唐通鳴　鄒 帥南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院　江蘇南通　226019

機(jī)械類應(yīng)用型本科生數(shù)字化制造創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實(shí)踐與探索

唐通鳴鄒 帥
南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院江蘇南通226019

簡要介紹了數(shù)字化制造技術(shù)的范疇，提出了“一條主線、節(jié)點(diǎn)并行、學(xué)生自主、重在實(shí)踐”的機(jī)械類應(yīng)用型本科生數(shù)字化制造創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)思路，論述了機(jī)械類專業(yè)人才數(shù)字化制造創(chuàng)新能力培養(yǎng)課程體系設(shè)置及實(shí)施等方面內(nèi)容。通過多年的實(shí)踐與探索，學(xué)生的數(shù)字化制造創(chuàng)新能力明顯提高。

機(jī)械應(yīng)用型本科學(xué)生；數(shù)字化制造技術(shù)；創(chuàng)新能力培養(yǎng)

21世紀(jì)，我國全面構(gòu)建創(chuàng)新型國家，創(chuàng)新型國家形成的基石和根本在于創(chuàng)新教育。如何將創(chuàng)新理念全面注入工科教學(xué)體系中，已成為探索性的課題。在人才培養(yǎng)過程中，需要激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新熱忱，培養(yǎng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)能動(dòng)性。要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，需要用啟發(fā)性的思維方式來改革人才培養(yǎng)模式，變革人才教育思路。從學(xué)生對(duì)于事物的認(rèn)知和最原始的思考順序出發(fā)，沿著創(chuàng)新的思維變化主線，進(jìn)行課程布局和課程銜接。

目前，基于數(shù)字化的產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)是機(jī)械類應(yīng)用型本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要內(nèi)容，在機(jī)械行業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用。數(shù)字化制造技術(shù)憑借其優(yōu)越性已占據(jù)了很大領(lǐng)域。給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了巨大沖擊，同時(shí)給高校機(jī)械類專業(yè)人才培養(yǎng)工作帶來了挑戰(zhàn)。為了順應(yīng)數(shù)字化制造技術(shù)變革，提高學(xué)生產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力已成為培養(yǎng)機(jī)械類學(xué)生的重要課題。[1]

1　數(shù)字化制造技術(shù)的范疇

1.1CAD—計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，在數(shù)字化制造技術(shù)中具有重要的地位，CAD已不單單是計(jì)算機(jī)輔助繪圖的簡稱，而帶有數(shù)字化制造技術(shù)所賦予的創(chuàng)造性，變身為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。不再僅僅拘泥于輔助繪圖，而是三維造型、分析、優(yōu)化的設(shè)計(jì)技術(shù)的綜合應(yīng)用。

1.2CAE—計(jì)算機(jī)輔助工程分析

計(jì)算機(jī)輔助工程分析包括機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析和有限元分析。有限元分析能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)構(gòu)，元器件，機(jī)械裝備的線性、非線性、靜態(tài)、動(dòng)態(tài)力學(xué)分析；可以實(shí)現(xiàn)熱場、電場、磁場等場的分析；還能實(shí)現(xiàn)頻率響應(yīng)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。這對(duì)于本科學(xué)生鍛煉數(shù)值模擬，數(shù)據(jù)分析能力很有幫助。

1.3CAM—計(jì)算機(jī)輔助制造

計(jì)算機(jī)輔助制造是數(shù)字化制造技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，要求本科生能夠根據(jù)CAD圖紙中的尺寸和要求或完成的三維造型編輯生成零件加工的數(shù)控代碼，并通過數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)零件的精密加工。

1.4RE—逆向工程技術(shù)

逆向工程也叫逆向設(shè)計(jì)，是相對(duì)于正向設(shè)計(jì)而言的，正向設(shè)計(jì)是從無到有的過程，而逆向工程則是參照原有的物體進(jìn)行逆向產(chǎn)品的開發(fā)，Imageware以及Geomagic是常用的兩種工具。本科教學(xué)中不僅要培養(yǎng)正向思維，而且應(yīng)該讓學(xué)生反其道行之，從已有的機(jī)械產(chǎn)品出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)與二次創(chuàng)造。

