CAD/CAM系列课程教学内容和课程体系的改革与实践

段红杰 肖艳秋 白代萍

郑州轻工业学院机电工程学院 河南郑州 450002

目前高等教育发展的重点已由数量扩张转变为质量的提高，教学内容和课程体系直接反映教育的目的和培养目标，同时也是培养高素质人才、提高教育质量的核心环节。多年来针对机械类专业的CAD/CAM系列课程的教学改革一直都在进行，并取得了一定的效果，但整个改革主要还是围绕二维绘图、二维设计展开的，较少触及目前制造业广泛使用的三维实体设计技术，设计、绘图、修改工作量大，浪费了大量的精力和时间，在课程设计与毕业设计过程中问题尤其突出，不利于培养造就制造业急需的具有现代设计能力和创新意识的人才。

1 构建CAD/CAM系列课程新体系，培养高素质人才

针对目前CAD/CAM系列课程教学内容和课程体系存在的问题，密切结合当今世界制造技术的飞速发展，采用现代三维CAD/CAM技术，对传统的二维绘图、二维设计教学内容与课程体系进行全面重组与整体优化，以先进的三维实体设计系统为平台，以培养学生的现代化工程素质和创新能力为目的，将现代三维设计、分析与制造理念和方法全面引入CAD/CAM系列课程教学过程，建立了全新的基于三维CAD/CAM技术的系列课程体系。在课程设置上，充分考虑社会与时代要求、科学知识及个性发展的需求，并实施了新的人才培养计划。经过实践、完善，建成了CAD/CAM系列课程体系，如图1所示。

图1 CAD/CAE/CAM系列课程体系

2 优化教学内容，培养学生创新设计、分析、制造的理念和方法

在教学改革中，教学内容决定着学生的知识结构和专业能力，教学内容必须紧跟科技的发展，紧密联系客观实际。在教学内容的优化过程中，应结合先进的制造技术，将三维实体技术贯穿于教学全过程，重点构建好三维CAD/CAE/CAM技术平台[1,2]。

2.1 以三维CAD技术为平台，培养新的设计方法和设计表达方法

现代CAD/CAE/CAM技术使得数字化三维实体成为产品设计和加工的数据源头和载体，三维实体成为工程技术界的新语言。在三维CAD平台下，设计者从产品的实际需要出发，可以利用所掌握的三维实体设计理论和方法，建立三维实体模型并真实显示在计算机屏幕上，直接观察产品的结构是否合理、设计上有无缺陷、各零部件的装配关系有无干涉现象等，并且可以通过机构运动仿真对设计结果加以检验。因此，学习和使用三维CAD平台进行设计，可以将设计构思和表达统一起来，有利于思维的创新。

为此，在机械类教学中，我们将三维实体设计作为设计方向，引入主流三维设计软件Solid Works。Solid Works的学习，使学生掌握计算机辅助设计工具，为工程设计打下基础。同时也可以在教学过程中，将Solid Works软件作为辅助的教学工具，充分利用其真实三维环境，形象、直观地演示从物体——平面图形——物体的投影转化过程，以及各种实体建模的方法，帮助学生理解投影的基本知识、三维建模理论知识等内容，提高学习效率。

2.2 以三维CAE技术为平台，开设现代分析计算方法学课程

将有限元分析和优化设计知识引入到新的课程体系中，改变传统机械设计依靠经验公式、手工计算的方法。借助Cosmos/Works等三维CAE设计软件，直观地进行有限元网格划分，载荷和边界条件确定，强度、刚度分析计算。培养新的设计理念，使学生掌握全新的设计计算方法，实现教学内容的3个转变：

(1)由手工设计计算向应用计算机分析计算转变，强化计算机应用能力；(2)由过去的图解法向解析法转变，使理论与计算机技术统一起来，提高设计效率和质量；(3)由过去重机构分析计算向重机构综合转变，提高学生机构方案构思、设计创新能力与综合应用知识解决实际问题的能力。

将机构运动仿真基本知识和三维CAD设计软件的使用结合起来，借助三维CAE设计软件分析计算零件应力、应变、变形大小、约束反力等。使学生掌握有限元分析计算方法，机构运动仿真等新的设计分析方法。

