基于CDIO的模具CAD/CAE/CAM實驗教學體系的構建

俞彥勤　廖敦明　樊自田

摘 ?要：通過分析現有模具計算機輔助設計（CAD）、模具計算機輔助工程（CAE）、模具計算機輔助制造（CAM）實驗教學中存在的問題，根據CDIO工程教育模式，以材料成形件從數字模型到成形件實物的整個過程為載體，構建了一體化的模具CAD/CAE/CAM綜合實驗教學體系。依據工程教育認證對學生的要求，制訂了實驗課程的教學目標，并對實驗教學方式、成績考核評估等方面進行了分析與探討。該實驗課程對于探索實驗教學的新模式、新方法，培養學生解決復雜工程問題及綜合創新能力等方面具有推廣應用價值。

關鍵詞：CDIO;模具;計算機輔助設計（CAD）;計算機輔助工程（CAE）;計算機輔助制造（CAM）

中圖分類號：G642 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2019）17-0107-03

Abstract： By analyzing the existing problems in the computer-aided design （CAD）， mold computer-aided engineering （CAE）， and mold-assisted manufacturing （CAM） experiment teaching， according to the CDIO engineering education model， the material forming parts from the digital model to the forming parts The whole process of the physical object is the carrier， and an integrated CAD/CAE/CAM integrated experimental teaching system is constructed. According to the requirements of engineering education certification for students， the teaching objectives of the experimental course were formulated， and the experimental teaching methods and performance evaluation were analyzed and discussed. The experimental course has the promotion and application value for exploring new modes and methods of experimental teaching， cultivating students to solve complex engineering problems and comprehensive innovation ability.

Keywords： CDIO（conceive-design-implement-operate）; mold; computer aided design（CAD）; computer aided engineering （CAE）; computer aided manufacturing（CAM）

模具計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助工程（CAE）、計算機輔助制造（CAM）是材料成型及控制工程專業的主干核心課程，長期以來，這三門實驗課程在運行中存在以下問題：首先，因教學方法缺乏創新，導致學生學習主動性不夠。其次，因實驗教學手段方式落后而存在重理論輕實踐的現象。第三，各門課程實驗教學獨立封閉進行，造成了實驗內容零碎，綜合性程度不高。第四，實驗課程內容及其軟、硬件更新慢，嚴重滯后于當前社會生產實際，導致教學與行業發展脫節。第五，實驗課程在整個專業培養體系中的地位與作用、對達成學生培養目標的能力要求不明確。鑒于以上問題，必須對現有模具CAD、模具CAE、模具CAM實驗課程，從課程培養目標、課程內容、教學方式等諸方面進行改革與創新，以構建體系完備、實驗內容充實、教學方式多樣化的“模具CAD/CAE/CAM綜合實驗”。

一、基于CDIO的實驗課程體系構建

（一）CDIO教育模式

CDIO（構思conceive、設計design、實施implement、運作operate）是國際工程教育人才培養的創新模式，旨在關注工程實踐，加強培養學生實踐能力、綜合創新能力以及與社會協調發展等問題。CDIO是由MIT（麻省理工學院）等幾所大學經過多年探索而創立的工程教育模式，它以產品從研發到產品運行結果的整個生命周期為載體，通過建立一體化的相互支撐和有機聯系的課程體系，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式進行工程教育訓練[1]。迄今為止，這一國際工程教育的最新成果已被幾十所世界知名大學所采用，并逐步引入我國，成為國內高校眾多工程類專業課程改革與創新的有力工具[2-5]。

（二）實驗課程設計

基于CDIO的理念，將模具CAD、模具CAE、模具CAM三門課程融合打通，設置為一門獨立于理論課的一體化的綜合實驗課程。梳理三者之間的層次關系，依據課程的邏輯關系建立三者之間相互支撐和有機聯系的課程體系。

構思（conceive）材料成形件，它可以是沖壓件、或注塑件、或鑄件、或3D打印件。它可以是課程給定，如給出的二維圖，也可以是來自于社會（企業）需要的產品，也可以是學生自己設計的模型。對于以上給出的各種成形件，運用三維CAD軟件，完成其數字化，得到成形件的三維數字化模型。

