎(chǔ)課程涉及機(jī)械工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、力學(xué)和數(shù)學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí),與機(jī)械工程實(shí)踐緊密結(jié)合,在案例庫(kù)建設(shè)過(guò)程中應(yīng)首先注重案例的綜合性。在課程案例設(shè)計(jì)中應(yīng)避免教師主導(dǎo),通過(guò)在案例實(shí)施過(guò)程中教師與學(xué)生互動(dòng),激發(fā)了學(xué)生自主思考和自主學(xué)習(xí)。案例的設(shè)計(jì)應(yīng)與工程實(shí)際緊密貼合,圍繞CAM/CAM工業(yè)軟件的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì),讓學(xué)生開(kāi)拓了學(xué)術(shù)和工程視野,既能學(xué)以致用,又能為科學(xué)研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 綜合案例設(shè)計(jì)

基于案例設(shè)計(jì)要求,本文設(shè)計(jì)了CAD/CAM技術(shù)基礎(chǔ)課程的兩個(gè)綜合性案例。

4.1 齒輪CAD/CAM綜合案例

針對(duì)機(jī)械制造應(yīng)用領(lǐng)域,提出了齒輪CAD/CAM綜合案例。如下圖所示,圍繞CAD/CAM技術(shù)基礎(chǔ)課程中的核心理論教學(xué)內(nèi)容,如數(shù)據(jù)處理、圖形處理、幾何建模、工程分析、工藝設(shè)計(jì)、數(shù)控加工等,與實(shí)際工程項(xiàng)目中的齒輪參數(shù)化、漸開(kāi)線生成、齒輪三維建模、齒輪加工分析、齒輪加工工藝、齒輪數(shù)控編程等進(jìn)行結(jié)合,設(shè)計(jì)了以齒輪CAD/CAM為應(yīng)用場(chǎng)景的綜合案例。

(a)數(shù)據(jù)處理 (b)圖形處理 (c)幾何建模

(d)工程分析 (e)工藝設(shè)計(jì) (f)數(shù)控編程齒輪CAD/CAM綜合案例設(shè)計(jì)圖

(1)在數(shù)據(jù)處理章節(jié),設(shè)計(jì)齒輪的參數(shù)化程序,實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)齒輪的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與調(diào)用。

(2)在圖形處理章節(jié),通過(guò)圖形處理的平移和旋轉(zhuǎn)基本變化,融合復(fù)合變換技術(shù),從齒輪齒條嚙合揭示齒輪漸開(kāi)線的生成原理。

(3)在幾何建模章節(jié),基于三維建模軟件,研究漸開(kāi)線直/斜齒輪的三維模型的參數(shù)建模技術(shù)。

(4)在工程分析章節(jié),建立齒輪銑削的有限元接觸分析模型,揭示齒輪在加工過(guò)程中的受力與變形情況。

(5)在加工工藝章節(jié),基于極坐標(biāo)變化和圖形變化技術(shù),設(shè)計(jì)齒輪的粗加工和精加工工藝過(guò)程文件。

(6)在數(shù)控編程章節(jié),基于圖形變化技術(shù)將齒輪漸開(kāi)線生成的復(fù)合變化進(jìn)行分解,形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸和兩個(gè)直線軸的復(fù)合運(yùn)動(dòng)方程,并編寫(xiě)齒輪漸開(kāi)線生成的G代碼,并在數(shù)控加工軟件中進(jìn)行加工仿真。

通過(guò)設(shè)計(jì)齒輪CAD/CAM綜合案例,將本課程六個(gè)核心章節(jié)進(jìn)行串聯(lián),學(xué)生在完成綜合案例的過(guò)程中,既掌握了實(shí)際工程應(yīng)用中的知識(shí)和技能,又培養(yǎng)了解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

4.2 工業(yè)軟件開(kāi)發(fā)綜合案例

針對(duì)工業(yè)軟件開(kāi)發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域,提出了工業(yè)軟件開(kāi)發(fā)綜合案例。圍繞本課程中圖形處理、幾何建模、工程分析、數(shù)控加工等核心章節(jié),與Python語(yǔ)言編程結(jié)合,將工業(yè)軟件開(kāi)發(fā)中的圖形變換、CAD技術(shù)、CAE技術(shù)和CAM技術(shù)進(jìn)行融合,設(shè)計(jì)以工業(yè)軟件開(kāi)發(fā)為應(yīng)用場(chǎng)景的綜合性案例。

(1)在圖形處理章節(jié),以CAD軟件中常用的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、鏡像等功能為啟發(fā),教授學(xué)生如何通過(guò)Python程序語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)CAD軟件的相關(guān)操作。

(2)在幾何建模章節(jié),對(duì)CAD軟件的核心模塊—幾何內(nèi)核進(jìn)行講解,基于OpenCASCADE開(kāi)源幾何內(nèi)核,進(jìn)行CAD軟件開(kāi)發(fā)實(shí)踐教學(xué)。

