高職機械CAD/CAM應用課程教學改革探討

摘 要：機械CAD/CAM應用課程是當前裝備制造類專業開設的一門專業核心課程，主要培養學生分析和解決具體工程實踐問題的能力，學生通過對本門課程的學習不僅可有效地提升自身專業水平，還為后續課程的學習奠定了良好的基礎。本文對機械CAD/CAM應用課程進行闡述，并對教學內容進行重構，為本專業其他課程提供了可復制、可借鑒的方法。

關鍵詞：機械CAD/CAM 教學改革

1 緒論

隨著計算機技術和信息技術的發展，CAD/CAM技術在制造業中得到了廣泛應用，CAD/CAM技術也在不斷地發展和完善，同時對傳統的產品設計以及制造模式帶來了很大的變化，目前我國正由制造大國邁向制造強國，它的應用也成為制造業科技現代化和工業現代化的衡量指標之一[1]。工業的現代化發展也需要大批量制造應用技能型人才，因此加強高等職業院校CAD/CAM技術人才的培養迫在眉睫，通過對數字化設計與制造的機械CAD/CAM應用課程教學內容的重構，從而提高專業人才培養質量，不斷提升學生的CAD/CAM應用能力[2]。

機械CAD/CAM應用是我院機械制造及自動化專業開設的一門專業核心課程，主要面向工裝設計崗位，對接機械零部件輔助設計、制造行動領域。通過本課程的學習，學生初步掌握機械CAD/CAM的基本原理、基本方法、基本技能，學會簡單零件的造型方法，結合所學專業知識，正確分析工藝，選擇合適軌跡生成方法、生成加工程序并操作數控機床完成零件的加工，培養學生分析和解決具體工程實踐問題的能力，養成嚴謹、一絲不茍、精益求精的大國工匠精神。

2 傳統教學存在的不足

2.1 教學內容陳舊

隨著科技的飛速發展和行業需求的不斷變化，機械CAD/CAM應用課程部分課程內容不能及時與目前最新的技術和行業發展趨勢跟進，如企業中使用的逆向建模、虛擬仿真加工、超精密加工技術等應用，導致學生學到的知識與企業實際應用之間存在一定的差距，不能及時跟進瞬息萬變的市場需求，主要表現在新知識、新技術、新方法在教學中滯后，缺乏對前沿技術和軟件工具的介紹，不利于全面培養學生的創新意識，如云計算、大數據等現代信息技術在CAD/CAM領域的應用[3]。

2.2 教學方法單一

傳統的教學模式主要以教師講授為主，學生只是被動地接受知識，課堂缺乏教師與學生互動，限制了學生的創新性，不利于激發學生的學習興趣和主動性。教學過程中缺乏企業案例教學和項目驅動式教學，使學生難以將課堂所學的理論知識應用于企業實際問題解決。

2.3 實踐動手操作能力不足

由于學生人數多，實訓場所設備、場地等條件的限制，學生往往只能在課堂上進行實踐操作，課后不能保證足夠時間的訓練，且目前大多上機操作為驗證性項目，無法提高操作技能，不利于創新能力的培養。實踐項目與企業實際案例存在脫節，無法讓學生體驗到完整的工業產品設計與制造全流程。

2.4 考核方式單一

傳統的考核方式大多以期末考試作為主要評定依據，忽視過程性考核，不能全面評價學生的實際操作能力和創新思維。缺乏發展性評價理念，不能全面評價學生整體學習效果和綜合能力，無法評價學生團隊協作能力、問題解決能力等[4]。

3 教學改革方案

機械CAD/CAM應用課程以三維實體造型、機械零件產品虛擬裝配、二維工程圖設計以及數控編程加工為知識目標，以三維設計軟件進行數字化建模，模型裝配、生成二維工程圖、進行虛擬仿真加工、數控加工為能力目標。針對傳統教學存在的不足，進行以下教學改革。

3.1 精選教學內容，完善教學資源

3.1.1 凸顯能力導向，重構課程內容

在調研裝備制造企業的基礎上，以職業能力崗位需求為導向，項目化教學內容為依據，職業院校技能大賽“數字化設計與制造”、先進成圖技術與產品信息建模賽項任務為載體，“1+X”機械產品三維模型設計職業技能等級標準為目的，引入新材料、新工藝、新技術，通過剖析工裝設計崗位相關技能點、職業技能大賽“數字化設計與制造”賽項任務和“1+X”機械產品三維模型設計職業技能等級證書考核點，對傳統的知識體系進行重構，將計算機輔助制造納入課程內容，培養學生根據零件特征分析正確工藝路線、選擇合適刀具、確定合理加工參數，選擇合適軌跡生成加工刀路、生成加工程序并選擇合適的數控機床進行零件加工，將課程內容重構為：草圖設計及基準特征的建立、三維典型零件繪制及特征編輯操作、曲面造型設計、裝配設計、工程圖、數控加工自動編程與操作等6個學習項目，20個學習任務。

