計算機輔助設計與制造多情境教學模式探索*

于源 于洪杰 汪曉男 焦志偉 （北京化工大學機電工程學院）

一 課程特點及教改必要性

制造業(yè)數(shù)字化、智能化是新一輪工業(yè)革命的核心特征，隨著2025 中國智造的提出，我國制造業(yè)涌現(xiàn)出應用計算機輔助設計與制造等技術優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)性能并提升自動化程度的浪潮[1]。計算機輔助設計與制造（Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing，CAD/CAM）技術作為先進制造技術體系的重要組成部分，是現(xiàn)代制造企業(yè)實現(xiàn)信息化、自動化和智能化的關鍵技術，已經(jīng)成為制造業(yè)人才不可或缺的一項專業(yè)技能。與之相呼應，《計算機輔助設計與制造》是一門培養(yǎng)制造業(yè)人才的專業(yè)基礎課，在機械工程學科課程體系中占有重要地位。該課程教學內容主要包括計算機圖形學、計算機輔助幾何設計、計算機輔助工程、計算機輔助工藝規(guī)劃、數(shù)控技術、虛擬現(xiàn)實與仿真技術、計算機集成制造以及先進制造技術等相關內容，涉及產(chǎn)品制造活動整個生命周期中的相關計算機輔助技術。掌握計算機輔助設計與制造基本理論和應用技術可為學生在日后的工作實踐中不斷自我學習、拓展創(chuàng)新夯實基礎[2，3]。計算機輔助設計與制造這門課程學科交叉性很強，涉及的學科眾多，綜合性強，應用性廣，知識密集，知識面寬，給教學工作帶來了較大難度。現(xiàn)存的主要問題有以下三點。

第一，涉及知識點多，對這些知識點的講解往往是分章節(jié)按模塊進行，以較為抽象的方式呈現(xiàn)，并沒有在通過完整案例貫穿起來，導致學生難以對離散知識點建立關聯(lián)，缺乏對知識點的綜合理解，難以形成框架性知識體系。

第二，以CAD/CAM 基本理論為主線的一元化教學思想和單一的教學形式不利于學生對知識理解的內化和對知識應用的活化，“重理論，輕實踐；重結果，輕過程”的教學方法不利于學生對知識的深耕，更不利于培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。

第三，考核方式以理論考試為主，與課程具有的實踐性特點脫節(jié)，學生缺乏實踐、總結和展示的機會，缺少發(fā)揮創(chuàng)造力的平臺。對計算機輔助設計與制造技術的掌握程度的評判標準不應僅停留在低階認知的階段，只看重對某些細節(jié)知識的獲取，而應將發(fā)展學生高階能力放在首位，采用多樣化考核方式，引導學生發(fā)揮其主觀能動性，對相關知識活學活用，并給予學生充分的創(chuàng)設空間。

為解決上述問題，探索計算機輔助設計與制造課程新的教學法并深化課程改革很有必要。學習知識的最好方法就是在情境中進行。情景教學顧名思義是搭建工作環(huán)境、創(chuàng)設工作任務，將其引入到教學過程中，在完成工作任務的同時完成教學任務[4]。為了更好地將課本上的計算機輔助設計與制造技術基本理論與生產(chǎn)實踐中的應用技術相結合，將工業(yè)生產(chǎn)中實際的應用環(huán)境和工作任務真實地展示于學生面前，將學生帶入到實際場景當中，告訴學生要解決什么問題，如何去分析并解決這些問題。通過不同的工作情境及具體案例，使學生在具體到抽象和抽象到具體的思索過程中，逐步統(tǒng)一并綜合直覺思維和邏輯思維，深入理解所涉及的知識點，增強對計算機輔助設計與制造技術的應用能力，并逐漸形成創(chuàng)新意識。多年來，筆者在該課程的教學實踐活動中通過創(chuàng)設不同的計算機輔助設計與制造情境，使教學情境多樣化，并對教學內容、教學方法和實驗安排以及考核方式等都進行了相應的調整和改革，從傳統(tǒng)課堂的“強調聆聽、被動記憶”轉變?yōu)椤皬娀伎迹鲃犹骄俊钡拈_放課堂，不僅提升了課程教學質量，增強了學生對相關知識和技術的掌握程度，更重要的是激發(fā)了學生的學習興趣并培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新能力。

