付君健 杜 轩 周祥曼
三峡大学机械与动力学院 湖北宜昌 443002
1 概述
我国人才培养与科技创新资源丰富,有能力培养大批高层次应用型人才。为了贯彻落实国家中长期教育改革和发展规划纲要,大力推进全面育人的人才培养模式改革,需逐步发展并形成学校教育与产业深度合作的格局,实现人才培养与企业生产、社会发展需要的精准对接,既能让学生锻炼技能、提升服务水平,又为产业及社会经济发展提供专业人才支持。
CAD/CAM技术基础是机械设计制造及其自动化等机械类专业的重要专业课程[1],其教学目的是培养学生了解、应用和开发各类工业软件的基本能力,以及从事产品开发、生产和系统集成的综合能力。CAD/CAM技术在工业场景中有广泛应用,非常适合作为面向应用型人才培养教学改革的突破点。在应用型人才培养的新形势下,传统章节式教材和纯理论式教法已无法满足应用型人才培养的需要[2-4]。因此,有大批学者对CAD/CAM技术基础课程开展教学改革研究,提出了虚拟仿真教学[5]、混合教学模式[6]和项目式教学方法[7-8]。分析可知,CAD/CAM基础教学改革核心在于课程体系和教学方法的创新,而基于项目式的教学方法是目前主要的课程改革方向。而基于项目式教学的核心在于设计教学案例,教学案例的设计不可完全依赖工程项目,需在案例设计中体现技术的先进性和理论知识的综合性。
因此,结合应用型人才培养和课程教学案例的设计要求,本文围绕机械制造和工业软件应用领域设计了两个综合性案例,为了CAD/CAM技术基础课程教学改革提供了参考案例。
2 应用型人才培养的课程建设要求
一是要重构课程教育理念。应用型人才要兼备高深的知识素养和解决复杂工程问题的能力,传统课程教育思想重理论、重书本,而应用型人才培养需强化重应用、重实践,需在一定程度上改变“重学轻术”的教育观点,因此需要重构课程理念来指导课程改革,解决高校教学和社会需求相脱节的问题[9]。
二是要优化课程教学大纲。针对应用型人才培养而言,仅依靠高校教师制定教学大纲无法实现,要有针对性地吸纳企业专家参与制定教学大纲。教学大纲应由不同知识背景的专家参与制定,高校教师和企业专家都应是教学大纲制定的核心成员,高校教师基于知识体系提出教学大纲的基本框架,企业专家从工程应用角度给出教学大纲实践环节的实施方案,实现教学大纲中理论基础和实践应用的合理分配。
三是要改革课程教学方法。为了培养学生的实践应用能力,充分调动学生的积极性和创造性。针对工科专业,应采用启发式和互动式的教学方法,如案例教学法、项目教学法、现场教学法等。同时,开展“引企入教”的教学改革研究,以高校老师教学为主体,引导企业教师深度参与课程的教学,以多种方式参与建立专业课程的教学机制,如课程规划、教材开发、教学设计、教学考核等,促进企业需求融入专业课程的教学环节。支持和鼓励企业专家担任课程的企业指导教师,推行融合企业生产环境的应用型人才培养教学模式。
四是要完善课程评价机制。应用型人才的培养需建立一套与课程相呼应的课程评价机制。改变课程成绩的评定方式,降低试卷考试成绩的占比,提高案例和项目考核的成绩占比。强化学生学习过程评价,阶段性地开展案例和项目分享与展示。在阶段性考核评价过程中,采用项目报告和答辩的形式,采用小组互评、老师参评的形式,提高学生在考核过程中的参与程度,让学生学会主动思考和解决复杂工程问题,考查学生对知识的应用能力,以及理解、判断、分析和表达的能力。
3 应用型人才培养的课程案例设计要求
在课堂教学中借助案例库有助于学生对理论知识的理解和掌握,也能帮助学生将理论与工程实践相结合,培养学生应用理论知识解决复杂工程问题的能力。因此,CAD/CAM技术基础课程的案例库设计应符合以下要求。CAD/CAM技术基础课程涉及机械工程、计算机科学、力学和数学等多学科领域的知识,与机械工程实践紧密结合,在案例库建设过程中应首先注重案例的综合性。在课程案例设计中应避免教师主导,通过在案例实施过程中教师与学生互动,激发了学生自主思考和自主学习。案例的设计应与工程实际紧密贴合,围绕CAM/CAM工业软件的应用和开发进行设计,让学生开拓了学术和工程视野,既能学以致用,又能为科学研究打下坚实的基础。
4 综合案例设计
基于案例设计要求,本文设计了CAD/CAM技术基础课程的两个综合性案例。
4.1 齿轮CAD/CAM综合案例
针对机械制造应用领域,提出了齿轮CAD/CAM综合案例。如下图所示,围绕CAD/CAM技术基础课程中的核心理论教学内容,如数据处理、图形处理、几何建模、工程分析、工艺设计、数控加工等,与实际工程项目中的齿轮参数化、渐开线生成、齿轮三维建模、齿轮加工分析、齿轮加工工艺、齿轮数控编程等进行结合,设计了以齿轮CAD/CAM为应用场景的综合案例。
