呂濱江，崔 寧

（青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 青島 266520）

CAD/CAM 技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)及加工的工具，是一種集高效益、高科技和高效率于一體的高新技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。模具CAD/CAM技術(shù)可以通過計(jì)算機(jī)對(duì)模具結(jié)構(gòu)、模具零件結(jié)構(gòu)、成形工藝、模流分析、數(shù)控自動(dòng)編程及生產(chǎn)管理等過程進(jìn)行集成設(shè)計(jì)和優(yōu)化，大幅縮短模具的設(shè)計(jì)制造周期，降低設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)成本，提高零件質(zhì)量[1]。近二三十年來，模具CAD/CAM技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)模具設(shè)計(jì)和制造行業(yè)帶來了巨大變革，并起到了巨大的推動(dòng)作用。隨著現(xiàn)代模具行業(yè)生產(chǎn)模式和理念的轉(zhuǎn)變，相關(guān)企業(yè)也越來越注重專業(yè)技術(shù)人員的工程創(chuàng)新實(shí)踐能力。面對(duì)WTO所帶來的挑戰(zhàn)與機(jī)遇，國內(nèi)外企業(yè)迫切需要熟練掌握模具CAD/CAM技術(shù)的高技術(shù)人才。模具設(shè)計(jì)生產(chǎn)企業(yè)對(duì)專業(yè)從業(yè)人員的基本要求就是熟練掌握模具CAD/CAM技術(shù)[2]。

建設(shè)創(chuàng)新型國家戰(zhàn)略要求高校培養(yǎng)具有創(chuàng)新實(shí)踐能力的工程技術(shù)人才。因此，高等院校需要對(duì)當(dāng)前的人才培養(yǎng)模式進(jìn)行大膽的變革和創(chuàng)新[3]?！赌＞逤AD/CAM》是借助CAD/CAM應(yīng)用軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助模具設(shè)計(jì)和制造的一門專業(yè)課。傳統(tǒng)的“理論式”《模具CAD/CAM》教學(xué)模式重理論、輕實(shí)踐，對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)存在許多不足之處，造成專業(yè)學(xué)生所學(xué)與企業(yè)的需求脫節(jié)。因此，如何構(gòu)建新的《模具CAD/CAM》課程教學(xué)模式以提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力是亟須解決的課題之一。

1 傳統(tǒng)的《模具CAD/CAM》教學(xué)模式存在的問題

為了培養(yǎng)滿足模具設(shè)計(jì)制造相關(guān)企業(yè)需求的具備創(chuàng)新實(shí)踐能力的技術(shù)人才，服務(wù)地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)，《模具CAD/CAM》課程通常是工科院校材料成型與控制工程專業(yè)模具方向的重要專業(yè)課程。傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足，主要有以下幾個(gè)：大部分授課教師沒有工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，與產(chǎn)業(yè)脫節(jié)，過多強(qiáng)調(diào)理論學(xué)習(xí)或軟件的使用，學(xué)生被動(dòng)聽課，學(xué)習(xí)目的不明確，缺乏創(chuàng)新實(shí)踐能力鍛煉，學(xué)習(xí)效果差；教學(xué)體系存在理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)聯(lián)系不緊密，教學(xué)內(nèi)容部分老化，沒有緊跟當(dāng)前行業(yè)先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及企業(yè)需求[4-5]。還有，近年來很多高校都實(shí)行專業(yè)課程的學(xué)分壓縮，使該課程的課堂學(xué)時(shí)、上機(jī)學(xué)時(shí)及實(shí)驗(yàn)課時(shí)進(jìn)一步壓縮。專業(yè)課教師在授課時(shí)，只能以講授為主，壓縮學(xué)生上機(jī)和實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，學(xué)生缺乏軟件操作經(jīng)驗(yàn)，也無法了解掌握企業(yè)的實(shí)際設(shè)計(jì)生產(chǎn)流程，培養(yǎng)的畢業(yè)生難以滿足企業(yè)的需求。此外，傳統(tǒng)教學(xué)方式的考核方式比較單一，以考試成績?yōu)橹饕u(píng)定依據(jù)，學(xué)生為了應(yīng)試，忽略上機(jī)練習(xí)及實(shí)際操作，缺乏實(shí)踐能力，與企業(yè)對(duì)人才技能的需求脫節(jié)。本文針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的問題，對(duì)專題專業(yè)培養(yǎng)模式進(jìn)行不斷變革，通過建立“理論+虛擬仿真+實(shí)驗(yàn)”的三位一體新的教學(xué)模式，探索一條能夠培養(yǎng)滿足當(dāng)前企業(yè)所需專業(yè)人才的培養(yǎng)途徑。

