系統(tǒng)工程視角下《CAD/CAM 技術(shù)》的教學(xué)改革與實(shí)踐

侯俊劍 都金光 馬 軍 明五一 何文斌

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002）

《CAD/CAM 技術(shù)》作為本科專(zhuān)業(yè)課，其內(nèi)容包括產(chǎn)品建模技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助工程分析、CAPP 系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控加工，基于PDM 的CAD/CAM 集成技術(shù)等，教學(xué)內(nèi)容覆蓋面較寬，在時(shí)空上涵蓋了從計(jì)算機(jī)硬件架構(gòu)到軟件系統(tǒng)，從產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)到裝配質(zhì)檢的理論知識(shí)和技術(shù)，還使學(xué)生了解到產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)過(guò)程中存在的工程問(wèn)題及解決問(wèn)題的方法[1]。該課程同計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、設(shè)計(jì)方法學(xué)、計(jì)算機(jī)軟硬件、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)具有關(guān)聯(lián)性，其發(fā)展和應(yīng)用對(duì)制造業(yè)產(chǎn)生了巨大的影響和推動(dòng)作用。

充分體現(xiàn)CAD/CAM 技術(shù)在當(dāng)前應(yīng)該達(dá)到的科學(xué)和技術(shù)水平是本課程多年來(lái)力行教學(xué)改革的內(nèi)在動(dòng)力。《CAD/CAM 技術(shù)》課程雖然在過(guò)去進(jìn)行了一系列的教學(xué)改革，但其指導(dǎo)思想基本上還是以教師灌輸，學(xué)生被動(dòng)接受為主[2]。對(duì)于這樣一門(mén)內(nèi)容龐雜，實(shí)踐性強(qiáng)的課程，如何能夠在既達(dá)到當(dāng)前教學(xué)目標(biāo)、滿足學(xué)生今后求職市場(chǎng)多樣化需求的前提下，提升《CAD/CAM 技術(shù)》課程的系統(tǒng)性和協(xié)同性，培養(yǎng)學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力成為當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。

1 基于系統(tǒng)工程論的《CAD/CAM 技術(shù)》教學(xué)改革思路

系統(tǒng)工程的基本思想，就是將對(duì)象視為一個(gè)整體分層次、分步驟的分析和研究，再進(jìn)行綜合、歸納和演繹，使之最有效的完成任務(wù)。機(jī)械生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)既有聯(lián)系又相對(duì)對(duì)立，是一種離散的分布式過(guò)程，呈現(xiàn)復(fù)雜多變的特性。

《CAD/CAM 技術(shù)》涵蓋了產(chǎn)品從原材料采購(gòu)、研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造到銷(xiāo)售服務(wù)全生命周期的信息傳遞規(guī)律。從系統(tǒng)論的觀點(diǎn)來(lái)分析和研究這一過(guò)程，傳統(tǒng)意義的《CAD/CAM 技術(shù)》課程教學(xué)體系邊界也隨之消融，形成現(xiàn)代CAD/CAM 集成系統(tǒng)的教學(xué)需求，即在保持傳統(tǒng)《CAD/CAM 技術(shù)》課程內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，拓展《CAD/CAM 技術(shù)》外延的總體設(shè)想，根據(jù)這個(gè)需求制定了以下三項(xiàng)具體思路：

（1）以培養(yǎng)學(xué)生分析解決工程問(wèn)題的能力為目的，將教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行模塊劃分、組合和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)教學(xué)體系的系統(tǒng)化；

（2）從培養(yǎng)應(yīng)用型工科專(zhuān)業(yè)學(xué)生的“工程意識(shí)”出發(fā)，以項(xiàng)目為參照點(diǎn)來(lái)設(shè)置課程內(nèi)容，使教學(xué)內(nèi)容的應(yīng)用化；

（3）結(jié)合本科教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，建立服務(wù)于課程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)的教學(xué)改革評(píng)價(jià)機(jī)制。

