俞彥勤　廖敦明　樊自田

摘 ?要：通過分析現(xiàn)有模具計算機輔助設(shè)計（CAD）、模具計算機輔助工程（CAE）、模具計算機輔助制造（CAM）實驗教學(xué)中存在的問題，根據(jù)CDIO工程教育模式，以材料成形件從數(shù)字模型到成形件實物的整個過程為載體，構(gòu)建了一體化的模具CAD/CAE/CAM綜合實驗教學(xué)體系。依據(jù)工程教育認證對學(xué)生的要求，制訂了實驗課程的教學(xué)目標(biāo)，并對實驗教學(xué)方式、成績考核評估等方面進行了分析與探討。該實驗課程對于探索實驗教學(xué)的新模式、新方法，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題及綜合創(chuàng)新能力等方面具有推廣應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：CDIO;模具;計算機輔助設(shè)計（CAD）;計算機輔助工程（CAE）;計算機輔助制造（CAM）

中圖分類號：G642 ? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2019）17-0107-03

Abstract： By analyzing the existing problems in the computer-aided design （CAD）， mold computer-aided engineering （CAE）， and mold-assisted manufacturing （CAM） experiment teaching， according to the CDIO engineering education model， the material forming parts from the digital model to the forming parts The whole process of the physical object is the carrier， and an integrated CAD/CAE/CAM integrated experimental teaching system is constructed. According to the requirements of engineering education certification for students， the teaching objectives of the experimental course were formulated， and the experimental teaching methods and performance evaluation were analyzed and discussed. The experimental course has the promotion and application value for exploring new modes and methods of experimental teaching， cultivating students to solve complex engineering problems and comprehensive innovation ability.

Keywords： CDIO（conceive-design-implement-operate）; mold; computer aided design（CAD）; computer aided engineering （CAE）; computer aided manufacturing（CAM）

模具計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助工程（CAE）、計算機輔助制造（CAM）是材料成型及控制工程專業(yè)的主干核心課程，長期以來，這三門實驗課程在運行中存在以下問題：首先，因教學(xué)方法缺乏創(chuàng)新，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)主動性不夠。其次，因?qū)嶒灲虒W(xué)手段方式落后而存在重理論輕實踐的現(xiàn)象。第三，各門課程實驗教學(xué)獨立封閉進行，造成了實驗內(nèi)容零碎，綜合性程度不高。第四，實驗課程內(nèi)容及其軟、硬件更新慢，嚴(yán)重滯后于當(dāng)前社會生產(chǎn)實際，導(dǎo)致教學(xué)與行業(yè)發(fā)展脫節(jié)。第五，實驗課程在整個專業(yè)培養(yǎng)體系中的地位與作用、對達成學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)的能力要求不明確。鑒于以上問題，必須對現(xiàn)有模具CAD、模具CAE、模具CAM實驗課程，從課程培養(yǎng)目標(biāo)、課程內(nèi)容、教學(xué)方式等諸方面進行改革與創(chuàng)新，以構(gòu)建體系完備、實驗內(nèi)容充實、教學(xué)方式多樣化的“模具CAD/CAE/CAM綜合實驗”。

一、基于CDIO的實驗課程體系構(gòu)建

（一）CDIO教育模式

CDIO（構(gòu)思conceive、設(shè)計design、實施implement、運作operate）是國際工程教育人才培養(yǎng)的創(chuàng)新模式，旨在關(guān)注工程實踐，加強培養(yǎng)學(xué)生實踐能力、綜合創(chuàng)新能力以及與社會協(xié)調(diào)發(fā)展等問題。CDIO是由MIT（麻省理工學(xué)院）等幾所大學(xué)經(jīng)過多年探索而創(chuàng)立的工程教育模式，它以產(chǎn)品從研發(fā)到產(chǎn)品運行結(jié)果的整個生命周期為載體，通過建立一體化的相互支撐和有機聯(lián)系的課程體系，讓學(xué)生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式進行工程教育訓(xùn)練[1]。迄今為止，這一國際工程教育的最新成果已被幾十所世界知名大學(xué)所采用，并逐步引入我國，成為國內(nèi)高校眾多工程類專業(yè)課程改革與創(chuàng)新的有力工具[2-5]。

（二）實驗課程設(shè)計

基于CDIO的理念，將模具CAD、模具CAE、模具CAM三門課程融合打通，設(shè)置為一門獨立于理論課的一體化的綜合實驗課程。梳理三者之間的層次關(guān)系，依據(jù)課程的邏輯關(guān)系建立三者之間相互支撐和有機聯(lián)系的課程體系。

