创新创业教育视阈下模具CAD/CAM课程改革探索与实践

孙前江， 黄映霞， 李 宁， 姜丽红

（南昌航空大学 航空制造工程学院，南昌 330063）

引言

美国创业教育先驱蒂蒙斯曾经指出，21世纪是一个创业的时代，人类正面临着一场无声革命，即创新和创业精神在全世界取得伟大胜利的革命[1]。因此，一种新的教育理念—创新创业教育，引起各国政府和高校的高度关注。自2015年《国务院办公厅关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》[2-3]颁布实施以来，创新创业教育已经成为我国高等学校教育的共识，是深化高等教育教学改革和培养学生创新精神和实践能力的重要途径[4]。目前，高校创新创业教育课程体系、教学模式已逐步建立和完善，有力地推动了大学生就业和创业。然而，当前高校大学生创新创业教育仍存在许多不容忽视的问题，其中双创教育和专业教育的有机融合是当前我国创新创业教育必须解决的问题之一[5-6]。

1 模具CAD/CAM课程教学现状及改革的必要性

模具CAD/CAM是改变传统模具生产方式的关键技术，是一项集高效益、高科技和高效率于一体的系统工程，它以不同软件的形式为企业提供一种有效的辅助设计及加工的工具[7-8]。工程技术人员能够借助于计算机对零件的结构、模具结构、成型工艺、数控加工代码及生产管理等进行设计和优化，可以显著缩短模具设计与制造周期，降低生产成本，提高成型零件的质量。在过去的30多年中，CAD/CAM技术给塑性加工等行业带来了许多深刻的变革。

模具CAD/CAM课程作为我校材料成型及控制工程专业(塑性成形与模具方向)的专业限选课进行开设，是一门实践性很强的软件应用型课程，课程的核心知识点是UG NX软件建模及专业模具设计模块，要求学生熟练掌握UG NX软件的应用模块并能进行产品建模和模具设计。然而，本门课程传统教学模式中，网络课程资源缺乏，主要以课堂讲授为主，上机实验为辅，受学时和教学场地的限制，学生上机软件操作时间偏少；学生对模具CAD/CAM知识缺乏深入理解和掌握，软件应用与专业模具设计知识脱节；课程考核缺乏有效的学习过程评价机制。因此，采用传统的教学模式讲授该门课程，学生被动地接受知识，难以激发学习兴趣，课程教学效果不佳。此外，课程教学大纲、教学方法和课程实验设置等方面对培养学生创新创业意识方面亟待改进。科学技术日新月异，要让学生了解和掌握先进CAD和CAM技术在现代模具设计中的应用，充分调动学生的学习兴趣和积极性，激发和培养学生模具设计过程中的创新创业意识，针对本门课程传统教学模式中存在的一些问题，迫切需要开展课程改革与建设。

2 模具CAD/CAM课程改革与探索

为培育学生的创新创业意识和提高解决问题的能力，模具CAD/CAM课程改革贯彻“以学生为主体，以培养学生工程创新能力为导向”的教学理念，根据学生应掌握的知识、具有的能力及素质等，对课程内容进行了整体规划设计，积极融入创新创业教育，并建立了与其相匹配的网络资源库以及较完善的过程考评机制，充分调动学生对本门课程的学习兴趣和主动性。

2.1 重新整合理论教学内容，融入双创教育理念

随着计算机技术飞速发展，模具CAD/CAM技术也已达到较高的水平，软件功能不断更新。课程原来使用的教材《模具CAD— UG NX应用》是由我校教师早期基于UG NX4.0软件平台编写，随着软件的不断升级，教材已经难以适应目前模具设计和制造行业的要求，并且教材的编写也没有融入创新创业教育的理念。

为适应创新创业教育的特点和软件不断升级的要求，结合现阶段社会对人才的知识结构和能力素质等方面的全新要求以及模具设计行业的特点，对本门课程理论授课内容进行了更新和优化，为了与模具设计专业知识紧密结合，授课内容中增加相关模具设计的专业基础知识，有助于学生在学习模具CAD/CAM软件的同时，加深对已学过的模具设计专业知识的理解和掌握，实现软件应用与专业知识的深度融合，解决学习过程中软件应用与专业知识脱节的问题。为此，课程组教师联合省内外多所高校教师共同编写了新版教材《模具CAD/CAM—NX应用》，新版教材基于UG NX 10软件平台编写。与原教材相比，增加了塑料、冲压和锻造模具设计的基础内容，设计案例更丰富且贴近实际生产和研究，部分案例如图1所示。此外，新版教材更加注重材料成形及控制工程专业(塑性成形与模具方向)学生创新意识和创新创业能力的培养，使学生在专业课程理论的基础上，灵活运用模具CAD/CAM软件，解决模具设计和制造中的具体问题，不断提升工程素养和设计能力。

