基于學生實踐能力培養的CAD/CAM教學改革探索

陳飛，范揚波，魏碧霞

(1. 福州大學 至誠學院，福建 福州 350002； 2. 福州大學 機械工程及自動化學院，福建 福州 350116 )

0 引言

計算機輔助設計與制造(CAD/CAM)技術是近20多年來迅速發展、廣泛應用的一門新興綜合性計算機和自動化應用技術。作為應用型本科高校機械工程專業，旨在側重培養能在生產一線上從事設計、制造、檢測、技術開發、指導和經營管理的工程應用型人才，重點培養學生應用新技術、新工藝解決實際工程問題的動手能力[1]。通過設置CAD/CAM這門課，可以使學生掌握計算機輔助設計與制造的基本理論與方法，使學生懂得利用理論結合專業軟件完成產品的設計制造過程，既能提高學生實際應用的能力，又能提高學生就業的競爭力。

1 課程特點分析

CAD/CAM這門課程涉及的內容比較廣泛，它涵蓋了計算機與網絡技術、圖形處理技術、工程分析技術、工程數據庫、優化設計、機械設計與制造、數控(NC)技術等多學科的內容，是綜合性、邊緣性、系統性的交叉學科的綜合運用[2]。該門課程包含了理論教學和實踐環節兩部分。理論教學部分講授了CAD/CAM的基本理論，包括硬件和軟件構成、圖形數據結構、計算機圖形學基礎、工程數據處理、曲線和曲面等內容，實踐環節是要求學生掌握一種三維設計應用軟件，如Pro/E、UG、Solidworks、CAXA，學會應用這些軟件中的一種自主完成簡單產品的設計及制造。

由于這門課程內容的廣泛性，使其與先期修過的一些課程有很多關聯性，因此要求學生要先期掌握相應的基礎理論知識，這對修讀這門課的學生也提出了更高的要求。比如，常用圖形數據結構章節內容與學生學習的計算機基礎、編程語言基礎相關，計算機圖形學基礎以及曲線曲面章節內容與線性代數的矩陣內容密切相關，CAM章節又涉及到數控技術方面的內容。一方面這些內容能讓學生感覺到這門課不是全新的課程，易于產生興趣，另一方面，關聯多門課程理論知識也讓部分平時基礎比較薄弱的學生產生了畏難的情緒，對教師的教學和學生的學習效果也提出了挑戰。

2 教學現狀分析

該課程的理論教學和實踐環節的課時比例基本為1:1。在理論教學中，由于是交叉性和綜合性明顯的學科，包含的內容很繁雜，再加上受到學時的限制，很難在有限的時間內將教材內的所有理論知識都進行詳細地介紹，一些章節的講述只能點到為止，無法進行推導與擴展，也無法舉更多例子來對理論進行驗證，這樣會使學生產生學了以后不知如何應用的問題。另一方面，部分理論知識略顯枯燥，比如曲線曲面章節內容，對數學的理論推導及矩陣運用的要求較高，文章描述也略顯枯燥與抽象，很難激發學生主動學習的興趣。總之，傳統教學模式多采用概念、理論、原理的講解為主，老師采用集中說教的授課方式，容易造成學生對所學內容印象不深，理解模糊，產生歧義，并不能將知識點與生產實踐聯系起來，無法理解該門技術在現實應用中的意義，從而無法達到理想的教學效果[3]。

在實踐教學環節，主要采取上機操作的形式，要求學生掌握Pro/E軟件的應用。由于上機的學時也不多，只能重點講述軟件應用的幾個模塊，如實體建模模塊、曲面建模模塊、工程圖模塊、裝配圖模塊、編程加工模塊。在教學的過程當中，多采用任務驅動的方法，以典型零件設計制造為導向，根據學生的總體水平選擇適合難度的教學案例，一定程度上可以幫助學生更有針對性地完成任務。受學時限制，上機教學過程中只是簡要地教會學生基本命令的使用方法，并利用這些命令完成簡單模型的繪制，學生普遍缺乏綜合設計的能力，使其在畢業設計過程當中對該軟件的使用依然停留在初學者階段，體會不出這門課的真正意義和價值，更不用說利用軟件解決實際產品設計中遇到的復雜問題。從長期來看，也無法滿足現代企業對應用型技術人才較高的能力需求。高等教育培養出的CAD/CAM人才決不能只是一個低層次的操作者，而應該是具有一定CAD/CAM理論知識的高智能設計者和CAD/CAM系統及其裝備開發的生力軍[4]。因此，對于這門課程來說，實踐教學環節對學生的專業素質和專業能力的培養起到了舉足輕重的作用。

