阮廣東 , 呂新明

(湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院　機電與汽車工程學(xué)院, 浙江　湖州　313000)

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機械CAD/CAM教學(xué)改革研究*

阮廣東 , 呂新明

(湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電與汽車工程學(xué)院, 浙江湖州313000)

機械CAD/CAM作為機械類專業(yè)的核心實踐課程，具有綜合性、實踐性強的特點，但在當(dāng)前教學(xué)實踐中，普遍存在著重操作輕理論、理論與實踐銜接不緊密、課程關(guān)聯(lián)性不強等問題，這對培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力是極為不利的。為改變這種現(xiàn)狀，提出了機械CAD/CAM理實一體化教學(xué)改革，開發(fā)了一體化教學(xué)資源庫，進行了課程整合與協(xié)同訓(xùn)練，并在制圖測繪中進行試驗，給出了校企結(jié)合的具體方案。

機械CAD/CAM; 理實一體化; 制圖測繪; 教學(xué)資源庫

機械CAD/CAM課程作為機械類專業(yè)的一門核心實踐課程，對培養(yǎng)高職高專學(xué)生的識圖與繪圖能力、自動編程和數(shù)控加工能力等高級職業(yè)技能至關(guān)重要。針對教學(xué)實踐中出現(xiàn)的問題，國內(nèi)不少職業(yè)院校的教師從多方面對此門課程進行了教學(xué)改革與探索。其中，將CAD課程融入到機械制圖教學(xué)中的一體化模式[1]157 [2]100及CAD/CAM一體化實驗課程體系的建設(shè)及實踐[3]40-41 [4]86-87 [5]255-256取得了良好的效果。但當(dāng)前CAD/CAM課程教學(xué)中仍存在很多問題，主要體現(xiàn)在如下幾方面：

(1)CAD/CAM實訓(xùn)中，傾向于軟件的操作而不是識圖能力、空間想象能力與工藝能力的培養(yǎng)，過度關(guān)注計算機繪圖與編程工具的使用，而忽視了基本的制圖理論與機械制造工藝知識的運用。

(2)CAD/CAM技能的提升尚沒有形成完整、科學(xué)的訓(xùn)練體系和系統(tǒng)的課程體系支撐。

(3)CAD/CAM課程中，由于課程與實踐、企業(yè)結(jié)合的少，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣不濃，學(xué)習(xí)動力不足，更不知所學(xué)課程的價值所在。

結(jié)合當(dāng)前課程教學(xué)現(xiàn)狀、問題及國內(nèi)兄弟院校取得的教學(xué)改革成果，本文進一步剖析CAD/CAM課程教學(xué)改革的有效途徑與方法，以期提高學(xué)生的計算機繪圖能力和自動編程能力。

一、機械CAD/CAM理實一體化改革

傳統(tǒng)意義上的CAD/CAM課程是指利用同一軟件如UG、PROE等對同一零部件進行三維建模和數(shù)控編程。文章所研究的CAD/CAM包括CAD和CAM兩門課程。其中CAD課程指的就是利用CAD軟件(包括二維繪圖軟件CAD和三維繪圖軟件UG、PROE等)進行繪圖，其目的是訓(xùn)練學(xué)生的識圖與繪圖能力；CAM課程指的是利用CAM軟件(UG、PROE等)進行數(shù)控編程，其目的是訓(xùn)練學(xué)生制定工藝和自動編程的能力。據(jù)此可知，CAD/CAM的理論基礎(chǔ)便是機械制圖和機械制造工藝課程，課程要實現(xiàn)的理實一體化改革就是要將制圖、工藝和CAD/CAM軟件操作進行結(jié)合起來授課。

(一)機械制圖基本理論與CAD課程的結(jié)合

1.標注理論知識在CAD繪圖中的應(yīng)用根據(jù)以往教學(xué)方式，在CAD上機訓(xùn)練中，學(xué)生只是按照教師發(fā)給的圖紙按部就班的進行繪圖，往往只注重繪圖技巧的使用，而忽略了制圖知識的理解與運用。繪圖完成后，按照圖紙上的標注樣例進行標注而并未思考為何如此標注，學(xué)生的標注能力并未在CAD課程中得到訓(xùn)練。鑒于此，CAD課程中增加了標注原則的講解，將標注理論知識的學(xué)習(xí)與具體的標注實踐結(jié)合起來，從而實現(xiàn)了理實一體化。