2 《模具CAD/CAM》三位一體的教學(xué)模式探討

2.1 教學(xué)目標(biāo)和定位

青島理工大學(xué)作為國家首批地方高?！?11計(jì)劃”建設(shè)單位、全國首批深化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革示范高校、山東省重點(diǎn)建設(shè)的應(yīng)用基礎(chǔ)型人才培養(yǎng)特色名校，在教學(xué)方面一直注重學(xué)生創(chuàng)新與實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

《模具CAD/CAM》課程是本校材料成型與控制工程專業(yè)模具設(shè)計(jì)制造方向的限定選修課。本課程旨在培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造技術(shù)解決本專業(yè)問題的能力，學(xué)習(xí)模具結(jié)構(gòu)、沖壓工藝以及CAD/CAM開發(fā)的基本原理和方法。課內(nèi)教學(xué)內(nèi)容主要為模具CAD/CAM的基本原理，模具CAD/CAM系統(tǒng)基本功能組成，模具設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，成型過程，幾何造型與圖形處理方法等。上機(jī)及實(shí)驗(yàn)課通過對(duì)圖形變換、幾何造型、注塑模CAD/CAM應(yīng)用系統(tǒng)、銑削加工編程、注塑模向?qū)У难菔荆鰪?qiáng)學(xué)生對(duì)模具CAD/CAM設(shè)計(jì)方法、特點(diǎn)及優(yōu)越性的感性認(rèn)識(shí)，學(xué)生采用上機(jī)操作、虛擬仿真和實(shí)驗(yàn)實(shí)操等方法完成圖形變換、幾何造型、注塑模的設(shè)計(jì)及銑削加工編程流程。通過學(xué)習(xí)和掌握模具CAD/CAM的原理、方法與技術(shù)，以適用制造業(yè)的發(fā)展和社會(huì)需要。

通過對(duì)青島周邊大量模具設(shè)計(jì)制造企業(yè)的調(diào)研，了解到汽車及家電產(chǎn)品的模具設(shè)計(jì)制造行業(yè)發(fā)展前景非常廣闊。充分聽取企業(yè)對(duì)模具專業(yè)畢業(yè)生專業(yè)技能和職業(yè)素養(yǎng)的要求，重新調(diào)整優(yōu)化專業(yè)課程體系，制定更加合理的教學(xué)內(nèi)容和課程計(jì)劃。其中，大部分企業(yè)采用UG NX軟件進(jìn)行模具CAD/CAM的設(shè)計(jì)制造。為了與行業(yè)和企業(yè)需求接軌，本課程采用UG NX11.0進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和模具的設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)及數(shù)控編程等。UGNX軟件功能強(qiáng)大，具有獨(dú)立運(yùn)行的集成管理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是CAD/CAM/CAE各部分?jǐn)?shù)據(jù)能夠進(jìn)行自由切換；良好的二次開發(fā)接口和輔助工具可以讓用戶自己創(chuàng)建個(gè)性外部插件。