3 教學改革舉措

由于CAD/CAM是一門理論性和實踐性交叉的綜合性課程，在教學的時候不能厚此薄彼，要認識到理論是為實踐服務的。然而，目前很多本科院校在具體教學時仍然存在教學內容陳舊、方法單一、重理論輕實踐等現象，學生反映欠佳[5]。作為應用型的本科院校，可以根據教學目標的定位不同，在兼顧理論教學和實踐教學的同時，適當重點地加強實踐教學環節。因此，只有從觀念上重視這門課程，從教學上推出改革措施，才能真正提高學生的綜合實踐能力，培養滿足社會、企業需求的高層次人才。

3.1 授課內容及方法的優化

理論課程的內容牽涉的內容多且雜，要根據不同的內容做合理的安排，著重優化與應用相關的內容。對于部分章節，比如數據庫結構、計算機圖形學等內容，學生已經有了一些相應的基礎，在教學的時候對共通性內容可以適當精簡，可以結合課后自學的形式，并對延伸的新知識進行著重討論。這部分內容多采用啟發式、提問式、發現式的教學方法，這樣可以加深學生對其關聯性的理解。對于本課程新的知識，由于學生沒有這方面的理論基礎，要按照循序漸進，由簡到繁，有重點有層次地展開教學，要兼顧內容的基礎性和應用性。對于這部分內容，要多結合多媒體技術，采用圖片、動畫、視頻等直觀的方法，結合一些熱門話題來講解概念和原理，做到圖文并茂，從而吸引學生的注意力，活躍課堂氣氛，激發了學生的學習興趣，也會提高教師的教學效率。要結合實際的案例來講解理論知識，強調其應用方法，對于部分與上機有關的理論知識，可以考慮將其移到上機操作的課堂上去講。在講到參數化設計理論時，直接在機房里以基于Pro/E建立參數化的漸開線直齒輪的模型，通過對齒頂高、齒根高、齒頂圓半徑、分度圓半徑、齒根圓半徑與模數、齒數建立變量關系，實現了“參數更改，模型重生”的參數化設計效果。這樣不僅加深了對理論知識的理解，還可以直接學以致用，起到事半功倍的效果。

上機操作課程都是安排在實驗室機房進行。早期的教學過程當中，為了在有限的學時盡量多的講解軟件的使用，基本上都是采取課堂教師演示操作過程，課后由學生自主復習操作步驟的方法，但是發現效果并不理想。一方面，學生自身的自覺性不高，課后真正會自主練習的很少，總是把練習的時間寄托在課堂上；另一方面，教師的演示過程一般較快，學生很難都能記住，即使課后練習碰到問題，也不能第一時間得到快速解決，從而造成了“看老師操作很容易，自己操作無從下手”的尷尬局面。近幾年針對這個問題，對上機的內容進行了適當重組，減少了一些不常用功能和不實用技巧的講解，增加了課堂上學生練習的時間。上機依然實施模塊化的項目教學法，明確目標，在同一模塊中減少了常用的經典案例，增加了少部分的企業實際案例，加強了理論與實際相結合的程度。在上機教學中引入了奔馳車標、運動水壺、鼠標等生活的產品設計來提高學生的學習興趣；通過完成數控車床橫向和縱向進給系統的裝配及運動仿真實現了與機電裝備課程設計一體化教學的目的；利用Pro/E完成了手機的設計和造型、確定工藝參數、生成刀具路徑、動態模擬、通過后處理功能轉換成NC代碼。這一系列的過程都模擬實際生產應用的流程，讓學生提前感知企業對學生能力的需求。教師還通過機房的同屏顯示軟件將案例的實施操作過程進行分析，并講解操作過程，然后每節課都要留一點時間，給學生操作練習，重復完成剛才老師講解的案例。在學生的操作過程中，會出現各種不同的問題，學生可以當堂提問，教師可以第一時間進行一對一解答。針對一些常見的問題，教師還可以進行集中強調一次，減少學生出錯的概率。如果有需要的話，還可以借助于錄屏軟件，教師在講課過程中邊講邊錄，將課上的操作過程錄制成視頻的格式，便于學生課下復習，提高學習效率[6]。這樣的教學與練習的互動過程，更大程度上保證了學生知識吸收的準確性和應用性，幫助學生在考試和實際應用的時候更加如魚得水。學生的上機考試成績基本集中在80分以上，普遍反映這種“教學做”一體的模式讓他們擺脫了枯燥的純理論教學，這在學生的教務系統的評價上也能得到印證。