2.利用UG建模加深學(xué)生對零件圖投影原理的理解正投影理論是機械制圖中的核心理論，借助UG通過對所建模型的操作來完成投影知識的講解，形象、直觀、透徹。另外，學(xué)生作業(yè)中常有補畫三視圖的題目，許多同學(xué)所補畫的視圖不是多畫就是漏畫，或者畫的不正確。利用UG建?？蓹z驗所畫視圖的正確性。尤其是在學(xué)習(xí)切割體三視圖時，如果不用UG來進行教學(xué)，許多初學(xué)者會感到非常吃力。在切割體表達學(xué)習(xí)之后，采用UG進行繪制形狀不同的切割體并進行投影練習(xí)對于學(xué)生空間想象能力的培養(yǎng)是非常有效的。圖1所示為利用UG所建的某零部件的模型，學(xué)生在UG軟件當(dāng)中可對建好的模型進行旋轉(zhuǎn)、縮放、定向視圖等操作，從而可從不同角度觀察所建零部件模型的各個部位。

3.利用UG制圖模塊加深學(xué)生對剖視圖的理解機械零部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的表達要借助于剖視圖來完成，許多學(xué)生對于零部件外部形狀的表達尚能掌握，但一涉及到內(nèi)部形狀如階梯孔，半剖圖、全剖圖的表達則往往束手無策。利用UG建立零部件的幾何模型，再利用制圖模塊完成正等軸測圖的投影，然后進行相關(guān)操作對視圖進行半剖或全剖，這樣零部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)便清晰的展現(xiàn)出來，學(xué)生才能對剖視圖有一個全面正確的理解與掌握。圖2為一切割體與組合體的三視圖，題目要求畫出主視圖的半剖圖和左視圖的全剖圖，在繪圖當(dāng)中學(xué)生也會出現(xiàn)多畫、漏畫或者畫錯等現(xiàn)象。在CAD課堂之中讓學(xué)生畫完之后， UG課中再讓學(xué)生將其轉(zhuǎn)換為三維立體圖，從而進一步觀察模型的點線面投影，這樣再讓學(xué)生根據(jù)立體圖或UG制圖模塊中所畫剖視圖進行重畫或檢驗CAD課中畫的剖視圖，學(xué)生成功的幾率將大大提高。

4.利用UG裝配模塊和CAD訓(xùn)練學(xué)生對裝配圖的理解與表達掌握了零件圖的繪制與表達之后，按照零部件的配合關(guān)系將零部件進行組合便可得到裝配圖。UG和CAD繪制裝配圖的原理是一樣的，都是先繪制零件圖，然后進行拼圖。在UG中，建好零部件模型之后，進入裝配模塊導(dǎo)入零部件模型進行接觸、對齊等約束便可完成三維裝配圖的繪制；在CAD中，繪制好零件圖后，利用設(shè)計中心導(dǎo)入要裝配的圖形并進行相關(guān)修改便可方便的完成二維裝配圖的繪制，這相對機械制圖和測繪課程中手工繪制裝配圖要簡單的多。在這樣的訓(xùn)練當(dāng)中，學(xué)生將主要精力集中在對裝配關(guān)系的理解上，而不是機械的模仿抄畫視圖，這有利于培養(yǎng)學(xué)生對機械零部件結(jié)構(gòu)視圖表達的分析能力和綜合能力。另外，為培養(yǎng)學(xué)生閱讀裝配圖的能力，教學(xué)中還安排了學(xué)生根據(jù)裝配圖拆畫零件圖的訓(xùn)練。學(xué)生經(jīng)過利用UG和CAD軟件根據(jù)零件圖組裝繪制裝配圖和根據(jù)裝配圖拆畫零件圖的訓(xùn)練后，對裝配圖的識讀和繪制能力會大大提高。