2 《CAD/CAM》教學(xué)體系的模塊化設(shè)置

《CAD/CAM 技術(shù)》的一個(gè)突出矛盾就是內(nèi)容多而雜，初學(xué)者感到零碎，抓不到要領(lǐng)。而且，CAD/CAM 技術(shù)自身的研究?jī)?nèi)容不斷更新，研究領(lǐng)域也不斷拓展，原課程體系尚未形成，新的教學(xué)要求接踵而至，很難給該課程結(jié)構(gòu)理出一個(gè)清晰的脈絡(luò)。因此，推進(jìn)《CAD/CAM 技術(shù)》課程體系改革，必須首先科學(xué)地界定課程各內(nèi)容的教學(xué)范圍，正確處理教學(xué)內(nèi)容之間的橫向與縱向關(guān)系，使其成為一個(gè)科學(xué)的整體。

例如，三維設(shè)計(jì)能夠全面地反映設(shè)計(jì)對(duì)象，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)成功率大大提高，已成為許多企業(yè)增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力的迫切需要。對(duì)“計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)”一章進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的模塊劃分時(shí)，將機(jī)械設(shè)計(jì)方法學(xué)的原理、方法和思維融合、滲透到工程制圖與三維建模中，形成新的“計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)”基本知識(shí)和理論體系，再將二維制圖內(nèi)容學(xué)習(xí)和三維建模方法的掌握劃分為計(jì)算機(jī)繪圖、構(gòu)形設(shè)計(jì)及繪圖、工程圖樣繪制四個(gè)教學(xué)模塊，穿插進(jìn)行，使學(xué)生在掌握工程制圖的基本知識(shí)、基本技能的同時(shí)，掌握現(xiàn)代的設(shè)計(jì)方法和手段，培養(yǎng)其空間想象能力和創(chuàng)新能力。

依據(jù)上述體系，以軸零件構(gòu)圖為例，首先分析物體，抽象描述。然后得到想象模型，表示用戶所理解的客觀事物及事物之間的關(guān)系，如以二維或三維的草圖方式描述。再次，將想象模型以一定格式轉(zhuǎn)換成符號(hào)或算法表示的信息模型，該模型表示了信息類(lèi)型和邏輯關(guān)系，最后形成計(jì)算機(jī)內(nèi)部表達(dá)的數(shù)字化產(chǎn)品模型。

圖1 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)模塊設(shè)置

3 面向工程師培養(yǎng)的《CAD/CAM 技術(shù)》教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新

針對(duì)CAD/CAM 技術(shù)課程的特點(diǎn)，一方面，CAD/CAM 技術(shù)課程強(qiáng)調(diào)理論的講解，但要與案例分析和軟件工具緊密結(jié)合，最后要落實(shí)到專(zhuān)業(yè)技能的提高上來(lái)。另一方面，作為應(yīng)用型本科院校的學(xué)生不僅要掌握軟件操作，更要掌握CAD/CAM 深層次知識(shí)，軟件只是一個(gè)工具，關(guān)鍵還是具有解決問(wèn)題能力和具有深厚的工程實(shí)踐能力的人，不但要知其然，還要知其所以然。

在教學(xué)上培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)去創(chuàng)造性設(shè)計(jì)和思維。盡管CAD/CAM 研究的對(duì)象得到了擴(kuò)展，但目前產(chǎn)品設(shè)計(jì)仍是CAD/CAM 研究的核心內(nèi)容，而產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要多種技術(shù)綜合支持，各種技術(shù)相互疊加和包容。我們國(guó)家培養(yǎng)了大批繪圖員而不是工程師，設(shè)計(jì)員只會(huì)根據(jù)系統(tǒng)的需要去設(shè)計(jì)，而工程師的創(chuàng)新性工作在于對(duì)知識(shí)和方法的綜合，需要從設(shè)計(jì)方法、成本、質(zhì)量等方面全盤(pán)考慮產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。正如美國(guó)工程院提出，面向2020 年的工程師所具備的關(guān)鍵特征是：分析能力、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)造力等[3]。而我國(guó)只有浙江大學(xué)在研究生階段開(kāi)設(shè)了設(shè)計(jì)方法學(xué)這門(mén)課程，其它高校沒(méi)有系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法學(xué)課程，而德國(guó)則是在本科生階段就展開(kāi)了設(shè)計(jì)方法學(xué)的教學(xué)，不管是學(xué)建筑、車(chē)輛還是機(jī)械，都必須學(xué)習(xí)G.帕爾與W.拜茨撰寫(xiě)的設(shè)計(jì)方法學(xué)。