2.2 提高教師的創(chuàng)新實(shí)踐能力

《模具CAD/CAM》專業(yè)課教師是否具備工程實(shí)踐能力是培養(yǎng)高素質(zhì)工程人才的重要影響因素，既關(guān)系到教師的職業(yè)生涯發(fā)展，還關(guān)系到課程教育教學(xué)改革的成效。從高校畢業(yè)后剛?cè)肼毜那嗄杲處煷蠖嚅L期從事理論研究，缺乏在企業(yè)一線工作的經(jīng)驗(yàn)，難以接觸企業(yè)工程項(xiàng)目，在教學(xué)過程中缺乏企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際案例，教學(xué)內(nèi)容難以與企業(yè)所需掛鉤，教學(xué)效果差[6]。此外，原先具有企業(yè)工程背景的教師，由于長期脫離企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，工程經(jīng)驗(yàn)技術(shù)無法實(shí)時(shí)更新，從而與不斷發(fā)展更迭的工程技術(shù)發(fā)生脫節(jié)，難以適應(yīng)當(dāng)前企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)際。因此，提高教師的工程實(shí)踐能力，是提高專業(yè)教學(xué)質(zhì)量、拓寬教師資深職業(yè)發(fā)展道路、建設(shè)高素質(zhì)師資隊(duì)伍及有效培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的重要任務(wù)。

針對(duì)上述問題，學(xué)校加強(qiáng)頂層建設(shè)，對(duì)教師工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)和提升進(jìn)行總體規(guī)劃。出臺(tái)一系列政策鼓勵(lì)年輕教師深入企業(yè)聯(lián)合參與課題研究，推薦具有博士學(xué)歷的年輕教師到企業(yè)中掛職鍛煉。同時(shí)，積極鼓勵(lì)教師外出參加課程研討班和技術(shù)培訓(xùn)，學(xué)習(xí)其他高校相關(guān)課程的教學(xué)和實(shí)踐方法，并結(jié)合自身工程化的特色，對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行更新，以提高教師的工程實(shí)踐能力，為學(xué)生提供接觸企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際與科技前沿、了解社會(huì)等機(jī)會(huì)，促進(jìn)專業(yè)工程教育水平的提升。此外，為進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)科人才培養(yǎng)，本專業(yè)還積極組織教師申請(qǐng)和落實(shí)產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目和橫向課題，到企業(yè)鍛煉與開展科技合作，加強(qiáng)對(duì)外交流與學(xué)習(xí)，把握工程前沿技術(shù)，在增強(qiáng)與企業(yè)合作的同時(shí)，也很好地培養(yǎng)了教師的工程實(shí)踐能力。

同時(shí)，與專業(yè)相關(guān)的企業(yè)建立產(chǎn)學(xué)研合作基地與創(chuàng)新實(shí)踐基地，并聘請(qǐng)具有豐富工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的企業(yè)工程技術(shù)人員為兼職導(dǎo)師，充分發(fā)揮實(shí)踐基地企業(yè)高水平技術(shù)專家及技術(shù)骨干的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建校企合作協(xié)同育人機(jī)制，共同開發(fā)符合企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際的校企合作共建課程內(nèi)容，用于本專業(yè)教學(xué)和創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)，使學(xué)生全面了解和掌握本行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀以及先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)工藝和設(shè)備等。

上述措施為《模具CAD/CAM》三位一體的教學(xué)模式的探索和開展提供了有力保障。

2.3 教學(xué)模式

教學(xué)環(huán)節(jié)以注塑模CAD/CAM章節(jié)為例，講述構(gòu)建的“理論+虛擬仿真+實(shí)驗(yàn)”課程體系。

由于課時(shí)壓縮，課堂學(xué)時(shí)較為緊張，部分章節(jié)的學(xué)習(xí)內(nèi)容需要學(xué)生提前預(yù)習(xí)，借助學(xué)校數(shù)字圖書館的中國MOOC大學(xué)、超星泛雅及其他網(wǎng)上學(xué)習(xí)平臺(tái)進(jìn)行預(yù)習(xí)。課前，讓學(xué)生復(fù)習(xí)專業(yè)課學(xué)過的注塑模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等內(nèi)容，并查閱文獻(xiàn)了解注塑模設(shè)計(jì)制造的最新研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