二 多情境教學法的內涵

（一）課程教學內容

通過對課程教學目標細化，以“突出重點”為原則，整合優(yōu)化教學體系，圍繞重要知識點和核心技術，創(chuàng)設不同的教學情境，通過應用實例將關鍵知識點集成起來，融入相應教材內容和國內外最新科研成果。計算機輔助設計與制造涉及的核心技術主要有：零件（產(chǎn)品）幾何建模、模型結構分析、先進制造技術（主要包括數(shù)控加工和產(chǎn)品快速成型）、基于CAD/CAM 的現(xiàn)代制造集成系統(tǒng)。

1 產(chǎn)品幾何建模主要指利用計算機輔助設計方法對產(chǎn)品進行設計并表達出零件形狀、結構及其技術要求，該環(huán)節(jié)為后續(xù)計算機輔助加工提供基本幾何信息和拓撲信息，是數(shù)字化生產(chǎn)中產(chǎn)品信息的來源。

2 模型結構分析主要指利用計算機輔助分析方法對所構建產(chǎn)品結構力學性能進行靜力學和動力學分析，可對固體、流體和電磁場特性等進行分析和優(yōu)化，用以確保產(chǎn)品設計的合理性，減少設計成本。

3 工藝規(guī)劃及數(shù)控加工即利用計算機輔助的方式擬定零件加工策略，為圖形交互式輔助編程提供所需工藝參數(shù)，生成刀具運動軌跡，通過模擬仿真顯示數(shù)控加工過程，最后生成數(shù)控加工程序。

4 產(chǎn)品快速成型(Rapid Prototyping，RP)是一種具有代表性的先進制造技術，對促進企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新、縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期、提高產(chǎn)品競爭力具有積極的推動作用。RP 技術是CAD/CAM 技術、激光技術、計算機數(shù)控技術、精密伺服驅動技術以及新材料技術于一體的新技術，利用對產(chǎn)品數(shù)字化模型分層切片后得到的輪廓，通過激光束或其他方法將材料逐層堆積而形成原型或零件。

5 CAD/CAM 系統(tǒng)集成是將制造系統(tǒng)中與CAD/CAM 相關的子系統(tǒng)組織和管理起來，CAD/CAM 是集成化制造系統(tǒng)的核心，也是實現(xiàn)集成化制造系統(tǒng)的技術保證，涉及的內容非常寬泛，包括集成系統(tǒng)的體系架構，計算機軟硬件，信息交換和共享策略，甚至企業(yè)管理機制等。

可以看出，包括數(shù)控加工和快速成型在內的先進制造技術都是以產(chǎn)品幾何建模為源頭，而模型結構分析則是對設計的產(chǎn)品結構合理性進行檢驗的計算機輔助方法。建模在前，分析在后，兩者均應先行于制造環(huán)節(jié)。因此，創(chuàng)設產(chǎn)品三維建模及其有限元分析教學情境，應充分利用計算機輔助設計和分析軟件，使學生掌握產(chǎn)品三維建模方法，達到熟練運用一款計算機輔助設計商用軟件的程度，并在教學情境中理解有限元分析產(chǎn)品結構性能的便利性和必要性。其中對于模型結構分析的了解和對計算機輔助工程軟件的應用，作為教學內容外延部分。

工藝規(guī)劃和數(shù)控加工部分的教學內容以圖形交互式自動編程系統(tǒng)為主，通過創(chuàng)設應用情境下的具體案例，在軟件應用實例的教學和學生實操的學習過程中，使學生熟練掌握圖形交互式自動編程的基本步驟，并利用三維動態(tài)切削仿真驗證刀位軌跡驗證。產(chǎn)品快速成型根據(jù)不同的成型材料、工藝和特點對應有不同的成型技術，如熔融層積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM），選區(qū)激光燒結（Selective Laser Sintering，SLS）和立體光固化快速成型（Stereo Lithography Apparatus，SLA），相比于數(shù)控加工技術，它可以在無須準備工裝卡具和刀具的情況下，對建立的產(chǎn)品三維模型數(shù)據(jù)進行分層切片，根據(jù)各層截面輪廓，層層堆疊，快速制造出新產(chǎn)品模型。快速成型技術與數(shù)控加工是20 世紀機械制造技術突破性創(chuàng)新的兩大標志成果，在創(chuàng)設的教學情境中，分別對兩種方法進行講解并比較其特點，使學生較為系統(tǒng)地對基于CAD/CAM 的先進加工方法有所了解。