構(gòu)思（conceive）材料成形件，它可以是沖壓件、或注塑件、或鑄件、或3D打印件。它可以是課程給定，如給出的二維圖，也可以是來自于社會（企業(yè)）需要的產(chǎn)品，也可以是學(xué)生自己設(shè)計的模型。對于以上給出的各種成形件，運用三維CAD軟件，完成其數(shù)字化，得到成形件的三維數(shù)字化模型。

設(shè)計（design），根據(jù)“構(gòu)思”階段成形件的數(shù)字化模型，進行模具計算機輔助設(shè)計（CAD），完成該成形件所需要模具的設(shè)計。

實施（implement），根據(jù)“設(shè)計”階段所設(shè)計的模具，對成形件的成形工藝及模具進行計算機分析（CAE），檢驗其設(shè)計的合理性，根據(jù)檢驗的結(jié)果，對模具進行優(yōu)化和修改，再對模具零部件進行制造（CAM）。

運作（operate），根據(jù)“實施”階段制造的模具，在材料成形設(shè)備上，加工出“構(gòu)思”階段所指定的成形件實物。

（三）實驗課程流程

根據(jù)CDIO工程教育模式，以材料成形件從數(shù)字模型到最終成形實物的整個生命周期（PLA）為載體，構(gòu)建出一體化的《模具CAD/CAE/CAM綜合實驗》教學(xué)體系見圖1。

圖1中，依據(jù)成形件的成形方式不同，可分別構(gòu)成“沖壓實驗?zāi)K”、“注塑實驗?zāi)K”、“鑄造實驗?zāi)K”、“3D打印實驗?zāi)K”等四個材料成形實驗?zāi)K，學(xué)生自主依興趣選擇其中之一模塊進行實驗，按實驗流程依次進行“三維造型技術(shù)實驗”，從而建立成形件的三維數(shù)字模型;進行“模具計算機輔助設(shè)計實驗”，設(shè)計出完成成形件加工所需要的模具;進行“模具計算機輔助工程實驗”，對所設(shè)計的模具進行分析，修改、優(yōu)化所設(shè)計的模具;進行“模具計算機輔助制造實驗”，用數(shù)控加工機床等，對所設(shè)計的模具零件進行加工;進行“成形工藝物理模擬實驗”，通過采用范例模具分別在材料成型設(shè)備（數(shù)控沖床、注塑機、離心鑄造機、3D打印機）上加工出成形件的實物產(chǎn)品。整個實驗過程以成形件數(shù)據(jù)流瀑布式逐層推進，來完成模具CAD/CAE/CAM一體化綜合實驗的各個實驗環(huán)節(jié)[6]。

二、實驗課程目標(biāo)

《模具CAD/CAE/CAM綜合實驗》課程是一門多學(xué)科交叉、綜合性強的應(yīng)用課程。它反應(yīng)了材料成型基本理論與模具技術(shù)的實踐、傳統(tǒng)材料成形工藝與先進數(shù)字化技術(shù)、材料加工基本知識與前沿智能制造技術(shù)的高度融合。依據(jù)這些特點來確立該課程在整個專業(yè)培養(yǎng)體系中的地位與作用，并明確對達成學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)的能力要求。根據(jù)工程教育專業(yè)認證（華盛頓協(xié)議）對學(xué)生素質(zhì)的12點要求[7]，結(jié)合本實驗課程的特點，設(shè)計制定課程目標(biāo)如下：

課程目標(biāo)1——系統(tǒng)掌握模具CAD/CAE/CAM方向的專業(yè)知識，具備應(yīng)用這些知識分析、解決實際模具CAD/CAE/CAM復(fù)雜問題的技能。

課程目標(biāo)2——掌握常用材料成型及控制工程裝備、實驗儀器的工作原理、操作方法，具備調(diào)控裝備及儀器參數(shù)的能力，合理實施成型零件及模具設(shè)計的研究方案。

課程目標(biāo)3——能夠應(yīng)用材料成型基本原理，識別、表達、并通過文獻研究分析復(fù)雜工程問題，獲得有效的結(jié)論。比如板料彎曲塑性力學(xué)分析、板料彎曲回彈產(chǎn)生的原因等。

課程目標(biāo)4——掌握模具CAD/CAE/CAM方向重要資料來源及獲取方法（文獻檢索、資料查詢、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)搜索工具的使用等）;具備應(yīng)用各類文獻、信息及資料進行模具CAD/CAE/CAM方向問題分析的能力;應(yīng)用現(xiàn)代計算機技術(shù)，掌握材料成型及控制復(fù)雜工程的主流軟件進行建模、預(yù)測、模擬與優(yōu)化方法，并理解其局限性。