3.1.2 緊跟技術前沿，更新課程資源

堅持“動態+定期”更新課程資源，按照學期總結完善、學年診斷改進，有效保證了課程內容符合企業實際崗位需求。學期總結完善是根據藍墨云平臺反饋信息和學生期末成績分析，對本輪教師在教學實施過程中進行總結，對存在的問題及時改進，不斷完善教學內容，豐富教學資源；同時確定了以計算機輔助設計-制造為主線進行實訓項目更新。開發工單式學習手冊，整理和完善相關的信息化教學資源，修訂新的實訓項目任務書，為教學實踐創新做好準備。

3.2 改革教學方法，激發學習興趣

3.2.1 創新教學模式，提升教學效果

機械CAD/CAM課程共計72學時，含理論教學、實踐教學各36課時，在專業理實一體化機房完成教學，為機械制造及自動化專業三年制大專二年級第一學期開設，堅持以學生為主體，教師為主導的教學理念，采用項目引領、任務驅動、案例分析、小組討論等多種靈活的教學方法，開展多元化評價方式。

依托豐富的課程資源、以中國大學慕課網、智慧樹等學習平臺為支撐，利用“藍墨云班課”平臺，教師課前在平臺上上傳課程資源，發布提醒，運用知識點測試掌握學生的預習情況，學生可隨時隨地進行預習；課中教師對教學重難點進行講解，可設置頭腦風暴、搶答、游戲等形式對學生的學習效果進行測試，對大多數學生不易掌握的理論知識點可進行反復強化訓練；對實訓完成情況實行組內評價、組間互評、教師評價等方式；課后教師發布作業、拓展學習內容，實現了線上線下混合式教學模式，在教學過程中體現了以學生為主體、教師為主導的教學理念。

在教學過程中，采用“導-探-學-拓”教學模式，遵循認知、拓展、實踐三個階段，以典型工作任務-減速器測繪為主要任務，按照任務導入-新知探知-項目學練-課后拓展的實施模式，通過“情境導入-目標分析-任務實施-過程考評”的教學過程設計，依托數字化課程資源、課程教學平臺、數控仿真軟件、數字孿生實訓平臺，開展理虛實一體化教學，使學生自己探索新知，自己感悟、練習，然后在探索的基礎上學習教學重點，在實踐的過程中發現難點，經過教師引導后攻克難點，最后總結提升，全方位提升課程教學質量。采用網絡教學手段、仿真業務實訓手段，提高課堂教學信息處理量，使教學能夠圖文并茂，激發學生的學習興趣，提高學生主觀能動性與學習熱情。

3.2.2 強化育人理念，融入課程思政

在教學過程中，將思想政治教育與專業課程教學相結合，一是制定課程標準時，要充分考慮思想政治教育的要求，以“樹自信-立規矩-辨真理-求嚴謹-勵精益-激情懷”為主線，融入課程目標、教學內容、教學方法等方面；二是及時運用案例分析、小組討論、任務驅動等教學方法，將思政貫穿于教學設計、課程建設、教學實施、考核評價，激發學生的學習興趣，引導學生主動思考，培養學生的批判性思維和創新能力。三是教學實施過程中，以隱性教育為主、顯性教育為輔，運用代入法、沉浸法，做到“理論到位、事實到位、情感到位”，達到“技能報國”思政教育目標。

3.3 強化實踐訓練，提升應用能力

立足陜西裝備制造業，基于計算機輔助設計、制造崗位能力分析，按照“能力為本，需求為準，實用為度”的原則，參照“機械產品三維模型設計”“多軸數控加工”1+X證書標準，構建了以軸類、盤套類、箱體類、葉片類等典型零件設計加工為載體的課程內容，凸顯“零件設計-產品裝配-自動編程-仿真加工”核心技能培養。

在機械CAD/CAM的教學過程中，強化學生實踐能力的培養，設置更多的實驗課程和實訓項目。上機以企業實際案例為主，掌握三維軟件常用技巧、三維實體造型、零件加工工藝編制、數控加工程序編寫方法與命令，使學生熟練掌握機械零件的實體造型、虛擬裝配和數控加工程序的編制，并通過后處理，生成的NC代碼導入數控機床，進行實體加工，從而讓學生在實踐中加深對理論知識的理解，對實踐操作技能的訓練。