(3)在工程分析章節(jié),以牛頓定律、胡克定律為基礎(chǔ),講授基于彈簧元的有限元理論及建模,并通過(guò)Python語(yǔ)言編程,實(shí)現(xiàn)較基礎(chǔ)的有限元模型的建立與求解。

(4)在數(shù)控編程模塊,依然基于OpenCASCADE開(kāi)源幾何內(nèi)核,通過(guò)應(yīng)用布爾運(yùn)算技術(shù),實(shí)現(xiàn)CAM技術(shù)中被加工模型的實(shí)時(shí)生成與可視化。

工業(yè)軟件開(kāi)發(fā)綜合案例涉及工業(yè)軟件中常用的基本功能,可揭示工業(yè)軟件開(kāi)發(fā)的神秘性,讓學(xué)生對(duì)常用軟件的基本原理有更深入的理解,掌握軟件開(kāi)發(fā)的基本知識(shí)和技能。

5 綜合案例教學(xué)實(shí)施

5.1 課前準(zhǔn)備

針對(duì)兩個(gè)綜合案例,在進(jìn)行教學(xué)環(huán)節(jié)之前需有一定的知識(shí)儲(chǔ)備和工具準(zhǔn)備。在知識(shí)儲(chǔ)備方面,學(xué)生需完成先修課程的學(xué)習(xí),包括Python程序設(shè)計(jì)、機(jī)械制圖、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造基礎(chǔ)等。在軟件工具方面,需對(duì)常用的三維CAD/CAE/CAM軟件有一定了解,申請(qǐng)相關(guān)軟件的學(xué)生版或教育版授權(quán),并安裝Anaconda和PyCharm集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。

5.2 教學(xué)實(shí)施

(1)引導(dǎo)案例展示:以齒輪加工機(jī)床、重型鍛壓設(shè)備及其關(guān)鍵零部件為例,講解大模數(shù)齒輪加工技術(shù),以國(guó)產(chǎn)三維CAD軟件介紹為例,講解工業(yè)軟件基本功能及我國(guó)面臨的卡脖子難題,引導(dǎo)學(xué)生思考相關(guān)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的重要性。

(2)課程目標(biāo)講解:圍繞工程教育認(rèn)證課程目標(biāo)與畢業(yè)要求、教學(xué)內(nèi)容的對(duì)應(yīng)關(guān)系,對(duì)CAD/CAM技術(shù)基礎(chǔ)的課程目標(biāo)及內(nèi)涵進(jìn)行講解。例如,課程目標(biāo)1:了解復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中涉及的CAD/CAM技術(shù)的基本內(nèi)涵和功能,了解計(jì)算機(jī)軟硬件基礎(chǔ)知識(shí)與計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)基本方法;課程目標(biāo)2:針對(duì)復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析與制造等環(huán)節(jié),具備選擇和使用CAD/CAM工業(yè)軟件的能力,了解CAD/CAM工業(yè)軟件的開(kāi)發(fā)技術(shù)。

(3)課程任務(wù)解析:由于案例綜合性較強(qiáng),對(duì)兩個(gè)綜合性案例涉及的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行分解,將完成案例所需技術(shù)和課程理論教學(xué)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行逐一講解,對(duì)先修專(zhuān)業(yè)課程的重點(diǎn)知識(shí)和編程基礎(chǔ)進(jìn)行回顧,梳理案例實(shí)施過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

(4)軟件工具介紹:對(duì)本課程中涉及的CAD/CAE/CAM及Python編程軟件的基本功能進(jìn)行介紹,講述不同軟件在案例實(shí)施過(guò)程中的作用。由于學(xué)時(shí)限制,為學(xué)生提供相關(guān)軟件學(xué)習(xí)資源,引導(dǎo)學(xué)生課后自學(xué)軟件基本操作。

(5)考核方式講解:本課程更加注重對(duì)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的過(guò)程性考核,區(qū)別于傳統(tǒng)試卷考核的主導(dǎo)形式。本課程將以報(bào)告、答辯和考試的形式進(jìn)行考核,學(xué)生需在結(jié)課時(shí)提交實(shí)踐報(bào)告,并選兩個(gè)綜合案例之一進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)答辯,展示案例的實(shí)施過(guò)程,分析案例實(shí)施的結(jié)果。

結(jié)語(yǔ)

針對(duì)機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需求,以CAD/CAM技術(shù)基礎(chǔ)課程為對(duì)象,對(duì)教學(xué)案例設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究,提出了面向機(jī)械制造和工業(yè)軟件應(yīng)用領(lǐng)域的綜合性案例,給出了綜合性案例的教學(xué)實(shí)施辦法,培養(yǎng)學(xué)生了解、應(yīng)用和開(kāi)發(fā)各類(lèi)工業(yè)軟件的基本能力。