課堂上，講解注塑模CAD/CAM概述及注塑模結(jié)構(gòu)CAD等基礎(chǔ)內(nèi)容，利用問題導(dǎo)入，讓學(xué)生對(duì)模具設(shè)計(jì)制造的最新技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)展開討論，鍛煉學(xué)生的綜述表達(dá)能力，激發(fā)學(xué)生思維。對(duì)學(xué)生的討論結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，向?qū)W生介紹當(dāng)前行業(yè)所采用的模具CAD/CAM技術(shù)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，明確學(xué)習(xí)目的。

在上機(jī)課，利用UG NX 11.0進(jìn)行簡單注塑模型芯及型腔部件的CAD設(shè)計(jì)演示。學(xué)生在先修課中已經(jīng)學(xué)習(xí)了《計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（UG）》，具備UGNX的操作基礎(chǔ)。通過上機(jī)練習(xí)，可以較快地了解注塑模CAD/CAM，熟練掌握并通過UG NX 11.0軟件進(jìn)行注塑模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的流程，能夠利用建模模塊進(jìn)行簡單的注塑模零件設(shè)計(jì)。給學(xué)生提供簡單的注塑模型腔零件，讓學(xué)生通過NX11.0的進(jìn)行型腔零件的三維模型建模，鍛煉CAD設(shè)計(jì)操作能力。利用課上講解的知識(shí)，對(duì)該工件進(jìn)行工藝分析和加工工藝設(shè)計(jì)，分析零件需要加工的部位，選擇加工方法，確定加工工序。借助UG NX 11.0的CAM模塊進(jìn)行自動(dòng)數(shù)控編程：導(dǎo)入自己建立的注塑模型腔零件3D模型，選擇合適的加工環(huán)境（如型腔銑），依次進(jìn)行如下操作：創(chuàng)建加工程序和加工順序，便于管理工序；創(chuàng)建刀具并進(jìn)行編輯，根據(jù)工藝設(shè)計(jì)結(jié)果，創(chuàng)建刀具并進(jìn)行刀具參數(shù)設(shè)置；創(chuàng)建幾何，指定工件及毛坯的加工表面和加工范圍；創(chuàng)建加工方法，主要有粗加工、半精加工、精加工等，定義幾何邊界條件、切削余量、內(nèi)外公差和進(jìn)給速度等；隨后，根據(jù)工藝設(shè)計(jì)結(jié)果，創(chuàng)建操作生成刀路。讓學(xué)生通過2D和3D可視化直觀地對(duì)刀路進(jìn)行檢查驗(yàn)證，檢查無誤后進(jìn)行確認(rèn)，選擇合適的后處理器，對(duì)產(chǎn)生的刀軌進(jìn)行后處理，生成并導(dǎo)出數(shù)控機(jī)床能夠識(shí)別的數(shù)控代碼。同時(shí)還需生成車間文檔。

在教學(xué)過程中，創(chuàng)新性的加入虛擬仿真過程。虛擬仿真練習(xí)過程采用斯沃?jǐn)?shù)控系統(tǒng)仿真軟件。斯沃?jǐn)?shù)控仿真軟件包含的操作面板和操作系統(tǒng)非常全面，還具備手動(dòng)編程和導(dǎo)入程序模擬加工功能，可以使學(xué)生有數(shù)控機(jī)床操作的真實(shí)感和沉浸感，了解各種系統(tǒng)的數(shù)控車床、數(shù)控銑床及加工中心等操作。通過仿真練習(xí)過程，使學(xué)生達(dá)到實(shí)物操作的練習(xí)目的，同時(shí)能避免在操作不熟練的情況下?lián)p壞機(jī)床。學(xué)生將UG NX 11.0的CAM模塊導(dǎo)出的數(shù)控代碼導(dǎo)入斯沃?jǐn)?shù)控仿真軟件的數(shù)控系統(tǒng)，加載待加工工件的三維模型，選擇合適的夾具進(jìn)行裝夾，在虛擬數(shù)控系統(tǒng)上操作數(shù)控機(jī)床，進(jìn)行模擬加工操作。虛擬仿真過程可以讓學(xué)生提前熟悉從生成數(shù)控代碼到機(jī)床加工的整個(gè)流程。最后，學(xué)生對(duì)操作系統(tǒng)和操作設(shè)備比較熟悉的前提下，通過實(shí)驗(yàn)課，在工程實(shí)訓(xùn)中心的數(shù)控機(jī)床上分組進(jìn)行操作，加工出課堂上所設(shè)計(jì)的注塑模型腔零件。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是《模具CAD/CAM》課程中重要的授課環(huán)節(jié)，可以在現(xiàn)場(chǎng)解決學(xué)生提出的技術(shù)問題，引導(dǎo)學(xué)生觀察技術(shù)要點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)講解與生產(chǎn)實(shí)際相關(guān)的技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)。學(xué)生通過機(jī)床實(shí)物操作，能熟練掌握所操作的數(shù)控系統(tǒng)，并能在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行加工操作，處理加工和操作過程中出現(xiàn)的相關(guān)問題，加強(qiáng)理論與實(shí)踐能力。