5.利用CAD強大的二維制圖能力訓(xùn)練學(xué)生對視圖點線面的掌握與理解在教學(xué)過程中，教師不能簡單的將CAD和UG課程當(dāng)作繪圖工具獨立的來進行講授，而應(yīng)該作為機械制圖課程的實訓(xùn)課程來進行。學(xué)生在利用CAD抄畫零部件視圖過程中，首先要進行視圖的分析、結(jié)構(gòu)的想象及尺寸和技術(shù)要求的分析，在此過程中，可加強學(xué)生對“長對正、高平齊、寬相等”原理的理解與運用，即運用此原理進行識圖與繪圖，同時可培養(yǎng)學(xué)生的分析能力、推理能力和空間想象能力。學(xué)生經(jīng)過大量的繪圖訓(xùn)練，識圖能力和計算機繪圖能力大大提高，從而解決了當(dāng)前學(xué)生中存在的重繪圖輕識圖、重技巧輕策略等問題。

(二)機械制圖、機械制造工藝知識與CAM課程的結(jié)合

利用UG建模模塊建好零部件的三維模型之后，進入加工模塊進行相關(guān)設(shè)置及處理便可生成數(shù)控加工程序。在建模過程中，學(xué)生要分析視圖，想象結(jié)構(gòu)，進行二維圖到三維圖的轉(zhuǎn)換，這個過程要用到制圖相關(guān)知識和UG建模技巧，這部分內(nèi)容學(xué)生尚能掌握。但在CAM技能訓(xùn)練中，學(xué)生對自動編程的過程和軟件的操作運用往往缺乏一個清晰的思路。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是由于學(xué)生沒有將理論知識的運用與軟件的操作有機的結(jié)合起來，不明白CAM軟件的操作過程實際上就是加工工藝制定與刀具運動設(shè)置相結(jié)合的過程[6]194 [7]175-176。圖3為一曲面凸板的零件圖，毛坯采用100×100×45的立方塊鋁料。CAM編程時,首先要進行零件圖紙的分析,然后進行三維模型的創(chuàng)建、數(shù)控加工工藝方案的確定，最后要通過軟件的操作完成刀具的創(chuàng)建、幾何體的創(chuàng)建、工序的創(chuàng)建。

表1給出了該零件的加工工藝方案。各加工工序的創(chuàng)建以及每一工序中刀具的創(chuàng)建、工序創(chuàng)建中加工余量、進給速度的確定都要依據(jù)此表中給出的參數(shù)進行設(shè)定，除此之外還要進行刀具切削方向順序、非切削移動參數(shù)、切削模式、步距等刀具運動數(shù)據(jù)的設(shè)定。學(xué)生在CAM軟件操作前要對這些做到心中有數(shù)，操作時才會做到有條不紊，得心應(yīng)手。

表1　加工工藝方案

二、以機械CAD/CAM改革為基礎(chǔ)，促進測繪課程改革

(一)運用CAD替代傳統(tǒng)手繪精確繪圖

傳統(tǒng)測繪課程中，學(xué)生將大部分時間與精力用在手工模仿繪圖上，而忽視了觀察能力、動手能力、分析能力、空間構(gòu)思能力等核心能力的培養(yǎng)。運用CAD技術(shù)對此門課程進行改革后,學(xué)生的測繪工作主要是通過觀察、分析和構(gòu)思進行測試和草繪，復(fù)雜精確的繪圖工作則主要依靠CAD和UG軟件來完成。這不僅培養(yǎng)了學(xué)生的測試分析能力，還鍛煉了學(xué)生運用CAD軟件進行繪圖的技能[8]164-166。

(二)虛擬測繪課程的開發(fā)