作為工業(yè)技術革命和制造手段革新的重要標志，在數(shù)控技術上演繹出的計算機數(shù)控、計算機輔助設計與制造、計算機集成制造系統(tǒng)、柔性制造等一系列的先進制造模式為智能制造奠定了基礎。通過對工業(yè)界實際應用的集成制造系統(tǒng)情境（錄像和電影）的展示和分析，使學生對集成制造系統(tǒng)有更直觀、更準確的系統(tǒng)性認識。

（二）課程教學方法

圍繞上述教學內容中的關鍵知識點即計算機輔助設計與制造涉及的核心技術，教師在所創(chuàng)設教學情境中，一方面對工程案例進行描述和講解，并向學生分享項目經(jīng)驗和心得；一方面以提問式教學貫穿其中，逐步引導學生找到解決問題的切入點，利用合理的技術手段解決問題。同時，為強化學生對知識點的理解，訓練學生舉一反三的能力，并增強學生的參與感，調動學生思考問題的積極性，打破一元化的教學思想，豐富課堂教學形式，組織學生對案例進行分組研討，提出解決問題的方案，在課堂進行組間以及師生交流，對比分析各自方案的優(yōu)點和不足。課堂上互動式研討不僅可以活躍課堂氣氛，還能在交流中碰撞出思想的火花，激發(fā)學生創(chuàng)新意愿，給學生的創(chuàng)造力插上翅膀。

所謂因材施教，開展個性化教育，尤其對于教學內容的外延部分不做強制要求，比如利用有限元分析軟件對零件（產(chǎn)品）進行結構分析、強度的校核以及流體流動分析和優(yōu)化，再比如快速成型部分，要求學生僅作了解。對于學有余力且表現(xiàn)出較大興趣的同學進行單獨輔導，最大程度向學生開放學校工程訓練中心或者教師課題組的硬件資源；同時引導學生參與大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃訓練或者其他相關競賽，并對其進行具體指導。

對于計算機輔助設計和制造這類具有明顯實踐性和交叉性特征的課程，課堂教學和課程實踐是相輔相成的，對學生而言，知識只有在其產(chǎn)生和應用的情境中才能產(chǎn)生實際意義[5]。根據(jù)課堂上創(chuàng)設的教學情境，課程實踐環(huán)節(jié)以項目驅動的方式展開。以數(shù)控加工環(huán)節(jié)為例，在現(xiàn)有桌面式數(shù)控銑床組成的實驗平臺，進行開放式實驗設計[6]。具體內容是利用主流CAD/CAM 系統(tǒng)，如 MasterCAM 、Pro/E 或 UG，對某種產(chǎn)品進行凹（凸）模的三維建模，通過圖形交互式的自動編程方法，對其進行刀位規(guī)劃，生成用于數(shù)控加工的G 代碼，并進行刀位軌跡進行動態(tài)仿真驗證，要求學生完成從產(chǎn)品設計、三維建模、刀位規(guī)劃到產(chǎn)品加工的完整流程。產(chǎn)品不做限定，但是應根據(jù)桌面式數(shù)控銑床最大有效行程設計產(chǎn)品尺寸。課程實踐環(huán)節(jié)與課程教學中教學情境模塊保持一致，使學生在了解和熟悉相關技術在典型工程案例的應用之后，通過對相似案例的親自實踐，對關鍵知識點和CAD/CAM 核心技術進一步消化和吸收，完成對知識的內化，同時也鍛煉了學生實際解決問題的能力。

