以虛擬仿真實驗平臺為基礎的“材料成形CAD/CAE/CAM”課程教學改革

呂東莉+張濤

摘要：本文從材料成型與控制專業培養的目標與特點出發，總結材料成形CAD/CAE/CAM的課程特點，探討了以虛擬仿真實驗平臺為基礎的“材料成形CAD/CAE/CAM”課程改革的必要性，提出了借助虛擬仿真平臺開展“研討式案例教學”，充分利用網絡資源，合理的利用多媒體手段等教學方法改革的措施，使教學過程靈活多樣化、生動形象化、高效實用化，從而培養學生具有綜合運用材料成型理論方法和技術手段分析并解決工程實際問題的能力。

關鍵詞：虛擬仿真平臺；材料成形CAD/CAE/CAM；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）08-0263-02

CAD/CAE/CAM已成為計算機技術在工程中最重要的應用之一。隨著各行各業對產品“高水平、短周期、高效率、低成本”等要求的不斷提高，材料成形CAD/CAE/CAM推動和促進了科技的進步、技術的發展和經濟的繁榮，同時也代表了現代材料成形技術的發展方向。隨著我國高校本科教學改革不斷發展與深入，學習和掌握材料成形CAD/CAE/CAM已成為材料成型與控制工程專業學生的基本要求。

一、教學改革必要性

“材料成型與控制”是一個典型多學科交叉的專業，在科學技術發展中占有越來越重要的地位。現代社會需要培養寬基礎、高素質、具有創新能力和實踐能力的高水平專業人才，傳統的材料學科教學方法和內容已無法滿足新時期人才培養的需要。為了實現提高學生工程素養，培養學生工程實踐能力、設計能力和創新能力的教學目標，材料成型及控制工程專業課程的教學需要滿足新的要求。材料成形CAD/CAE/CAM是一門基于計算機技術發展起來的多學科綜合性的技術，掌握CAD/CAE/CAM技術已經成為現代工科技術人員及材料成形及控制專業學生的必備技能之一[1，2]。“材料成形CAD/CAE/CAM”課程為學生介紹先進的設計手段，優化計算分析技術和高效高精度加工的相關內容，從而有助于培養學生分析和解決實際工程問題的能力。但由于該課程涉及材料成形方法很多、學科交叉、綜合性強、知識密集等特點，特別是其中CAE的相關內容過于抽象，很難理解，因此在教學中難度很大，若完全采用教師講授的教學方式，不僅師生互動不足，學生學習積極性差，且教學活動必定是學生的應付式學習，無法培養學生分析問題和解決問題的能力，也無法培養其創新意識。因此，為了培養出具有工程素養的創新型人才，有必要對材料成形CAD/CAE/CAM課程教學內容和方法進行相應的改革。