以往測繪課程的進行，是讓學(xué)生對減速器實物測量并繪制出相關(guān)零件圖和裝配圖，這種訓(xùn)練方法把測量、構(gòu)思、轉(zhuǎn)換等能力集成在一塊訓(xùn)練，學(xué)生需要多種能力才能完成測繪工作。這種教學(xué)模式直接給出實物讓學(xué)生進行測繪，沒有將眾多能力分解開來，沒有按照高職學(xué)生的學(xué)習(xí)思維特點循序漸進、由淺入深的訓(xùn)練，跨度比較大。學(xué)生沒有中間課程的過渡及能力的逐步訓(xùn)練，測繪時往往陷入無從著手、無章可循的狀態(tài)。為改變這種狀態(tài)，本課題選取了典型的標有尺寸的三維結(jié)構(gòu)圖。在教學(xué)中，先讓學(xué)生按照三維結(jié)構(gòu)圖進行轉(zhuǎn)換繪制成二維視圖，然后再進行實物測繪課程。三維結(jié)構(gòu)圖中標注了全部尺寸，學(xué)生在分析結(jié)構(gòu)圖時也明白了零部件哪些部位需要測量哪些部位不需要測量。有了這樣的過渡，學(xué)生的實物測量能力、視圖選擇能力與二維圖構(gòu)思能力得到訓(xùn)練與提升，再進行實物測繪則不會感到突兀。

三、教學(xué)資源庫開發(fā)、校企合作與學(xué)生CAD/CAM技能的提升

(一)教學(xué)資源庫配套開發(fā)建設(shè)與課程設(shè)置改革

CAD具有強大的二維制圖能力，UG具有強大的三維建模能力及加工能力。為使二者的教學(xué)銜接起來，在教學(xué)內(nèi)容上，本課題擬開發(fā)統(tǒng)一的教學(xué)案例。在CAD教學(xué)中，教師將要繪制的圖紙發(fā)給學(xué)生，學(xué)生運用軟件將圖畫出；同樣，在UG教學(xué)實訓(xùn)中，教師運用同樣的圖紙讓學(xué)生在UG中將其轉(zhuǎn)換成三維圖，并進行裝配訓(xùn)練和自動生成制圖訓(xùn)練；CAM授課過程中，同樣采取以前所繪過的典型零部件進行UG自動編程訓(xùn)練，這樣就真正實現(xiàn)了CAD/CAM教學(xué)的一體化。同時，為使機械制圖、機械制造工藝學(xué)與CAD/CAM教學(xué)同步進行，制圖與工藝課中的典型教學(xué)案例與習(xí)題也會放入CAD/CAM中讓學(xué)生進行訓(xùn)練，這樣，學(xué)生經(jīng)過機械制圖中的手工繪圖、CAD中的二維圖繪制、UG中的三維建模對同一零部件繪圖訓(xùn)練之后，學(xué)生的空間想象能力、形體分析能力、繪圖能力將會大大提高，學(xué)生對常見的零部件的特征、識圖繪圖方法與技巧也有了一個深入的掌握。

高職機械制圖課程一般安排兩學(xué)期進行，第二學(xué)期末學(xué)生開始測繪實訓(xùn)，CAD及UG的授課往往滯后于測繪課。這種教學(xué)安排導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)機械制圖時，不能借助于CAD繪圖工具進行制圖的理解與繪制，教師也無法實現(xiàn)利用CAD軟件講解制圖中重點難點知識。為改變這種局面，文章嘗試將CAD、UG的授課與訓(xùn)練與機械制圖的授課同步進行。利用UG強大的建模、制圖、裝配功能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)機械制圖的興趣與熱情，并將這種興趣與熱情一直持續(xù)到測繪課程，從而強化與鞏固學(xué)生的識圖與繪圖技能。機械制圖、CAD、UG進行同步教學(xué)，學(xué)生在訓(xùn)練中提升了自己的基本功，從而達到培養(yǎng)高素質(zhì)人才的目的。對于機械制造類專業(yè)學(xué)生，如數(shù)控技術(shù)、模具設(shè)計與制造等，教學(xué)中將增加UG的加工模塊；對于非制造類專業(yè)學(xué)生，此部分內(nèi)容暫不開設(shè)。在測繪課中，對于層次比較高的同學(xué)，還要求其用UG建立減速器的三維模型。這樣，對不同的專業(yè)、不同層次的學(xué)生達到了因材施教，分類培養(yǎng)的目的。