3.4 改革考核方式，采用過程化評價

考核評價是檢驗學生學習效果的一種手段，作用是引導、激勵、評價、反饋，根據考核評價結果對學習情況進行診斷改進，強化過程性考核，弱化試卷考核，以培養操作能力為目標，采取實踐動手操作能力、創新設計能力評價，定性與定量、平時考核與期末考核相結合的考核方式評價體系，最終成績評價如下：平時考核占60%，包含考勤（10%）、作業（10%）、課堂表現（10%）、上機實踐（30%）；期末考核占20%；大作業成績占20%。通過改革考核方式，培養學生養成良好的創新意識，提高學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，為參加創新創業大賽和產品開發設計能力提供基礎，可全面地考核學生的知識、技能、素質目標的達成度[5]。

4 課程教學改革實踐案例

以直齒圓柱齒輪一級減速器齒輪軸為例，對教學進行實踐改革，齒輪軸的CAD/CAM結構如圖1所示。

齒輪軸可實現動力和扭矩的傳遞，廣泛應用于機械、汽車、航空等領域，其包含齒輪和軸兩部分，軸的加工可在數控車床上進行加工，直齒圓柱齒輪加工的難點在于其高精度的要求、復雜的加工工藝、刀具的選擇和刃磨、熱處理和表面處理以及嚴格的質量檢測，需要通過數控銑床進行加工。齒輪軸的三維實體造型如圖2所示。齒輪軸CAD/CAM是機械制造及自動化專業課程設計的典型任務，也是設計減速器的主要零部件。

齒輪軸的CAD/CAM主要包含齒輪軸的結構分析和三維建模、加工工藝過程分析、生成刀具軌跡、加工仿真、后處理四個階段。涵蓋了旋轉、齒輪參數化設計、對刀、加工參數設計、動態仿真加工、后處理等相關知識。

對齒輪軸的結構進行分析，根據其特征確定加工工藝流程：

（1）進行車削回轉體基本結構；

（2）外形粗加工；

（3）齒輪加工粗加工；

（4）軸和齒輪精加工。

加工齒輪時由于其工藝較為復雜，在參數設計時應注意刀具軌跡的規劃，從而保證齒輪加工質量及加工刀路。如圖3所示。

將齒輪軸零件刀具路徑通過后處理器，生成該機床所能識別的NC程序代碼，并導入機床進行虛擬仿真加工，檢查無誤后，在機床上進行實體加工。結合減速器工作條件要求，考慮安全性以及經濟性，選用45#鋼為加工材料進行整體加工[6]。如圖4所示。

在教學過程中，將生產實際中的典型任務與理論知識相結合，在任務實施的各階段，細化具體內容，針對齒輪參數化設計等教學難點，采取強化訓練、虛擬仿真加工等教學手段有效突破，以小組匯報、組內自評、組間互評、教師評價等形式從三維參數化建模、刀具路徑設置、數控加工程序的編制、虛擬仿真加工、實物加工的全過程，充分體現以教師為主導，學生為主體的教學理念。

機械CAD/CAM應用培養學生掌握現代機械設計與制造領域的核心技術，提升其工程實踐能力和創新意識，綜合運用計算機手段完成產品研發、工藝編制、加工過程仿真和系統集成的能力，能夠分析、解決問題，全面提升學生在機械設計與制造領域的專業素養、實踐能力和創新精神，為其未來從事相關工作奠定堅實的基礎。

基金項目：本文系漢中職業技術學院2023年度院級教育教學改革研究項目“《機械CAD/CAM應用》教學改革實踐研究”（2023YJE07）成果；教育部供需對接就業育人項目“漢中職院-北京精雕”機械制造專業訂單班人才培養模式研究（2023122759590）成果；陜西省職業技術教育學會2023年度立項課題“機械制圖課程思政建設與實踐”（2023SZX127）成果。

參考文獻：

[1]于斐，劉光明.機械CAD/CAM技術課程的教學改革與實踐［J］.機械設計與制造，2022（8）：263-264.

[2]黃世銀.機械CAD/CAM技術課程教學改革與創新探析［J］.機械管理開發，2022（2）：302-303.

[3]李宇，趙博宇. 基于數字化設計與制造的機械 CAD/CAM應用課程教學體系構建研究［J］.輕工人才，2022（11）：254-256.

[4]巴寶蓮.“1+X”證書制度下高職CAD/CAM［J］.機械工程與自動化，2022（2）：198-200.

[5]郭佳玲.《機械 CAD/CAM》課程思政育人效果評價體系構建［J］.汽車教育，2023（3）：41-43.

[6]李偉.OBE理念下的 CAD/CAM 技術課程教學改革研究——以鄭州科技學院機械設計制造及其自動化專業為例［J］.教改探索，2021（11）：71-72.