(a)数据处理 (b)图形处理 (c)几何建模
(d)工程分析 (e)工艺设计 (f)数控编程齿轮CAD/CAM综合案例设计图
(1)在数据处理章节,设计齿轮的参数化程序,实现不同参数齿轮的数据存储与调用。
(2)在图形处理章节,通过图形处理的平移和旋转基本变化,融合复合变换技术,从齿轮齿条啮合揭示齿轮渐开线的生成原理。
(3)在几何建模章节,基于三维建模软件,研究渐开线直/斜齿轮的三维模型的参数建模技术。
(4)在工程分析章节,建立齿轮铣削的有限元接触分析模型,揭示齿轮在加工过程中的受力与变形情况。
(5)在加工工艺章节,基于极坐标变化和图形变化技术,设计齿轮的粗加工和精加工工艺过程文件。
(6)在数控编程章节,基于图形变化技术将齿轮渐开线生成的复合变化进行分解,形成一个旋转轴和两个直线轴的复合运动方程,并编写齿轮渐开线生成的G代码,并在数控加工软件中进行加工仿真。
通过设计齿轮CAD/CAM综合案例,将本课程六个核心章节进行串联,学生在完成综合案例的过程中,既掌握了实际工程应用中的知识和技能,又培养了解决复杂工程问题的能力。
4.2 工业软件开发综合案例
针对工业软件开发应用领域,提出了工业软件开发综合案例。围绕本课程中图形处理、几何建模、工程分析、数控加工等核心章节,与Python语言编程结合,将工业软件开发中的图形变换、CAD技术、CAE技术和CAM技术进行融合,设计以工业软件开发为应用场景的综合性案例。
(1)在图形处理章节,以CAD软件中常用的平移、旋转、缩放、镜像等功能为启发,教授学生如何通过Python程序语言编程实现CAD软件的相关操作。
(2)在几何建模章节,对CAD软件的核心模块—几何内核进行讲解,基于OpenCASCADE开源几何内核,进行CAD软件开发实践教学。
(3)在工程分析章节,以牛顿定律、胡克定律为基础,讲授基于弹簧元的有限元理论及建模,并通过Python语言编程,实现较基础的有限元模型的建立与求解。
(4)在数控编程模块,依然基于OpenCASCADE开源几何内核,通过应用布尔运算技术,实现CAM技术中被加工模型的实时生成与可视化。
工业软件开发综合案例涉及工业软件中常用的基本功能,可揭示工业软件开发的神秘性,让学生对常用软件的基本原理有更深入的理解,掌握软件开发的基本知识和技能。
5 综合案例教学实施
5.1 课前准备
针对两个综合案例,在进行教学环节之前需有一定的知识储备和工具准备。在知识储备方面,学生需完成先修课程的学习,包括Python程序设计、机械制图、机械原理、机械设计、机械制造基础等。在软件工具方面,需对常用的三维CAD/CAE/CAM软件有一定了解,申请相关软件的学生版或教育版授权,并安装Anaconda和PyCharm集成开发环境。
5.2 教学实施
(1)引导案例展示:以齿轮加工机床、重型锻压设备及其关键零部件为例,讲解大模数齿轮加工技术,以国产三维CAD软件介绍为例,讲解工业软件基本功能及我国面临的卡脖子难题,引导学生思考相关技术在工业生产中的重要性。
(2)课程目标讲解:围绕工程教育认证课程目标与毕业要求、教学内容的对应关系,对CAD/CAM技术基础的课程目标及内涵进行讲解。例如,课程目标1:了解复杂机械产品开发过程中涉及的CAD/CAM技术的基本内涵和功能,了解计算机软硬件基础知识与计算机程序设计基本方法;课程目标2:针对复杂机械产品设计、分析与制造等环节,具备选择和使用CAD/CAM工业软件的能力,了解CAD/CAM工业软件的开发技术。
(3)课程任务解析:由于案例综合性较强,对两个综合性案例涉及的知识点进行分解,将完成案例所需技术和课程理论教学知识点进行逐一讲解,对先修专业课程的重点知识和编程基础进行回顾,梳理案例实施过程中的重点和难点。
(4)软件工具介绍:对本课程中涉及的CAD/CAE/CAM及Python编程软件的基本功能进行介绍,讲述不同软件在案例实施过程中的作用。由于学时限制,为学生提供相关软件学习资源,引导学生课后自学软件基本操作。
(5)考核方式讲解:本课程更加注重对学生解决复杂工程问题能力的过程性考核,区别于传统试卷考核的主导形式。本课程将以报告、答辩和考试的形式进行考核,学生需在结课时提交实践报告,并选两个综合案例之一进行现场答辩,展示案例的实施过程,分析案例实施的结果。
结语
针对机械类专业应用型人才培养的需求,以CAD/CAM技术基础课程为对象,对教学案例设计进行了研究,提出了面向机械制造和工业软件应用领域的综合性案例,给出了综合性案例的教学实施办法,培养学生了解、应用和开发各类工业软件的基本能力。