(二)校企結(jié)合

盡管通過CAD/CAM實訓(xùn)學(xué)生掌握了基本的識圖繪圖與編程技能，但仍然達不到國家對高技能人才的要求。為切實提高學(xué)生實踐能力，學(xué)校需要與生產(chǎn)企業(yè)進行零距離對接，建立校外企業(yè)實訓(xùn)基地，將典型機械制造企業(yè)生產(chǎn)過程中真實的零部件及其相關(guān)產(chǎn)品圖紙呈現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生進行分析、運用CAD、 UG繪制二維圖和三維圖并進行數(shù)控自動化編程。校內(nèi)實訓(xùn)結(jié)束后，安排學(xué)生進企業(yè)觀看真實的零部件結(jié)構(gòu)及其生產(chǎn)加工過程，將自己繪制的圖紙和編制的程序與真實的結(jié)構(gòu)、真實的數(shù)控程序進行比較，讓學(xué)生分析自己所繪圖紙、所編程序的錯誤，并找出原因，加以更正，從而使學(xué)生產(chǎn)生深刻的印象，以切實提高學(xué)生的實戰(zhàn)能力。

(三)學(xué)生CAD/CAM技能的提升

反復(fù)大量訓(xùn)練是掌握技能的根本途徑，但僅有大量的訓(xùn)練，而沒有掌握本質(zhì)的內(nèi)容與理論，并不利于學(xué)生技能的提升與熟練。CAD/CAM是一門軟件操作課程，軟件操作技巧是基礎(chǔ)，軟件操作原理是本質(zhì)。如果學(xué)生不明白操作原理而僅僅反復(fù)的操作，雖然暫時弄懂了，但記憶效果不好，運用起來也不會得心應(yīng)手。一個項目的實施(如繪圖、建模、編程)，實際上是通過一系列操作過程即操作體系所完成的，學(xué)生只有在綜合性的項目訓(xùn)練當(dāng)中才能將各個操作有機的聯(lián)系起來，從而形成自己的操作技能。因此，需要加強學(xué)生對操作體系、操作步驟的理解與認識。

由于實施了CAD/CAM一體化授課方式，并結(jié)合企業(yè)實踐，取得較好效果，但還需對課程的共性進行研究，才能更好地提升學(xué)生技能。(1)CAD/CAM軟件操作過程中會遇到大量的對話框及子對話框，在對話框中完成相關(guān)選擇及數(shù)據(jù)的輸入；(2)CAD與UG CAD操作的最終目的是在圖形界面上輸出圖形，UG CAM操作要用到UG CAD所建的模型，最終目的是生成刀具軌跡與數(shù)控加工程序；(3)CAD與UG CAM在完成一個項目之前都要進行相關(guān)的設(shè)置。CAD畫圖之前要進行圖層設(shè)置、標注樣式設(shè)置、表格樣式設(shè)置等，UG CAM在生成數(shù)控程序之前要進行切削參數(shù)、非切削參數(shù)等的選擇與設(shè)置。

學(xué)生如果在實訓(xùn)當(dāng)中能夠做到對操作軟件、操作原理、操作步驟了然于胸，在實訓(xùn)當(dāng)中才能對訓(xùn)練項目做到融會貫通。同時，為提升學(xué)生的CAD/CAM技能，本文提出了相應(yīng)的對策：(1)教師給出訓(xùn)練項目，演示操作步驟，學(xué)生進行操作實訓(xùn)并在操作過程中體會操作步驟之間的內(nèi)在關(guān)系；(2)針對學(xué)生在操作中遇到的問題及難點，教師進行集中講解；(3)學(xué)生進行項目的第二次操作訓(xùn)練，強化技能；(4)布置新的訓(xùn)練項目，讓學(xué)生在完成項目當(dāng)中實現(xiàn)知識與技能的遷移運用；(5)啟發(fā)學(xué)生總結(jié)在項目訓(xùn)練中所掌握的技能，從而形成新的技能結(jié)構(gòu)；(6)組織學(xué)生進行CAD/CAM技能資格認證考試，鼓勵學(xué)生參與不同層次的競賽項目，通過技能考試和競賽，強化、鞏固與提升學(xué)生的技能，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力[9]178-180。