1.5RP—快速成型

快速成型技術(shù)近年來在制造領(lǐng)域較為流行，與數(shù)控技術(shù)有著相同的地位?？焖俪尚湍依薈AD、機(jī)械工程、激光技術(shù)、材料技術(shù)等方面，可將已完成的三維造型直接輸出從而得到快速成型產(chǎn)品，繼而可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行快速輸出、快速修改及快速試驗(yàn)，大大縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。[2，3]

2　機(jī)械類專業(yè)人才數(shù)字化制造創(chuàng)新能力培養(yǎng)教學(xué)體系設(shè)置

機(jī)械類專業(yè)人才數(shù)字化制造創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，不單是軟件操作使用教學(xué)，或簡單地開設(shè)幾門數(shù)字化相關(guān)的課程，而是構(gòu)建一個(gè)完整的、全面的數(shù)字化培養(yǎng)教學(xué)體系。改變傳統(tǒng)教育教學(xué)模式，從獨(dú)立的、分散的、脫節(jié)的課程設(shè)置到相互關(guān)聯(lián)、循序漸進(jìn)、融為一體的課程組合，從而為機(jī)械類本科學(xué)生數(shù)字化創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供保證。

2.1培養(yǎng)目標(biāo)

機(jī)械類專業(yè)學(xué)生數(shù)字化制造創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，應(yīng)實(shí)現(xiàn)學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備、創(chuàng)造能力、綜合素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展。在教學(xué)過程中，需要加強(qiáng)基礎(chǔ)理論知識(shí)、基本技術(shù)技能、社會(huì)適應(yīng)能力的培養(yǎng)，保證學(xué)生在將來機(jī)械相關(guān)企業(yè)中能夠有一定的建樹。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，應(yīng)從教學(xué)模式，教學(xué)內(nèi)容，實(shí)踐環(huán)節(jié)，師資分配等各方面進(jìn)行統(tǒng)一部署。

2.2具體實(shí)施過程

數(shù)字化制造技術(shù)課程主線設(shè)置的依據(jù)遵循具體的機(jī)械構(gòu)件開發(fā)過程，按照產(chǎn)品開發(fā)的邏輯思路來安排