設計（design），根據“構思”階段成形件的數字化模型，進行模具計算機輔助設計（CAD），完成該成形件所需要模具的設計。

實施（implement），根據“設計”階段所設計的模具，對成形件的成形工藝及模具進行計算機分析（CAE），檢驗其設計的合理性，根據檢驗的結果，對模具進行優化和修改，再對模具零部件進行制造（CAM）。

運作（operate），根據“實施”階段制造的模具，在材料成形設備上，加工出“構思”階段所指定的成形件實物。

（三）實驗課程流程

根據CDIO工程教育模式，以材料成形件從數字模型到最終成形實物的整個生命周期（PLA）為載體，構建出一體化的《模具CAD/CAE/CAM綜合實驗》教學體系見圖1。

圖1中，依據成形件的成形方式不同，可分別構成“沖壓實驗模塊”、“注塑實驗模塊”、“鑄造實驗模塊”、“3D打印實驗模塊”等四個材料成形實驗模塊，學生自主依興趣選擇其中之一模塊進行實驗，按實驗流程依次進行“三維造型技術實驗”，從而建立成形件的三維數字模型;進行“模具計算機輔助設計實驗”，設計出完成成形件加工所需要的模具;進行“模具計算機輔助工程實驗”，對所設計的模具進行分析，修改、優化所設計的模具;進行“模具計算機輔助制造實驗”，用數控加工機床等，對所設計的模具零件進行加工;進行“成形工藝物理模擬實驗”，通過采用范例模具分別在材料成型設備（數控沖床、注塑機、離心鑄造機、3D打印機）上加工出成形件的實物產品。整個實驗過程以成形件數據流瀑布式逐層推進，來完成模具CAD/CAE/CAM一體化綜合實驗的各個實驗環節[6]。

二、實驗課程目標

《模具CAD/CAE/CAM綜合實驗》課程是一門多學科交叉、綜合性強的應用課程。它反應了材料成型基本理論與模具技術的實踐、傳統材料成形工藝與先進數字化技術、材料加工基本知識與前沿智能制造技術的高度融合。依據這些特點來確立該課程在整個專業培養體系中的地位與作用，并明確對達成學生培養目標的能力要求。根據工程教育專業認證（華盛頓協議）對學生素質的12點要求[7]，結合本實驗課程的特點，設計制定課程目標如下：

課程目標1——系統掌握模具CAD/CAE/CAM方向的專業知識，具備應用這些知識分析、解決實際模具CAD/CAE/CAM復雜問題的技能。

課程目標2——掌握常用材料成型及控制工程裝備、實驗儀器的工作原理、操作方法，具備調控裝備及儀器參數的能力，合理實施成型零件及模具設計的研究方案。

課程目標3——能夠應用材料成型基本原理，識別、表達、并通過文獻研究分析復雜工程問題，獲得有效的結論。比如板料彎曲塑性力學分析、板料彎曲回彈產生的原因等。

課程目標4——掌握模具CAD/CAE/CAM方向重要資料來源及獲取方法（文獻檢索、資料查詢、現代網絡搜索工具的使用等）;具備應用各類文獻、信息及資料進行模具CAD/CAE/CAM方向問題分析的能力;應用現代計算機技術，掌握材料成型及控制復雜工程的主流軟件進行建模、預測、模擬與優化方法，并理解其局限性。

課程目標5——了解模具CAD/CAE/CAM方向的國內外的技術現狀，具備一定的國際視野;能夠應用現代工具撰寫實驗設計文稿、實驗報告。表1為課程目標與畢業要求對應矩陣圖。

三、教學方式

從開始自主選擇成形件的實驗模塊開始，直至實驗結束的整個過程，學生是教學的主體及主要參入者，教師作為引導者，引導學生在“做中學”，這種以學生為中心的教育理念，不僅極大地激發了學生的學習熱情，而且使其知識、技能內化，有利于學生創造能力的培養。鑒于《模具CAD/CAE/CAM綜合實驗》課程所涉及的知識綜合性強，知識密集，學時少，訓練量大等特點，可利用師生個人通訊終端，采用翻轉課堂的教學方法[8-9]，即由任課教師提供以視頻為主要形式的學習資源，把知識的傳授過程從課堂翻轉到課下，課堂大部分時間用于教學答疑、學生與學生的交流、學生與教師的交流、學生實驗小組的協調合作等。