二、教學改革與實踐

材料成型虛擬加仿真平臺憑借其豐富的信息資源、多向交互功能和空間時間無界性，成為了教育高度信息化時代高校教育改革發展的必然趨勢。依托材料科學與工程學院已建立的材料成型虛擬仿真教學平臺，可以實現實時、同時、異地、互動教學和學習的新的教學模式。虛擬仿真教學相較于傳統教學更有利于培養學生良好的信息素養和自主探究學習能力。借助材料成型虛擬加工仿真平臺，在線演繹材料加工中的行為及其結構變化，不僅使許多過去受教學實驗手段不足而無法分析的復雜問題通過仿真平臺成型模擬得到滿意的解答，還可節省大量的時間和成本。此外，通過成型仿真，學生可以自主設計成型工藝參數，觀察工藝參數變化對加工過程的影響，有效提升教學效果。（1）合理運用多媒體教學。“材料成形CAD/CAE/CAM”是材料成型及控制工程專業的基礎課程，其結合了材料成形工藝與計算機技術等相關基礎理論，較傳統的成型工藝學課程更具有實用價值和創新性。該課程包括材料成形CAD建模、CAE模擬仿真、CAM虛擬制造一體化技術，都離不開計算機軟硬件及相關技術，而且課程內容寬泛，概念性強，實踐操作要求高。采用多媒體教學，可將圖像文字、聲音、動畫等多種媒體進行綜合運用，知識容量大，直觀性強，通過音頻和視頻同步講解演示各種成型工藝原理動畫和生產視頻，進行生產場景再現。同時應用多媒體課堂教學拓展了知識的廣度，加強對專業知識的感性認識，通過虛擬實驗把理論和實踐結合起來，奠定了專業理論的知識基礎，并構建出理論體系框架且運用多媒體技術進行課堂教學，充分利用多媒體等現代化教育教學手段已是當前教學改革的趨勢。（2）增加實際案例教學。結合生產中的實際問題進行講解，比單純地采用視頻教學更感性，也使教學內容與生產實際聯系更為緊密。通過對實際案例的分析和討論，學生將書本上的知識靈活運用到實際案例之中，激發了學生的學習興趣，提高了分析和解決問題的能力，對于培養高層次的應用型人才具有重要的意義。（3）以任務驅動教學。學生在學習的過程中普遍缺乏學習動機，在“材料成形CAD/CAE/CAM”課堂教學中可以采用“任務驅動法”，將教學內容設計成一個或多個具體的任務，力求以任務驅動來激發學生的學習動機。通過以某個具體實例為先導，進而提出問題引導學生思考。學生通過思考和課后的資料調研來加深對課題的理解，從而掌握教學內容，達到教學目標，有效培養學生分析問題和解決問題的能力，其核心思想是“以任務為主線，教師為主導，學生為主體。”（4）充分利用網絡資源，強化實驗教學的效果。利用學生在業余時間經常上網的特點，在課堂中引導學生充分利用網絡資源。網絡教學較傳統教學更有利于培養學生良好的信息素養和自主探究的能力。網絡教學能推進現代具備綜合素質和創新能力人才培養目標的實現，是教育信息化和網絡化的必然趨勢，也是建立終身教育體系和實現學習化社會的必由之路[3，4]。利用“材料成形CAD/CAE/CAM”課程的網絡教學體系中課程介紹、教學大綱、教學安排、課程通知、課程作業、課程管理等功能輔助課堂教學，并且引導督促學生在課余強化吸收課堂教學內容，激發學生的學習熱情，強化了專業知識系統。同時，在實驗課的教學過程中，借助虛擬仿真實驗平臺進行師生交流，對實驗過程中的問題進行及時指導，并指引學生對自己感興趣的知識和技術去做深入的學習研究[5]。（5）加強實踐教學。周濟曾指出，我國本科教學質量在世界上是先進的，但也存在嚴重不足，最為突出的就是教學實踐環節非常薄弱，嚴重制約著教學質量的進一步提高[6，7]。“材料成形CAD/CAE/CAM”課程中涉及到材料成型與控制專業中的壓力加工、液態成形、焊接成形等方向，這些專業方向和工程實踐結合非常緊密，在專業培養過程中應盡量加強實踐教學環節（如認知實習、實驗教學、生產實習等），讓實踐性教學環節貫穿整個培養過程，從而使專業課教學中難以理解和消化的相關概念、理論和觀點在實踐教學環節更加形象通俗地被學生接受和消化。

三、結語

材料成型及控制工程專業要求學生具有CAD/CAE/CAM應用能力等專業核心技能與相關知識，針對材料成形CAD/CAE/CAM課程的特點，提出了借助虛擬仿真平臺開展“合作研討式案例”教學、加強實踐教學、充分利用網絡資源、合理利用多媒體手段等教學方法，使教學過程靈活多樣化、生動形象化、高效實用化，同時虛擬仿真技術可突破實驗課在時間與空間上的局限，充分延伸課堂教學內容，展現那些在傳統的教學模式中無法實現的教學過程。因此，充分挖掘和發揮數字化虛擬仿真平臺在成形CAD/CAE/CAM課程教學中的優勢，可以增強學生的感性認識，培養學生的動手能力，從而培養學生具有綜合運用材料成型理論方法和技術手段分析并解決工程實際問題的能力。

參考文獻：

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[5]丁建松，等.基于虛擬仿真的ERP實驗教學設計[J].信息與電腦（理論版），2016，（2）：251-253

[6]周濟.大力加強教學工作切實提高教學質量[J].中國高等教育，2005，（1）：3-7.

[7]李東峰，等.基于“卓越工程師”培養的材料成形CAD課程教學改革實踐[J].湖南工程學院學報（社會科學版），2014，（1）：112-114.