培養創新人才 探索“數字化設計與制造”教學改革

徐 巍

(上海交通大學 工程訓練中心， 上海 200240)

0 引 言

近年來，隨著計算機、信息處理、圖形圖像和網絡技術的飛速發展，以設計數字化、制造裝備數字化、生產過程數字化、管理數字化和企業數字化為主要內容的數字化設計與制造技術逐步滲透到各領域中，熟練應用數字化設計與制造技術是現代大學生必須具備的能力[1-3]。

在創新人才的培養過程中，理論學習是基礎，思維是關鍵，實踐是根本。實踐教學的目的是培養學生的實際操作能力、工程應用能力和創新思維能力[4]。加強實踐教學的改革與創新，需要把握實踐教學的特征，改革實踐教學的模式，構建系統性的實踐教學體系[5]。我們進行的“數字化設計與制造”的教學改革探索就是要建立一個綜合性實踐教學課程體系，注重學生的實際操作能力和思維能力，以數字化設計技術為引導，以學生為中心，以任務形式串聯起與數控技術、激光技術、快速成形技術之間的聯系，強調知識的實用性和實踐性，對培養學生的實際操作能力和工程應用能力具有重要的意義[6-7]。

2 以CAD/CAM技術為引導，構建“數字化設計與制造”的教學體系

2.1 傳統教學體系的局限性

工程訓練中心經過多年的實踐教學建設，在機械制造基礎實踐課程中已經開設了CAD/CAM技術、數控車床、數控銑床、激光加工、快速成形、測量技術等多個實踐教學項目。傳統的實踐教學方式多以驗證性為主，實習時以教師指導為中心，學生只是被動地操作、驗證，滿足于完成實習報告，各項目實習之間相對獨立，在知識的銜接上容易出現死角，這種現象在國內高等院校實踐教學中普遍存在。

2.2 “數字化設計與制造”教學體系

針對傳統教學中存在的問題，我們提出了“數字化設計結合制造技術”的指導思想，并在理論與實踐教學體系、創新能力與工程應用能力培養等方面開展了系統、全面地探索與研究[8]。以CAD/CAM技術為引導，分別將二維CAD技術與激光技術，三維CAD技術與快速成形技術，CAM技術與數控技術相串聯，突出項目之間的關聯性、系統性。在整個教學過程中，不是以老師為中心，而是要發揮學生的獨立思考和創造性，學生帶著任務和問題來進行實踐學習，學習更有目的性[9-10]。

2.2.1二維模型設計與激光加工技術

通過實踐教學將二維模型設計與激光加工技術結合起來，整個教學過程中學生首先應該掌握二維模型設計的方法和技巧、激光加工的原理和特點以及激光設備的使用方法等理論知識，然后學生以組隊形式構思作品，分組討論方案，通過CAD軟件對確定好的構思進行二維數字化設計，再使用激光加工制作，最后組裝完成作品，通過實物模型來檢查構思設計的合理性，將CAD技術與激光加工這兩個獨立的實習模塊串聯起來，實踐學習更有目的性和應用性，增強學生的團隊協作和動手能力，圖1為激光加工作品。

圖1 激光加工作品(馬車)

2.2.2三維模型設計與快速成形技術

理論知識是基礎，創新思維是關鍵，實踐是保障。隨著快速成形技術的日益普及，把夢想轉變成現實也越來越方便了。在整個教學過程中學生首先應該掌握三維數字化建模方法和技巧、快速成形技術原理和特點、分層參數的意義、設備操作等理論知識，然后學生以分組討論形式完成模型的構思、數字化建模和成形制作，最后組裝完成作品，通過實物模型對結構設計、造型設計和基本功能要求進行驗證。通過實踐學習，將單一的三維模型設計與實際的成形制作結合起來，學生能夠獨立完成模型產品的構思—應用開發—設計—制作—成品的完整過程，圖2所示為快速成形作品。

圖2 快速成形作品(小車)

2.2.3CAM技術與數控技術

很多院校都開設了數控技術、切削機床與刀具、CAM實習項目，但由于帶教老師都針對各自的實習內容制訂教學計劃，造成各項目之間相互獨立。通過調研發現很多學生在使用CAM軟件進行編程時根本不考慮數控加工工藝，造成知識銜接上存在死角[11]。因此，我們將兩者串聯起來，整個教學過程中首先講解CAM軟件的操作方法和技巧、數控加工原理和特點，著重講解數控加工的工藝性，掌握理論知識后分組對圖紙進行工藝分析，通過電腦進行自動編程，模擬仿真，生成指令代碼，通過網絡傳輸給數控機床，加工出符合精度要求的零件，圖3為數控加工零件。通過2個零件之間的配合來互相檢測加工的正確性，整個教學過程弱化了數控指令的講解，更注重學生數控加工工藝的正確理解，以及實際操作中如何設置刀補對精度的控制，有利于學生今后能夠獨立完成數控加工任務，更突出實踐教學的應用性。

3 教學改革效果

實踐教學是培養學生創新意識和實踐能力的重要平臺，通過“數字化設計與制造”教學改革的探索，建立了系統化的實踐課程體系，將多學科項目串聯起來，顯示出該實踐教學體系的綜合性和高度交叉性。學生在項目實習過程中更有目的性，加強了學習的主動性，充分體現了學生在實習過程中的主體地位和教師的啟發式引導作用，提高了學生學習和應用知識的綜合能力，對學生今后的學科實踐活動打下扎實的基礎[12-13]。根據學生的專業以及自身學習能力，組織不同的實驗模塊來培養學生，盡可能做到有的放矢，避免傳統的單一實驗模式對教學資源的浪費[14]。經過1年左右學生的實踐教學積累，效果還是十分明顯的，大大提高了學生實踐學習的熱情和興趣，全面提升了學生的綜合素質。

圖3 數控加工零件(配合件)

4 結 語

高等教育的工程實踐教學建設是一個復雜的系統工程，需要不斷深化教學改革，面向工程，理論實踐并蓄，加強實驗設施的建設，培養學生的創新能力和工程實踐意識[15-16]。“數字化設計與制造”的實踐教學改革，符合工程訓練中心的培養創新型人才的教學改革思路，促進實踐教學改革的深入發展，意在加強培養學生的創新意識、工程綜合素質與工程實踐能力。

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