課程布局，如圖1所示。

圖1　機(jī)械類應(yīng)用型本科學(xué)生數(shù)字化制造創(chuàng)新能力培養(yǎng)教學(xué)過程

具體實(shí)施過程中，通過半開放式命題，讓學(xué)生沿著產(chǎn)品開發(fā)的理念，增強(qiáng)專業(yè)方面素養(yǎng)，培養(yǎng)機(jī)械設(shè)計(jì)靈感，規(guī)范機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，拓寬機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)思路。課程體系設(shè)置按照概念創(chuàng)新(逆向工程)、三維造型、樣品制作(外形設(shè)計(jì))、數(shù)控編程、模擬仿真、數(shù)控機(jī)床操作(實(shí)體加工)、零件加工(產(chǎn)品成形)這條主線，在主線的各節(jié)點(diǎn)并行設(shè)置相關(guān)課程，學(xué)生可以按照自己的喜好自主選擇各節(jié)點(diǎn)處并行課程中的任意一門或多門課程，學(xué)生需要在每個(gè)節(jié)點(diǎn)修夠規(guī)定學(xué)分才可進(jìn)行主線下一環(huán)節(jié)的課程學(xué)習(xí)。諸如參數(shù)化設(shè)計(jì)這類課程可以根據(jù)學(xué)生自己的喜好來自主選擇相應(yīng)的課程，既可以選擇UG參數(shù)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，又可以選擇Creo參數(shù)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，或選擇SolidWorks參數(shù)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)等等。數(shù)控機(jī)床操作環(huán)節(jié)可以選擇數(shù)控車床，數(shù)控銑床，加工中心等不同的加工形式。這些課程呈現(xiàn)橫向分布。課程設(shè)置中，既圈定了學(xué)生關(guān)于不同階段選擇不同課程的范圍，又給學(xué)生自主選擇的機(jī)會(huì)。學(xué)生沿著這一主線，并通過針對(duì)性地學(xué)習(xí)相關(guān)方面的課程，循序漸進(jìn)，逐漸掌握建模，數(shù)控加工，材料成型分析，力學(xué)性能分析、動(dòng)態(tài)仿真分析并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終加工出成品。教務(wù)部門需要在每一個(gè)階段設(shè)置完成截止日期，一方面督促學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成相應(yīng)的設(shè)計(jì)；另一方面也便于在不同階段統(tǒng)一設(shè)置課程。方便專業(yè)教師統(tǒng)一進(jìn)行授課。課程的報(bào)名方式采用教務(wù)管理系統(tǒng)網(wǎng)上報(bào)名，學(xué)生在不同的設(shè)計(jì)階段，設(shè)置相對(duì)應(yīng)的不同課程供學(xué)生有針對(duì)性選擇。每一個(gè)階段結(jié)束考核的時(shí)候，學(xué)生將該階段最新的設(shè)計(jì)成果及設(shè)計(jì)報(bào)告上傳到教務(wù)管理系統(tǒng)作為成績?cè)u(píng)定的重要考核標(biāo)準(zhǔn)。通過主線式教學(xué)，使課程學(xué)習(xí)能夠迅速變?yōu)閷?shí)際應(yīng)用，加快學(xué)習(xí)成果轉(zhuǎn)換，鞏固了課程學(xué)習(xí)的知識(shí)，使知識(shí)更能夠落到實(shí)處。圖2為學(xué)生數(shù)控加工作品，圖3為學(xué)生快速成型作品。

圖2　學(xué)生數(shù)控加工作品

圖3　學(xué)生快速成型作品

3　機(jī)械類專業(yè)人才數(shù)字化制造創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實(shí)踐操作

在課程設(shè)置過程中，強(qiáng)調(diào)了實(shí)踐環(huán)節(jié)的重要性，學(xué)有所長，學(xué)有所用，增加實(shí)踐教學(xué)的系統(tǒng)性、整體性和綜合性。各課程均設(shè)置豐富的上機(jī)實(shí)踐環(huán)節(jié)，在各階段對(duì)應(yīng)的創(chuàng)新實(shí)踐、課程設(shè)計(jì)、工程訓(xùn)練、畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，均以工程案例和企業(yè)項(xiàng)目為依托，重點(diǎn)突出軟件學(xué)習(xí)和實(shí)踐應(yīng)用于一體，將課堂教學(xué)和實(shí)際操作相結(jié)合，以實(shí)際操作為主，突出實(shí)踐性、操作性和應(yīng)用性。培養(yǎng)學(xué)生理論運(yùn)用和主動(dòng)思考能力，形成從“概念創(chuàng)新→三維造型(外形設(shè)計(jì))→數(shù)控編程→模擬仿真→數(shù)控機(jī)床操作(實(shí)體加工)→零件加工(產(chǎn)品成形)”的完整教學(xué)過程：通過產(chǎn)品的三維造型及優(yōu)化設(shè)計(jì)，以參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件為工作平臺(tái)，糅合工業(yè)設(shè)計(jì)的基本要求，完成產(chǎn)品的功能設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步掌握行為建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)；對(duì)已完成的三維模型進(jìn)行3D打印，完成產(chǎn)品樣品制作；以相關(guān)CAD/CAM軟件為平臺(tái)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行相關(guān)模具設(shè)計(jì)并完成三維造型，通過數(shù)控加工程序的編制，掌握數(shù)控編程的基本原理，運(yùn)用圖形自動(dòng)編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)模具型腔等的模擬加工并結(jié)合已有設(shè)備，選擇合適的后處理器，生成數(shù)控程序；通過數(shù)控加工實(shí)踐，利用編制的數(shù)控程序，在相關(guān)數(shù)控加工設(shè)備上完成模具型腔等零件的加工，并完成模具的制造；依據(jù)制造的模具，利用注塑機(jī)，沖壓機(jī)等設(shè)備，完成產(chǎn)品的生產(chǎn)。

