面向應用型人才培養的CAD/CAM技術基礎綜合案例設計與實施

付君健 杜 軒 周祥曼

三峽大學機械與動力學院 湖北宜昌 443002

1 概述

我國人才培養與科技創新資源豐富,有能力培養大批高層次應用型人才。為了貫徹落實國家中長期教育改革和發展規劃綱要,大力推進全面育人的人才培養模式改革,需逐步發展并形成學校教育與產業深度合作的格局,實現人才培養與企業生產、社會發展需要的精準對接,既能讓學生鍛煉技能、提升服務水平,又為產業及社會經濟發展提供專業人才支持。

CAD/CAM技術基礎是機械設計制造及其自動化等機械類專業的重要專業課程[1],其教學目的是培養學生了解、應用和開發各類工業軟件的基本能力,以及從事產品開發、生產和系統集成的綜合能力。CAD/CAM技術在工業場景中有廣泛應用,非常適合作為面向應用型人才培養教學改革的突破點。在應用型人才培養的新形勢下,傳統章節式教材和純理論式教法已無法滿足應用型人才培養的需要[2-4]。因此,有大批學者對CAD/CAM技術基礎課程開展教學改革研究,提出了虛擬仿真教學[5]、混合教學模式[6]和項目式教學方法[7-8]。分析可知,CAD/CAM基礎教學改革核心在于課程體系和教學方法的創新,而基于項目式的教學方法是目前主要的課程改革方向。而基于項目式教學的核心在于設計教學案例,教學案例的設計不可完全依賴工程項目,需在案例設計中體現技術的先進性和理論知識的綜合性。

因此,結合應用型人才培養和課程教學案例的設計要求,本文圍繞機械制造和工業軟件應用領域設計了兩個綜合性案例,為了CAD/CAM技術基礎課程教學改革提供了參考案例。

2 應用型人才培養的課程建設要求

一是要重構課程教育理念。應用型人才要兼備高深的知識素養和解決復雜工程問題的能力,傳統課程教育思想重理論、重書本,而應用型人才培養需強化重應用、重實踐,需在一定程度上改變“重學輕術”的教育觀點,因此需要重構課程理念來指導課程改革,解決高校教學和社會需求相脫節的問題[9]。

二是要優化課程教學大綱。針對應用型人才培養而言,僅依靠高校教師制定教學大綱無法實現,要有針對性地吸納企業專家參與制定教學大綱。教學大綱應由不同知識背景的專家參與制定,高校教師和企業專家都應是教學大綱制定的核心成員,高校教師基于知識體系提出教學大綱的基本框架,企業專家從工程應用角度給出教學大綱實踐環節的實施方案,實現教學大綱中理論基礎和實踐應用的合理分配。

三是要改革課程教學方法。為了培養學生的實踐應用能力,充分調動學生的積極性和創造性。針對工科專業,應采用啟發式和互動式的教學方法,如案例教學法、項目教學法、現場教學法等。同時,開展“引企入教”的教學改革研究,以高校老師教學為主體,引導企業教師深度參與課程的教學,以多種方式參與建立專業課程的教學機制,如課程規劃、教材開發、教學設計、教學考核等,促進企業需求融入專業課程的教學環節。支持和鼓勵企業專家擔任課程的企業指導教師,推行融合企業生產環境的應用型人才培養教學模式。

四是要完善課程評價機制。應用型人才的培養需建立一套與課程相呼應的課程評價機制。改變課程成績的評定方式,降低試卷考試成績的占比,提高案例和項目考核的成績占比。強化學生學習過程評價,階段性地開展案例和項目分享與展示。在階段性考核評價過程中,采用項目報告和答辯的形式,采用小組互評、老師參評的形式,提高學生在考核過程中的參與程度,讓學生學會主動思考和解決復雜工程問題,考查學生對知識的應用能力,以及理解、判斷、分析和表達的能力。

3 應用型人才培養的課程案例設計要求

在課堂教學中借助案例庫有助于學生對理論知識的理解和掌握,也能幫助學生將理論與工程實踐相結合,培養學生應用理論知識解決復雜工程問題的能力。因此,CAD/CAM技術基礎課程的案例庫設計應符合以下要求。CAD/CAM技術基礎課程涉及機械工程、計算機科學、力學和數學等多學科領域的知識,與機械工程實踐緊密結合,在案例庫建設過程中應首先注重案例的綜合性。在課程案例設計中應避免教師主導,通過在案例實施過程中教師與學生互動,激發了學生自主思考和自主學習。案例的設計應與工程實際緊密貼合,圍繞CAM/CAM工業軟件的應用和開發進行設計,讓學生開拓了學術和工程視野,既能學以致用,又能為科學研究打下堅實的基礎。

4 綜合案例設計

基于案例設計要求,本文設計了CAD/CAM技術基礎課程的兩個綜合性案例。

4.1 齒輪CAD/CAM綜合案例

針對機械制造應用領域,提出了齒輪CAD/CAM綜合案例。如下圖所示,圍繞CAD/CAM技術基礎課程中的核心理論教學內容,如數據處理、圖形處理、幾何建模、工程分析、工藝設計、數控加工等,與實際工程項目中的齒輪參數化、漸開線生成、齒輪三維建模、齒輪加工分析、齒輪加工工藝、齒輪數控編程等進行結合,設計了以齒輪CAD/CAM為應用場景的綜合案例。