3.2 加強過程考核

由于CAD/CAM這門課的實踐性質比較強，在對這門課程考核的過程當中要注重實踐環節考核，不能僅依靠筆試的成績來衡量，要采取多樣化的方法，適當減少筆試的成績占比，使學生的水平能夠得到更全面的評價。在原來的筆試+上機的考核機制的基礎上，增加了綜合應用環節的考核，各個環節的占比如表1所示。作業既包含理論課程的作業，也包含上機操作的作業，主要是以題庫中的習題為基礎，結合學生學習的進程，階段性地布置并進行實時評價；綜合應用的考核可以根據學生的情況作靈活的安排。可以讓學生自主選題，單獨完成某一個產品的設計制造，也可以4-5人1組，由老師給每1個小組1個相應的設計要求或主題，盡可能地貼近實際生活或生產的例子，學生通過查閱文獻資料，任務分工，共同協調完成整體方案設計、零件圖和裝配圖繪制、加工制造等一系列過程，這樣既可以考察學生應用所學知識的能力，也可以培養學生的團隊協作精神。

表1 CAD/CAM過程考核評價表

3.3 加強課外實踐教學環節

應用型人才培養最重要的是應用能力、創新能力的培養[7]。近幾年，我院調整并增加了實踐教學環節的學分，重在培養學生的實踐能力。這些能力的培養不能光靠熟練掌握上機操作來達到，而要加大實踐環節的力度，給學生營造理論聯系實際，案例貼近生產實踐的良好氛圍，這對幫助學生提高CAD/CAM的綜合應用能力起到非常重大的作用。在多個課程設計模塊引入CAD/CAM的應用。在機械設計課程設計中，利用三維軟件設計減速器實體模型；在機械制造工藝課程設計中，利用三維軟件設計夾具結構；在數控技術課程實驗當中，將零件設計和加工制造模塊整合到一起，形成CAD/CAM綜合實驗；在畢業設計環節當中，大面積要求學生要使用三維軟件完成零件造型、裝配、干涉檢查、運動仿真、加工仿真及制造，并配合力學分析軟件等相關技術完成設計課題。這些實踐環節都進一步加強了學生的綜合設計能力，取得了很好的效果。

在實驗教學環節，也給學生提供自主動手實踐的機會。傳統的CAD/CAM實驗教學僅給同一個命題，學生分組完成后檢查實驗效果，這樣使學生的思維無法擴散，降低了實踐能力的訓練。近兩年取消了這種“一題式”的固定模式，改成了“多題自由選擇式”的靈活方法。教師根據學生的總體水平并結合實際生產羅列出一系列的實驗題目，供學生選擇，學生甚至可以跳出題目范圍，自己擬定實驗題目，教師根據題目的范圍和工作量做適當評估。分組學生選定題目后自行查閱相關的文獻資料，讓學生帶著具體的實際問題進行發散思維，并制定實施方案，使其處于開放性的實驗環境當中。教師應把握好方向，引導學生，并對其設計方案、研究內容、技術路線等嚴格把關[8]。在實施改革的兩年時間里，有的學生以學科競賽題目為藍本，相繼完成了無碳小車、家居用品、教學用具等產品的改進和創新設計，也有的學生利用周邊的人脈資源，結合企業需求，設計出了聚會紀念品等新穎的產品，甚至有學生將作品完善后申報了創新創業訓練項目，這些都很好地培養了學生的科研能力。雖然也有部分學生的完成效果不理想，個別還有敷衍現象，但起碼讓他們感受到了理論應用于實際的價值體現，幫助他們樹立正確的就業觀。在今后的實施過程中，要更加注重因材施教，針對不同水平學生靈活布置任務，使學生接受甚至喜歡上這種實踐教學的方式。這種開放性的實驗教學有利于最大程度挖掘學生的實踐潛能，激發他們探索的熱情。通過大量的案例訓練，逐步培養學生處理實際或者模擬設計制造過程。