3.1課程體系構(gòu)建與整合

在“平臺(tái)+模塊”的指導(dǎo)思想下，建立“數(shù)字化制造創(chuàng)新能力”平臺(tái)，根據(jù)“概念創(chuàng)新(逆向工程)→三維造型→數(shù)控編程→模擬仿真→實(shí)體制造→產(chǎn)品形成”這一主線，構(gòu)建設(shè)計(jì)、制造和模具等三個(gè)模塊。結(jié)合課堂教學(xué)和課外實(shí)踐創(chuàng)新活動(dòng)，由學(xué)生根據(jù)自身興趣和發(fā)展需要，自主選擇相應(yīng)模塊。[3]

3.2課程環(huán)節(jié)調(diào)整與優(yōu)化

在已開設(shè)課程的基礎(chǔ)上，調(diào)整和優(yōu)化相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，合理分配理論和實(shí)踐教學(xué)學(xué)時(shí)比例，調(diào)整課堂授課、機(jī)房上機(jī)、設(shè)備操作等環(huán)節(jié)的課時(shí)，修訂相應(yīng)課程的教學(xué)大綱。

3.3串聯(lián)項(xiàng)目選擇與確定

結(jié)合技術(shù)發(fā)展和行業(yè)特征，通過廣泛調(diào)研和分析比較，確定典型的工程案例和企業(yè)項(xiàng)目，以此為對(duì)象實(shí)現(xiàn)主線串聯(lián)。

表1　數(shù)字化制造創(chuàng)新能力培養(yǎng)部分主干課程

4　結(jié)束語

按照“概念創(chuàng)新(逆向工程)→三維造型、樣品制作(外形設(shè)計(jì))→數(shù)控編程→模擬仿真→實(shí)體制造→產(chǎn)品形成”這一主線，循序漸進(jìn)，構(gòu)建完整的課程體系，從虛擬變成現(xiàn)實(shí)，在主線的不同節(jié)點(diǎn)，設(shè)置有針對(duì)性的并行課程，學(xué)生自主選修，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，并通過強(qiáng)化實(shí)踐環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了深厚理論與具體應(yīng)用相結(jié)合。遵循“一條主線、節(jié)點(diǎn)并行、學(xué)生自主、重在實(shí)踐”的思路，通過數(shù)字化創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系的逐步實(shí)施，拓寬了學(xué)生的思路，開拓了學(xué)生的視野，提高了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和能力，增強(qiáng)了學(xué)生的競爭能力和就業(yè)競爭力，符合“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”的目標(biāo)。

[1] 朱昱，王建萍.機(jī)械類專業(yè)學(xué)生產(chǎn)品三維開發(fā)創(chuàng)新能力培養(yǎng)的探索與實(shí)踐[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2011(11):91-93.

[2] 孫國光.三維打印快速成型機(jī)材料的研究[D].西安:西安科技大學(xué)，2008.

[3] 李和平，陳京平.經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)模具專業(yè)復(fù)合人才培養(yǎng)研究[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2006(4):93-95.

[4] 朱德君.面向?qū)嵺`教學(xué)的開放式數(shù)控車床系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].黑龍江科技信息，2014(16):30.

Research in the Cultivation ofmechanical Application-type Undergraduate Students' Digitalmanufacturing Innovation Ability

Tang Tongming， Zou Shuai
Nantong University， Nantong， 226019， China

This paper briefly introduces the digitalmanufacturing technology category， proposes the teaching idea " amain line ， nodes in parallel， autoselecting ， focusing on practice" for cultication ofmechanical application-type undergraduate students' digitalmanufacturing innovation ability and discusses the setup and implementation of curriculum system . Throughmany years' practice and exploration， digitalmanufacturing innovation ability of the students improve obviously.

mechanical application-type undergraduate students； digitalmanufacturing technology； cultivation of innovative ability

2014-12-15

唐通鳴，本科，副教授。