(a)數據處理 (b)圖形處理 (c)幾何建模

(d)工程分析 (e)工藝設計 (f)數控編程齒輪CAD/CAM綜合案例設計圖

(1)在數據處理章節,設計齒輪的參數化程序,實現不同參數齒輪的數據存儲與調用。

(2)在圖形處理章節,通過圖形處理的平移和旋轉基本變化,融合復合變換技術,從齒輪齒條嚙合揭示齒輪漸開線的生成原理。

(3)在幾何建模章節,基于三維建模軟件,研究漸開線直/斜齒輪的三維模型的參數建模技術。

(4)在工程分析章節,建立齒輪銑削的有限元接觸分析模型,揭示齒輪在加工過程中的受力與變形情況。

(5)在加工工藝章節,基于極坐標變化和圖形變化技術,設計齒輪的粗加工和精加工工藝過程文件。

(6)在數控編程章節,基于圖形變化技術將齒輪漸開線生成的復合變化進行分解,形成一個旋轉軸和兩個直線軸的復合運動方程,并編寫齒輪漸開線生成的G代碼,并在數控加工軟件中進行加工仿真。

通過設計齒輪CAD/CAM綜合案例,將本課程六個核心章節進行串聯,學生在完成綜合案例的過程中,既掌握了實際工程應用中的知識和技能,又培養了解決復雜工程問題的能力。

4.2 工業軟件開發綜合案例

針對工業軟件開發應用領域,提出了工業軟件開發綜合案例。圍繞本課程中圖形處理、幾何建模、工程分析、數控加工等核心章節,與Python語言編程結合,將工業軟件開發中的圖形變換、CAD技術、CAE技術和CAM技術進行融合,設計以工業軟件開發為應用場景的綜合性案例。

(1)在圖形處理章節,以CAD軟件中常用的平移、旋轉、縮放、鏡像等功能為啟發,教授學生如何通過Python程序語言編程實現CAD軟件的相關操作。

(2)在幾何建模章節,對CAD軟件的核心模塊—幾何內核進行講解,基于OpenCASCADE開源幾何內核,進行CAD軟件開發實踐教學。

(3)在工程分析章節,以牛頓定律、胡克定律為基礎,講授基于彈簧元的有限元理論及建模,并通過Python語言編程,實現較基礎的有限元模型的建立與求解。

(4)在數控編程模塊,依然基于OpenCASCADE開源幾何內核,通過應用布爾運算技術,實現CAM技術中被加工模型的實時生成與可視化。

工業軟件開發綜合案例涉及工業軟件中常用的基本功能,可揭示工業軟件開發的神秘性,讓學生對常用軟件的基本原理有更深入的理解,掌握軟件開發的基本知識和技能。

5 綜合案例教學實施

5.1 課前準備

針對兩個綜合案例,在進行教學環節之前需有一定的知識儲備和工具準備。在知識儲備方面,學生需完成先修課程的學習,包括Python程序設計、機械制圖、機械原理、機械設計、機械制造基礎等。在軟件工具方面,需對常用的三維CAD/CAE/CAM軟件有一定了解,申請相關軟件的學生版或教育版授權,并安裝Anaconda和PyCharm集成開發環境。

5.2 教學實施

(1)引導案例展示:以齒輪加工機床、重型鍛壓設備及其關鍵零部件為例,講解大模數齒輪加工技術,以國產三維CAD軟件介紹為例,講解工業軟件基本功能及我國面臨的卡脖子難題,引導學生思考相關技術在工業生產中的重要性。

(2)課程目標講解:圍繞工程教育認證課程目標與畢業要求、教學內容的對應關系,對CAD/CAM技術基礎的課程目標及內涵進行講解。例如,課程目標1:了解復雜機械產品開發過程中涉及的CAD/CAM技術的基本內涵和功能,了解計算機軟硬件基礎知識與計算機程序設計基本方法;課程目標2:針對復雜機械產品設計、分析與制造等環節,具備選擇和使用CAD/CAM工業軟件的能力,了解CAD/CAM工業軟件的開發技術。

(3)課程任務解析:由于案例綜合性較強,對兩個綜合性案例涉及的知識點進行分解,將完成案例所需技術和課程理論教學知識點進行逐一講解,對先修專業課程的重點知識和編程基礎進行回顧,梳理案例實施過程中的重點和難點。

(4)軟件工具介紹:對本課程中涉及的CAD/CAE/CAM及Python編程軟件的基本功能進行介紹,講述不同軟件在案例實施過程中的作用。由于學時限制,為學生提供相關軟件學習資源,引導學生課后自學軟件基本操作。

(5)考核方式講解:本課程更加注重對學生解決復雜工程問題能力的過程性考核,區別于傳統試卷考核的主導形式。本課程將以報告、答辯和考試的形式進行考核,學生需在結課時提交實踐報告,并選兩個綜合案例之一進行現場答辯,展示案例的實施過程,分析案例實施的結果。

結語

針對機械類專業應用型人才培養的需求,以CAD/CAM技術基礎課程為對象,對教學案例設計進行了研究,提出了面向機械制造和工業軟件應用領域的綜合性案例,給出了綜合性案例的教學實施辦法,培養學生了解、應用和開發各類工業軟件的基本能力。