3.4 重視學科競賽演練

為了深入促進教學改革，提高學生的學習自主性，要重視學科競賽的載體作用，積極組織學生參加各級學科競賽。目前，學生主要參加的是大學生機械創新設計大賽和大學生工程訓練綜合能力競賽，這兩個大賽均要求學生完成相應主題的產品設計，并制造實物進行競賽。這些競賽通過對具體產品的設計建模，可以鍛煉學生對軟件的探索和鉆研等實踐應用能力，是對學生CAD/CAM綜合能力應用的一個考驗和挑戰，也讓學生將平時的訓練付諸實踐。學生參加競賽的全過程也是學生完成課程學習的全過程，通過引入技能競賽，學生對課程的學習有了具體的目標，從而增強了學習的主動性和自覺性[9]。在最近五年的學科競賽里，共獲得了福建省大學生工程訓練綜合能力競賽一等獎2項，二等獎6項，三等獎7項，獲得福建省大學生機械創新設計大賽一等獎13項，二等獎18項，三等獎10項，在為學院爭取了榮譽的同時，也提高了學生的創新能力和實踐能力。今后，還要鼓勵學生參加更多的大賽，如全國三維數字化創新設計大賽、全國大學生機械產品數字化設計大賽等，實現以賽代練，以賽促學，這對學生的個人成長有著巨大的幫助，獲獎的同時對其他的學生也是一種積極的推動，能夠吸引更多的學生加入到競賽的隊伍中，從而建立實踐能力的高效精準培養模式。

3.5 推廣技能證書考試

作為機械工程學生，熟練掌握和操作CAD/CAM軟件已成為必須掌握的一種基本技能。隨著計算機應用在各個領域的迅速發展以及應用要求的提升，必將擴大市場對高端CAD應用人才的需求。目前，一些認證機構已在全國的大中專院校中開展了CAD/CAM軟件的認證工作，對參加該軟件考核并取得合格成績的學習人員頒發等級認證證書[10]。因此，在應用型高校推廣技能證書認證考試既符合國際就業趨勢，又能讓學生真正地掌握知識技能。獲取AutoCAD、Pro/E、UG等職業資格證書的過程，也是強化軟件技能訓練的過程，進一步提高了軟件應用的綜合能力。目前系里高度重視學生技能證書的獲取，并將其與學分掛鉤，推出學分互換的政策，學生可以用證書的分量相抵任選課的學分，這個舉措也極大地促進了學生考取技能證書的積極性。隨著這兩年培訓宣傳工作的不斷完善，考證人數呈現明顯的增長趨勢，而且越來越多的低年級學生也通過自學加入到了考證隊伍當中來。大學生在就業前取得這些證書，既可以增強自主學習的信心，也為以后殘酷的就業競爭增加砝碼，也讓該門課程與企業的需求接軌，讓學生真正學有所用。

4 結語

在工業4.0的時代，CAD/CAM在生產管理中發揮了重大的作用，也將軟件技術提高到了前所未有的高度。應用型本科院校對CAD/CAM這門課程的定位目標應著重在于培養學生的實踐能力與創新能力，對課程的教學內容和方法做適當的調整和優化，要給學生提供實踐教學及學科競賽的平臺，營造良好的學習氛圍，從而有效地提高教學效果，提高學生的學習積極性，進一步加強培養學生獨立思考、發現問題、分析問題和解決問題的能力。