另外，根据模具CAD/CAM课程的特点和教学目标，对课程内容进行模块化设计，总共划分为实体零件造型、零件装配、工程图、模具设计和数控加工五个主要模块，再根据各个模块的知识点进一步细分为若干个子模块和微单元。例如，零件装配模块分为自底向上装配和自顶向下装配两个子模块，其中自底向上装配子模块进一步细分为装配约束、引用集、组件阵列装配和镜像装配等微单元；自顶向下装配子模块划分为新建组件和Wave几何链接器两个微单元。UG NX软件辅助模具设计模块划分为冲压模具设计、注塑模具设计和锻造模具设计3个子模块及若干个微单元，例如冲压模具设计子模块的微单元构成如图2所示。课程内容模块化处理后，再根据各个模块的知识点创建教学视频并上传至网络课程中，便于学生在线学习和复习。通过课程内容模块化处理，可以将整个课程的学习目标进行分解，使学生能够了解各个模块和微单元的学习目标并明确各个模块知识点的相关性，学习目的性加强，同时也提高了教学的有效性。此外，通过各个模块网络课程视频资源的创建，消除了传统课程教学资源单一的问题，有利于学生自主学习能力的培养，锻炼他们在自主学习过程中对课程知识的归纳和提炼能力，学会提出问题并对问题进行剖析和探讨，从而达到自我学习、自我探讨和自我提高的过程。

图2 UG NX软件辅助冲压模具设计微单元构成

2.2 构建“理论+实验+课外实践”课程体系，培养创新创业能力

模具CAD/CAM课程的实践性非常强，为了提高学生的创新实践能力，实践教学除教学计划内的上机实验以外，增加2～3个综合性实践训练。对于上机实验，根据理论授课内容，编写模具CAD/CAM创新设计性实验指导书，实验指导书中科学合理地设立创新设计性实验。通过完成创新性实验，不仅加强了学生对课程理论知识的掌握，而且培养了他们的创新精神。培养学生的创新意识和创新创业能力，让学生拥有创业意识非常重要，为此课程额外设置了综合性实践训练。综合性实践训练内容主要涵盖零件三维造型、模具设计和工程图创建，除了授课教师指定任务外，也鼓励学生以创新创业的理念去自由选题和自主设计，并以项目的形式分组进行开展，每组指定负责人并定期汇报项目研究进展，最终提交零件和模具三维数字化模型、模具零件工程图纸和实践训练报告。通过让每位同学分工协作来完成整个综合实践训练项目，不仅锻炼了学生与人沟通和合作的能力，而且也形成了一种竞争意识，让他们意识到这种团结协作精神是创新创业的重要精神力量，没有团队协作的精神，仅凭一个人的力量无论如何也达不到理想的工作效果，只有通过集体的力量，充分发挥团队精神才能使工作更出色。因此，通过综合性实践训练项目对学生进行了多维度的锻炼，学生能结合专业课把所学知识点融会贯通，提高了设计能力、创新能力和创业意识。

2.3 改革教学方法，激发学生创新创业兴趣

随着创新创业教育深入推进，将创新创业教育理念融入到课堂教学过程中至关重要。模具CAD/CAM课程基于UG NX软件进行讲授，软件操作命令非常多，教学方法应注重全面性、实践性和创新性，如何提高学生学习兴趣以及提升教学效果一直令授课教师非常困惑。为激发学生学习积极性，培养学生创新精神和创业意识，针对课程实践性强的特点，课程组教师采用主题项目教学法、任务驱动教学法和科研驱动式教学法进行课堂教学。

2.3.1 主题项目教学法

主题项目教学法是通过实施一个完整的项目而进行的教学活动，其目的是在课堂教学中把理论与实践教学有机地结合起来，充分挖掘学生的创新潜能，提高学生解决实际问题的综合能力[9-11]。在主题项目教学法实施过程中，紧扣课程教学大纲和教学目标，精心设计出若干个典型零件的建模及其模具设计过程作为主题项目进行讲授，力求使大纲要求的知识点都融合到这些主题项目中，这样可以把软件命令融入到具体项目中进行讲解，把相关的命令操作过程都串联起来。例如将某型发动机叶片建模及锻造模具设计作为一个主题项目进行教学，由于叶片形状非常复杂，呈扭曲状，各个截面均不相同(如图3)，建模涉及较多的曲线创建和曲面造型命令，如过曲线组曲面、扫略、修剪片体、面倒圆角等。叶片锻造模具设计时，模具分型难度较大，需要进行曲面分型(如图4)，其中涉及到分型曲面造型、缩放体、拔模和布尔运算命令等。此外，塑料模具设计和冲压模具设计主题项目中除建模的相关命令外，还涉及专业模具设计应用模块。通过这些主题项目教学，把UG NX软件建模命令、模具设计应用模块和专业知识进行了深度的融合，有利于学生熟练掌握应用UG NX软件进行建模和模具设计，提高他们对专业知识的应用能力和工程实践能力。