課程目標(biāo)5——了解模具CAD/CAE/CAM方向的國內(nèi)外的技術(shù)現(xiàn)狀，具備一定的國際視野;能夠應(yīng)用現(xiàn)代工具撰寫實驗設(shè)計文稿、實驗報告。表1為課程目標(biāo)與畢業(yè)要求對應(yīng)矩陣圖。

三、教學(xué)方式

從開始自主選擇成形件的實驗?zāi)K開始，直至實驗結(jié)束的整個過程，學(xué)生是教學(xué)的主體及主要參入者，教師作為引導(dǎo)者，引導(dǎo)學(xué)生在“做中學(xué)”，這種以學(xué)生為中心的教育理念，不僅極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，而且使其知識、技能內(nèi)化，有利于學(xué)生創(chuàng)造能力的培養(yǎng)。鑒于《模具CAD/CAE/CAM綜合實驗》課程所涉及的知識綜合性強，知識密集，學(xué)時少，訓(xùn)練量大等特點，可利用師生個人通訊終端，采用翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方法[8-9]，即由任課教師提供以視頻為主要形式的學(xué)習(xí)資源，把知識的傳授過程從課堂翻轉(zhuǎn)到課下，課堂大部分時間用于教學(xué)答疑、學(xué)生與學(xué)生的交流、學(xué)生與教師的交流、學(xué)生實驗小組的協(xié)調(diào)合作等。

四、學(xué)業(yè)評價

學(xué)生的實驗課程考核評價是教學(xué)活動的重要環(huán)節(jié)，作為學(xué)生實驗過程的導(dǎo)向，不僅可以檢驗、監(jiān)督大型綜合實驗的過程及其執(zhí)行情況，而且也是衡量教學(xué)目標(biāo)是否達到的重要依據(jù)，同時還應(yīng)兼顧對學(xué)生整體水平與個體差異、個人能力鍛煉與團隊精神方面的考查。依據(jù)實驗內(nèi)容、實驗教學(xué)效果以及多個實驗環(huán)節(jié)上學(xué)生的表現(xiàn)，實驗課程考核及評價細則如下：

（一）實驗預(yù)習(xí)

按教學(xué)目標(biāo)1要求，依據(jù)學(xué)生實驗預(yù)習(xí)情況，按10%計入課程總成績。

（二）上課表現(xiàn)

按教學(xué)目標(biāo)2要求，根據(jù)學(xué)生實驗預(yù)約出勤率、實驗紀(jì)律及互動情況，視其對課程學(xué)習(xí)的態(tài)度及積極程度，按10%計入課程總成績。

（三）操作能力

按教學(xué)目標(biāo)3要求，根據(jù)學(xué)生在實驗中現(xiàn)場操作技能水平表現(xiàn)，是否違章操作等，按15%計入課程總成績。

（四）數(shù)據(jù)記錄

按教學(xué)目標(biāo)4要求，根據(jù)學(xué)生實驗過程中記錄實驗數(shù)據(jù)的完整程度、數(shù)據(jù)的真實性、規(guī)范性、合理性等，按15%計入課程總成績。

（五）實驗報告

按教學(xué)目標(biāo)5要求，根據(jù)學(xué)生的實驗報告完成情況及質(zhì)量，視其對課程知識理解、掌握情況，按50%計入總成績。

五、結(jié)束語

基于CDIO工程教育模式所構(gòu)建的“模具CAD/CAE/CAM綜合實驗”，以從成形件的數(shù)字模型到成形件實物的全過程為載體，實現(xiàn)了材料成形件的三維造型、模具CAD/CAE/CAM、成形件的物理模擬等一體化的教學(xué)實驗，既提高了實驗的綜合程度，又提高了教學(xué)實驗效率。

整個實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，以學(xué)生為中心，讓學(xué)生“做中學(xué)”，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，使其學(xué)習(xí)知識、技能內(nèi)化，也培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主管理、自主服務(wù)的意識與能力。

該課程的實施，加強了實驗教學(xué)軟、硬條件建設(shè)，推進了信息技術(shù)與材料成形課程的深度融合，優(yōu)化了課程教學(xué)內(nèi)容，促進了教學(xué)手段和方法的現(xiàn)代化。

該課程的實施，解決了華中科技大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)2015年工程教育專業(yè)第一次論證中存在的“實

驗綜合性不夠，對學(xué)生綜合運用所學(xué)知識解決實際問題能力訓(xùn)練偏弱”的問題，在2018年6月進行的該專業(yè)工程教育專業(yè)第二次論證中，該課程成為綜合性實驗教學(xué)的一大亮點，受到專家組好評。該實驗課程對于探索實驗教學(xué)的新機制、新模式、新方法，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力及綜合創(chuàng)新能力等方面具有推廣應(yīng)用價值。

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