（三）課程考核方式

計算機輔助設計與制造課程多情境教學法，以項目驅動方式開展課堂教學和課程實踐，是引導學生在對相關理論理解和應用的基礎上，深入思考、分析、評價、創(chuàng)新的認知過程。對于這個認知過程的評價，不能單一考核學生對理論知識的理解和掌握，還應評價學生對計算機輔助設計與制造應用方法的掌握和創(chuàng)新，故將學生的實踐成果作為課程學習成果的載體，加大實踐過程和實踐成果在課程考核中的比重，可以使學生課程學習成果更接近“學生的真實學習經(jīng)驗”[7]。實踐環(huán)節(jié)的實驗成果以及在這個過程中形成的項目報告，是體現(xiàn)學生實踐過程和學習成果的重要載體，對學生實驗成果的評價符合成果導向教育（Outcome Based Education，OBE）的理念，也提升了該門課程教學目標與人才培養(yǎng)目標的契合度。各教學情境下的實踐環(huán)節(jié)分項評價指標可根據(jù)實驗模塊的具體情況制定，如數(shù)控加工實驗模塊具體評價指標有：選題難易程度、選題原創(chuàng)性、曲面模型或實體模型正確性、工藝規(guī)劃的合理性、加工模擬的完成情況、數(shù)控加工過程的完整度、項目報告完成情況。為了最大程度調動學生積極性，采取自評、他評和教師評價加權綜合評定的方式，得出各實驗模塊的成績。增大實踐環(huán)節(jié)各實驗環(huán)節(jié)的成績在該門課程總評成績中的占比，充分體現(xiàn)計算機輔助設計與制造課程的實踐性，鼓勵和引導學生創(chuàng)新及以學生為主體的教學理念。

三 多情境教學場景的創(chuàng)設

教學情境選擇具代表性工程應用。以實體建模為例，螺栓是較常用的螺紋連接方式，在工程上具有非常廣泛的應用。軸向受力螺栓是一種常見的地腳螺栓受力形式，在沖擊狀態(tài)下容易產(chǎn)生損傷，使螺紋連接失效，影響設備正常運轉，因此需要對螺栓受到的沖擊應力進行計算和校核。在零件幾何建模與結構分析教學情境中，可選擇不同工程應用中的螺栓連接作為研究對象。比如，選擇船用設備地腳螺栓作為研究對象，連接件的抗沖擊能力直接關系到設備的抗沖擊能力。對連接件抗沖擊性能進行仿真評估，對連接件和艦船抗沖擊能力的改善和提高具有重要意義。螺栓幾何形狀比較復雜，建模涉及拉伸、掃略、旋轉以及布爾運算等實體建模基本操作，難度適中。在有限元分析軟件中需要對所建立的幾何模型進行網(wǎng)格劃分，通過設定不同的沖擊輸入作為輸入條件，經(jīng)數(shù)值仿真得到?jīng)_擊響應仿真結果，并對其進行分析。

教學情境是需要任課教師根據(jù)教學內容和教學進度進行創(chuàng)設的。在考慮從幾何建模到基于有限元的結構分析到數(shù)控加工環(huán)節(jié)的貫穿時，可選擇不同行業(yè)所用到的凹（凸）模具作為研究對象，首先對其進行實體建模或者表面建模；對模具進行結構分析，如對模型圓角所受應力進行計算仿真或者對模具強度進行仿真校核；在結構合理的基礎上，對模具數(shù)控加工進行刀位規(guī)劃和加工的仿真驗證，實現(xiàn)從產(chǎn)品計算機輔助設計到計算機輔助制造的完整流程。同樣，創(chuàng)設的快速成型情境，應符合其在產(chǎn)品創(chuàng)新設計中縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期、降低開發(fā)成本等優(yōu)勢，主要引導學生在確定產(chǎn)品需求的前提下，利用快速成型技完成核心零部件的設計、制造和產(chǎn)品組裝。創(chuàng)設情境使傳統(tǒng)教學得到了擴展和深化，對學生形成強烈的信息刺激，激發(fā)學生體驗和學習的動機，使得學生的認知過程更豐富且合理。

四 結論

將課本中計算機輔助設計與制造技術基本理論與生產(chǎn)實踐中的應用技術相結合，通過創(chuàng)設教學情境，將工業(yè)生產(chǎn)中實際的應用環(huán)境和工作任務真實地展示于學生面前，使學生在沉浸式的學習過程中掌握計算機輔助設計與制造重點知識，熟悉關鍵技術；形成多情境教學法，使課程教學與實際生產(chǎn)緊密關聯(lián)，使學生不僅能在課程學習中熟悉企業(yè)關鍵生產(chǎn)流程，而且強化學生實踐能力、激發(fā)學生創(chuàng)新精神。該方法在教學實踐中取得了良好效果，有效促進了教學質量的提高，提升了該門課程教學目標與人才培養(yǎng)目標的契合度。