4 《CAD/CAM 技術(shù)》實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)結(jié)合

實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。《CAD/CAM 技術(shù)》作為一門(mén)工程技術(shù)課程，始于對(duì)自然科學(xué)的實(shí)踐，同時(shí)與市場(chǎng)有著密切聯(lián)系。CAD/CAM 技術(shù)的發(fā)展既受科術(shù)與經(jīng)驗(yàn)的推動(dòng)，又受經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展要求的引導(dǎo)，具有很強(qiáng)的社會(huì)性。因此，《CAD/CAM 技術(shù)》的教學(xué)改革是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，除了課程體系的系統(tǒng)化之外，課程體系與實(shí)踐教學(xué)的銜接也是評(píng)價(jià)教學(xué)改革是否成功的重要指標(biāo)。

基于上述想法，首先將理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。比如，對(duì)“計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品建模”教學(xué)內(nèi)容，單獨(dú)設(shè)立“二/三維幾何圖形變換實(shí)驗(yàn)”，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)產(chǎn)品建模的理性認(rèn)知，并在夾具課程設(shè)計(jì)中得以運(yùn)用；對(duì)附屬于“計(jì)算機(jī)輔助工程”的有限元分析，將其與“計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品建模”共同組成“計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”，以培養(yǎng)提高學(xué)生的動(dòng)手能力和綜合分析問(wèn)題能力，并在機(jī)械制造裝備課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中得到展示；將“計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控技術(shù)”、“計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃”、“計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量工程”三個(gè)教學(xué)內(nèi)容有機(jī)串聯(lián)，設(shè)立“制造執(zhí)行系統(tǒng)與物流仿真實(shí)驗(yàn)”，使學(xué)生對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的控制執(zhí)行等有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，并在機(jī)械制造工藝規(guī)劃課程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)等實(shí)踐環(huán)節(jié)中得到充分運(yùn)用。

表1 是課程體系改革后相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

表1 《CAD/CAM 技術(shù)》實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的結(jié)合

由表1 可以看出，通過(guò)課程體系的改革，特別是實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)與實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的有機(jī)結(jié)合，凝練了理論教學(xué)內(nèi)容，突出了教學(xué)重點(diǎn)。同時(shí)，理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)在內(nèi)容上緊密結(jié)合，成為課程教學(xué)內(nèi)容的自然延伸和必要補(bǔ)充，使學(xué)生能夠更好的認(rèn)識(shí)、理解和把握理論課程中學(xué)到的基礎(chǔ)理論和基本知識(shí)。

5 結(jié)束語(yǔ)

適應(yīng)目前CAD/CAM 技術(shù)日新月異的發(fā)展需求，為市場(chǎng)培養(yǎng)具有創(chuàng)造力和工程意識(shí)的學(xué)生，是改革傳統(tǒng)《CAD/CAM 技術(shù)》教學(xué)體系、內(nèi)容及方法的驅(qū)動(dòng)力，這不僅需要教師能合理把握該課程的教學(xué)進(jìn)度，以良好的科學(xué)素養(yǎng)和市場(chǎng)化視野及時(shí)更新、完善教學(xué)內(nèi)容，更重要的是能在最終目的上體現(xiàn)《CAD/CAM 技術(shù)》的工程應(yīng)用背景，培養(yǎng)具有自主創(chuàng)新、自主創(chuàng)業(yè)的學(xué)生。

［1］馬軍，肖艷秋.基于模塊化思想的CAD/CAM 教學(xué)與實(shí)踐[J].山西科技，2010，25(2)：140-141.

［2］段紅杰，肖艷秋，白代萍.CAD/CAM 系列課程教學(xué)內(nèi)容和課程體系的改革與實(shí)踐[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2012，23(2)：41-44.

［3］王令其，左健民，汪木蘭，等.大工程觀與應(yīng)用型工科教學(xué)改革[J].理工高教研究，2009，2：130-132.