2.4 評(píng)價(jià)體系

傳統(tǒng)教學(xué)模式下，期末考試是主要的考核方式。本?！赌＞逤AD/CAM》2017舊版教學(xué)大綱的考核方式中，期末成績占比80%，實(shí)驗(yàn)占比20%。隨著教學(xué)模式和教學(xué)方法的改革，課程考核模式也需要進(jìn)行變革。根據(jù)課程設(shè)計(jì)要求和目標(biāo)，以全面發(fā)展和注重差異為原則，針對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容建立一套評(píng)價(jià)科學(xué)、描述可觀、質(zhì)量過程相結(jié)合，與“三位一體”新教學(xué)模式相適應(yīng)的考核體系，如表1所示。新的考核體系，注重課程學(xué)習(xí)過程評(píng)價(jià)和最終評(píng)價(jià)相結(jié)合。其中，理論知識(shí)考核占比30%，將軟件和設(shè)備操作作為非常重要的考核部分，占比70%，重視學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)和考核。該考核方式能夠比較全面地反映學(xué)生在理論學(xué)習(xí)、軟件操作和實(shí)操各個(gè)階段的學(xué)習(xí)情況，以便于在學(xué)期末進(jìn)行課程分析和課程總結(jié)，對(duì)課程進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。

表1 “三位一體”教學(xué)模式的考核體系

3 結(jié)語

隨著社會(huì)和制造企業(yè)對(duì)專業(yè)技術(shù)人員創(chuàng)新實(shí)踐能力需求的不斷提高，高校應(yīng)該不斷進(jìn)行課程改革的探索和實(shí)踐，培養(yǎng)具有創(chuàng)新素質(zhì)與工程實(shí)踐能力的技術(shù)人才。與《模具CAD/CAM》課程傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，通過構(gòu)建“理論+虛擬仿真+實(shí)驗(yàn)”一體化專業(yè)培養(yǎng)模式，通過多種教學(xué)手段和平臺(tái)，挖掘?qū)W生的創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生的實(shí)踐能力，使學(xué)生具備扎實(shí)的理論基礎(chǔ)及企業(yè)所需的專業(yè)實(shí)踐技能。通過“三位一體”教學(xué)模式的探索與實(shí)踐，逐步構(gòu)建一套注重學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)的教學(xué)體系，積累了一定的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，為更多專業(yè)課程創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)奠定了良好的基礎(chǔ)。

然而，“三位一體”教學(xué)模式仍有很多不足之處，需要不斷持續(xù)改進(jìn)。主要存在如下問題：（1）課時(shí)不足，模具CAD/CAM軟件操作、數(shù)控系統(tǒng)操作及數(shù)控機(jī)床的實(shí)操都需要大量的練習(xí)時(shí)間才能熟練掌握，在學(xué)時(shí)被壓縮的前提下，如何協(xié)調(diào)優(yōu)化各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)是亟須解決的一個(gè)重要問題；（2）“三位一體”教學(xué)模式多樣，如何制定更為合理的教學(xué)計(jì)劃、項(xiàng)目設(shè)計(jì)和試驗(yàn)計(jì)劃以有效地銜接各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，是另外一個(gè)需要解決的重要問題。