四、學業評價

學生的實驗課程考核評價是教學活動的重要環節，作為學生實驗過程的導向，不僅可以檢驗、監督大型綜合實驗的過程及其執行情況，而且也是衡量教學目標是否達到的重要依據，同時還應兼顧對學生整體水平與個體差異、個人能力鍛煉與團隊精神方面的考查。依據實驗內容、實驗教學效果以及多個實驗環節上學生的表現，實驗課程考核及評價細則如下：

（一）實驗預習

按教學目標1要求，依據學生實驗預習情況，按10%計入課程總成績。

（二）上課表現

按教學目標2要求，根據學生實驗預約出勤率、實驗紀律及互動情況，視其對課程學習的態度及積極程度，按10%計入課程總成績。

（三）操作能力

按教學目標3要求，根據學生在實驗中現場操作技能水平表現，是否違章操作等，按15%計入課程總成績。

（四）數據記錄

按教學目標4要求，根據學生實驗過程中記錄實驗數據的完整程度、數據的真實性、規范性、合理性等，按15%計入課程總成績。

（五）實驗報告

按教學目標5要求，根據學生的實驗報告完成情況及質量，視其對課程知識理解、掌握情況，按50%計入總成績。

五、結束語

基于CDIO工程教育模式所構建的“模具CAD/CAE/CAM綜合實驗”，以從成形件的數字模型到成形件實物的全過程為載體，實現了材料成形件的三維造型、模具CAD/CAE/CAM、成形件的物理模擬等一體化的教學實驗，既提高了實驗的綜合程度，又提高了教學實驗效率。

整個實驗教學環節，以學生為中心，讓學生“做中學”，極大地激發了學生的學習熱情，使其學習知識、技能內化，也培養了學生自主學習、自主管理、自主服務的意識與能力。

該課程的實施，加強了實驗教學軟、硬條件建設，推進了信息技術與材料成形課程的深度融合，優化了課程教學內容，促進了教學手段和方法的現代化。

該課程的實施，解決了華中科技大學材料成型及控制工程專業2015年工程教育專業第一次論證中存在的“實

驗綜合性不夠，對學生綜合運用所學知識解決實際問題能力訓練偏弱”的問題，在2018年6月進行的該專業工程教育專業第二次論證中，該課程成為綜合性實驗教學的一大亮點，受到專家組好評。該實驗課程對于探索實驗教學的新機制、新模式、新方法，培養學生解決復雜工程問題能力及綜合創新能力等方面具有推廣應用價值。

參考文獻：

[1]顧佩華，沈民奮，李升平，等.從CDIO到EIP-CDIO：汕頭大學工程教育與人才培養模式探索[J].高等工程教育研究，2008（1）：12-19.

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[3]檀盼龍，邵欣，張建新，等.基于CBE+CDIO理念的工業機器人技術實訓項目設計[J].實驗技術與管理，2018（11）：189-193.

[4]張磊，王輝，馮文龍，等.EC-CDIO電子商務人才培養模式的構建[J].高等工程教育研究，2019（1）：196-199.

[5]段慶茹，闞連寶，吳國忠.CDIO教育模式中國化研究述評[J].黑龍江高教研究，2012（10）：33-37.

[6]俞彥勤，劉輝，鄒佳鵬.模具CAD/CAE/CAM一體化教學實驗研究[J].實驗技術與管理，2019（3）：210-213.

[7]王孫禺，孔鋼城，雷環.《華盛頓協議》及其對我國工程教育的借鑒意義[J].高等工程教育研究，2007（1）：10-15.

[8]孫肖霞，唐友亮.翻轉課堂模式下的模具CAD/CAE/CAM教學研究及應用[J].高教學刊，2017（7）：45-47.

[9]潘炳超.翻轉課堂模式應用于高校教學的實驗研究[J].電化教育研究，2015（3）：83-87.