通过现代设计计算方法课程的教学，生动具体地讲解优化设计、可靠性设计的工程应用，提高教学效果，培养学生提出、分析和解决问题的能力。

2.3 以三维CAM技术为平台，培养现代加工制造技能

为了使机械专业学生更好地掌握现代加工制造方法，在教学内容上进行两方面的改革，一是浓缩传统的专业课，将金属切削原理与刀具、金属切削机床、机械制造工艺、机床夹具设计等整合为机械制造技术基础，保证基础知识的掌握。二是增加现代三维CAM技术方面的知识内容，主要讲解数控技术概念和数控加工原理，数控编程基础及手工和自动编程方法及数控加工仿真等。

为达到突出“学为所用”的目的，使学生真正掌握现代加工制造方法和技能，在教学中，引入三维CAM软件So1id CAM。So1id CAM是Solid Works的嵌入式NC软件，Solid CAM软件完全运行在Solid Works内，可以获得所有Solid Works的数据，利用Solid Works设计的三维实体模型自动成为Solid CAM的数据源，真正实现了CAD/CAE/CAM集成。此外，Solid CAM提供了3种仿真标准，即基本刀具路径仿真、2D仿真以及加工操作的3D仿真。Solid CAM仿真功能，能很好地验证创新思维，激发创新愿望，强化工程意识培养。

在教学过程中，安排相当数量的上机实践课时，学习数控加工程序生成、刀具轨迹模拟仿真及数控加工仿真。强化理论，突出实践动手能力和应用技能的培养。

3 积极开发应用现代教育技术和手段，培养创新人才

充分发挥多媒体教学手段丰富、形象直观、便于理解、信息量大的特点，采用图、文、声、像并茂的多媒体CAI课件，将三维CAD/CAE/CAM技术及其相关课程有机地结合起来，营造一个教学互动、生动活泼的学习环境。将虚拟现实技术引入三维CAD/CAE/CAM技术教学，构建虚拟的工程环境，使学生在具有交互性的环境下，进行构想，自主发挥，自主设计，充分领略用计算机来辅助产品设计和制造的含义。

3.1 设计三维CAD网络教学系统

三维CAD网络教学系统设置了网络课程、课后习题、模型与零件库、数字技术及网上答疑几大模块。网络课程模块包括AutoCAD软件、SolidWorks软件、ProE软件等视频教程；模型与零件库模块包括二维零件展示、三维零件展示、学生作品展示、下载专区等；数字技术包括数控加工、数字测量、二次开发、技术交流等。各子系统和模块之间通过导航功能即可实现模块之间自由跳转。

3.2 开发三维CAE网络学习系统

三维CAE网络学习系统包括授课系统、教学辅导、考试系统、在线答疑及互动交流等功能，通过学生在计算机上选择、设置、操作等，让其亲身体验课程交互作用所带来的乐趣和感受，提高学习效率和兴趣，将现代教学方法融于传统的教学方法之中。该系统开辟了学生与教师、学生与学生之间的互动平台，激发了学生主动学习的热情。

3.3 研制了数控技术网络课程

数控技术是一门实践性很强的课程，在实际生产中应用很广泛。但是学生在学习时，无法在课堂上直接感受到生产现场加工场景。为此，制作数控技术网络课程，利用Flash，SolidWorks，Photoshop，Dreamweaver等软件制作大量的动画，同时配有影音文件和图片，采用图文、电影、动画等形式，增强了信息的传播效果。大量数控设备的图片和数控加工先进制造影片，数控加工仿真加工动画，将抽象的教学内容和难于表达的先进制造生产现场直观地展现给学生，便于学生对教学内容的理解，使学生掌握数控加工技术和基本理论，并具有良好的综合实践能力。

4 突出实践环节，强化学生工程意识的培养

实践教学环节是培养学生动手能力和创新思维的有效途径，实践教学中，强化三维CAD/CAE/CAM软件操作技能的培养，把应用三维CAD/CAE/CAM软件解决工程实际问题作为落脚点，使毕业生与机械制造行业实现“无缝对接”。为此，我们建立了机械产品三维设计创新实验室和数控加工仿真实验室[3]。

4.1 三维设计创新实验室

建立“机械产品三维设计创新实验室”，培养学生机械产品创新设计能力。以现代数字技术为依托，改变传统以图纸为主的交流模式，使产品设计、受力分析、仿真、数控加工全过程的交流无图纸化，探索出一条全新的以三维数字技术为主的交流模式，加快制造业信息化的进程。