四、結(jié)　語

機械CAD/CAM課程改革后，由于建立了理實一體化的教學(xué)模式和開發(fā)了貫穿于機械制圖、CAD、UG CAD/CAM的一體化教學(xué)資源庫，學(xué)生對于基本概念、基本原理有了一個深入的掌握；通過在不同課程之間使用同一教學(xué)案例，強化了學(xué)生對基本實訓(xùn)項目掌握與熟練程度，有利于學(xué)生實現(xiàn)知識與技能的遷移；測繪課程的CAD改革，既訓(xùn)練了學(xué)生運用CAD進行實戰(zhàn)繪圖的能力，也鍛煉了學(xué)生的空間想象能力和結(jié)構(gòu)到圖紙的分析轉(zhuǎn)換能力；通過建立科學(xué)的CAD/CAM訓(xùn)練體系，強化與提升了學(xué)生的技能；學(xué)校與企業(yè)的零距離對接，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)學(xué)生嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度及實戰(zhàn)能力。

[1] 李超倫.制圖的基礎(chǔ)知識在AutoCAD中的重要性[J].科技資訊,2014(36).

[2] 戚會濱，焦玉永.計算機輔助設(shè)計、制造(CAD、CAM)和《機械制圖》課程的結(jié)合、探索與實踐[J].科技風(fēng),2013(15).

[3] 王祎才.高職院校機械CAD/CAM課程教學(xué)改革研究[J].中國包裝工業(yè),2012(19).

[4] 高葛.《機械CAD/CAM》的項目化教學(xué)改革與實踐[J].西安航空技術(shù)高等?？茖W(xué)校學(xué)報,2015(3).

[5] 喬東平,李浩,羅國富,等.機械CAD/CAM技術(shù)課程教學(xué)改革與創(chuàng)新探討[J].河南科技,2013(15).

[6] 徐麗娜.《機械CAD/CAM》課程項目化教學(xué)改革的探索與實踐[J].中國校外教育,2015(12).

[7] 郭利.融合工藝知識的機械CAD/CAM課程教學(xué)改革[J].蘇州大學(xué)學(xué)報(工科版),2015(3)．

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[9] 王穎.高職《機械CAD/CAM》課程改革初探[J].電子測試,2013(23).

Research on Teaching Reform of CAD/CAM

RUAN Guang-dong , LV Xin-ming

(School of Mechanical and Electrical & Automotive Engineering, Huzhou Vocational and Technological College, Huzhou 313000, China)

As the core practice course of mechanical major, CAD/CAM has the strong comprehensive and practical features. But in the current teaching practice, there exists a single, one-sided phenomenon such as students concentrate on the operational practice but light theory, theory and practice articulation is not close, and the curriculum relevance is not strong. This is extremely detrimental to the training of students’ practical ability. In order to change this situation, this paper puts forward the views of integration of theory and practice in CAD / CAM, reforms the mapping curriculum basing CAD, development of the integrational teaching resources, integration the curriculum, studies the countermeasure of promoting the students’ CAD / CAM skills, and gives the specific program of the combination between school and enterprise.

computer aided design/computer aided manufacturing; integration of theory and practice; charting of mapping course; the bank of teaching resources

2016-01-21

本文系2015年度湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院教學(xué)改革項目“機械CAD/CAM教學(xué)改革研究(2016JY03)”的研究成果之一。

阮廣東(1986-)，男，山東鄒城人，助教，機械工程碩士，主要從事機械CAD/CAM研究；呂新明(1976-)，男，山東淄博人，講師，機電工程博士，主要從事機械制圖與CAD/CAM等研究。

G712

A

1672-2388(2016)03-0015-04