该实验室的建立，为广大学生提供了创新实践的环境，激发了学生的学习热情和创新设计积极性。学生可进行各种部件、整机的模型搭建，学习相应的编程方法，完成模型的设计、制作。训练时采取先向学生展示已搭建好的工业模型及控制方式，让学生亲自拆装现有工业模型，在此基础上允许学生根据自己的构想，创新搭建自己设计的新机构、新系统。通过对工程问题的观测、分析、更新、设计、实践，让学生体验创新设计的全过程，并完成设计构思、搭建模型、编程与控制加工，实现创新设计的相应环节，通过创新试验训练，使学生掌握机械产品从设计到成品的数字化形成过程，培养了学生的创新工程意识。

4.2 数控加工仿真实验室

数控编程及仿真加工实验主要是使学生熟悉常见数控加工设备，如数控铣床、数控车床的外形布局、运动分配以及操作方法，掌握编制数控加工程序的基本方法及常用指令的使用，数控加工的实体造型及自动编程、数控加工的计算、CAD/CAE/CAM集成等训练[4]。

为了提高实验教学效果，数控编程及仿真加工实验采取模拟仿真实验和实际操作实验相结合的方式进行。为此，项目开发了数控加工模拟实验平台，利用该平台可以观看实体加工过程模拟仿真演示，完成数控加工的模拟实验，满足数控实验基本要求；实现了被加工零件CADCAM集成，完成了NC程序的自动编制与模拟仿真加工；在该实验平台的支持下，学生能够完成数控铣削实验和数控车削实验的以下要求： 工艺参数拟订与输入；选择加工方式；调整机床参数；观看实体加工过程模拟演示和编制数控加工程序。它既可用于无数控加工设备的条件下进行数控加工实验，也可以用于实际数控设备上进行实验之前的预习准备，以减少昂贵的数控机时和防止事故发生。

5 教学实践与效果分析

5.1 提高了学生的学习积极性

三维实体模型形象直观，三维实体设计模式与人实际上所观察和认识事物的过程一致，符合心理学客体优先效应，因而简便易学，将学生从繁琐的三维到二维、二维到三维的训练中解脱出来，极大地提高了学生的学习积极性。

5.2 培养了学生的工程设计意识

新的教学内容和课程体系适应三维CAD/CAE/CAM技术发展的需要，将计算机技术与工程设计紧密结合为一体。在教学中突出三维实体的地位与作用，使学生从三维立体入手，较全面地理解物体的构成原理与表达方法。学生利用所掌握的实体造型知识在计算机上建立三维模型，并对其进行工程分析、虚拟预装配、运动过程模拟以及原型制造、虚拟制造等，培养了学生现代设计意识。

5.3 达到了学为所用的教学目的

学生以三维实体设计技术为基础，三维实体设计软件为工具，通过课程设计和毕业设计的训练，掌握了新的设计制造方法，正确地表达了设计思想，圆满完成了设计任务。

学生利用CAD/CAM技术设计制造的作品荣获“中南地区大学生创新设计与制造大赛”二等奖；在全国大学生力学建模竞赛中，获得周培源力学竞赛河南赛区二等奖、三等奖多项；在第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛获得三等奖的好成绩。

6 结束语

机械类课程体系改革的突破口在于现代计算机技术、机械设计和机械制造技术的有机融合。为了实现这一目标，我们的观念首先要跟上时代的步伐，要以本专业课程体系的整体优化为目标，以现代CAD/CAE/CAM技术为平台，针对当今世界制造业的发展现状，努力适应现代设计、现代分析、现代制造技术对专业人才的需求；增设与CAD/CAE/CAM相关联的一系列新课程，最终实现在无纸环境中的设计与加工、虚拟样机的制作，努力提高现代化教学层次和教学目标。

[1]段红杰,于善启.面向三维CAD/CAM技术的机械类专业教学改革的研究与实践[J].郑州航空工业管理学院:社会科学版,2007(5):125-127.

[2]陈鹏.基于数字化技术的应用性本科机械类创新型人才培养体系的构建[J],中国电力教育,2008(12):101-103.

[3]陈永泰,周荣茂,徐惠容,张桂香,周海萍.数字化设计与制造系统的综合利用与教学研究 [J],实验室研究与探索,2004(6):72-74.

[4]马军,肖艳秋.基于模块化思想的CAD/CAM教学与实践[J],山西科技,2010(2):140-141.