图3 叶片

图4 叶片锻造模具

2.3.2 任务驱动教学法

由于创建了便于操作、易于自我学习的网络课程资源，学生的课程学习可由课内延伸至课外，每次理论课前均布置在线学习任务，要求在课程网络中提前下载资料学习和观看视频，并且网络任务点学习情况作为平时成绩的一部分。同样，上机实验课和综合性实践项目均有具体的任务安排和要求，如查阅文献资料、模具设计手册和技术标准等。因此，通过布置具体的课程学习任务，学生会在实践中产生知识需求，从而围绕任务积极主动地去学习和思考每一个任务细节涉及的知识点，认真准备并掌握相关理论和操作方法，这个过程使得学生真正能够感受到学习带来的成就感，从而调动学生对模具CAD/CAM知识学习的积极性及对所学知识的灵活应用，让学生真正实现从“学会”向“会学”转变，从而为未来创新创业过程中不断地学习各类新知识打下坚实的基础。

2.3.3 科研驱动式教学法

科研与教学是辩证的统一体，科研驱动式教学是提高理工科院校学生创新能力的有效途径[12-13]。通过科研驱动式教学，可以不断更新教学内容使学生始终获取本课程的前沿进展，有利于实现教师教学与科研的有机结合，促进教师与学生之间的良性互动。为此，在本课程实际教学过程中，除采用前述两种方法讲授课程内容外，授课教师向学生讲授科研项目中与课程相关的研究内容与研究方法，尤其是与企业合作的项目，引导学生掌握项目研究路径与方法，激发学生的创新灵感，培育基于专业的创新创业意识。例如在讲授利用UG NX软件设计锻模时，向学生介绍与某企业合作的飞机座舱骨架整体成形的项目案例，由于整体座舱骨架尺寸较大(如图5)，相应的成形模具尺寸也大，最初的方案是将模具设计为整体式结构，然而整体式结构锻模既浪费模具材料，也不利于模具热处理和加工。通过反复的优化设计，创新性地将锻模设计为如图6所示的组合式结构，这种结构便可以解决整体式结构带来的问题，最终企业采纳了这种优化结构方案并顺利生产出合格的锻件。通过讲授这些实际的科研案例，理论紧密联系实践，不仅加深了学生对专业课程知识点的理解和掌握，也让学生了解到科研项目的研究方法和实施步骤，有利于激发学生研究兴趣和创新创业意识，提升创新创业能力。

图5 座舱骨架零件

图6 座舱骨架锻造模具

2.4 加强过程考核，培育创新思维

考试是检查学习情况和教学效果的一种重要方法，然而在当前创新创业教育背景下，仅仅将考试成绩作为教学效果的主要评价指标过于单一，其只能评价学生的学习结果，无法考查学生的学习过程和态度，不利于学生创新能力和综合素质的提升[14-15]。为此，课程改革引入了学习过程考核，考核方式改革前后成绩构成对比情况如图7所示。考核方式改革后，课程考核成绩主要由平时成绩、实验成绩、综合实践项目成绩和期末考试成绩四部分构成，每项均采用百分制计分，最后按比例加权计算，由图中可知期末考试成绩占比大幅度降低，仅占35%。各单项成绩中，平时成绩主要构成为考勤10%、课堂回答问题30%和网络课程任务点学习60%；实验成绩通过上机实验任务完成情况进行评定；课外综合实践作业成绩首先由各小组负责人根据成员贡献大小和实践态度评定每位成员的成绩，占比30%，教师再根据实践报告中方案的可行性、模具结构的正确性以及撰写格式等方面进行成绩评定，占比70%。课程通过考核方式的改革，更注重学习全周期的管理和实践性考核，建立了以能力为本位的理念，从“知识与设计技能”、“过程与方法设计”和“实践态度”三个方面进行全方位立体评价学生。

图7 考核方式改革前后成绩构成对比

3 课程改革成效

将创新创业教育融入到课程教学整个环节的近3年来，通过授课内容的优化及模块化设计、实践性课程体系构建、教学方法和考核方式改革方面进行了探索和尝试，逐步改变了学生学习态度和学习方法，提升了学生学习兴趣，增加了学习氛围，更多的学生积极参与课堂教学，课程改革成效显著，课程考核平均分由73.9逐步提高至82.7，优秀率也由8.7%提升到了14.4%。此外，课程改革实践过程中，教学效果获得了学生们的一致好评和肯定，学生的满意度较高，学生评教分数均在95分以上，在每年的课程设计和毕业设计实践环节，绝大多数学生能够熟练运用模具CAD/CAM软件完成相关模具的设计。另外，每年材料成型及控制工程专业(塑性成形方向)卓越工程师班学生在企业实习期间，他们模具CAD/CAM软件应用能力均获得了实习企业的一致好评。

4 结束语

随着社会和企业对创新创业人才需求的不断提高，高校需顺应这个需求不断整合专业教育和创新创业教育，培养善于用创意性思维解决问题和富有创造力的创新型专业人才。将创新创业教育融入到专业课程教学中是一个长期的系统工程，需要根据社会及企业对创新创业人才的需求，不断对教学内容、教学环节和教学方法进行改革和调整，从而提高教学质量和教学效果。与此同时，也要求专业教师加强创新实践培训、创业教育理论和实践培训以拓展视野，提高自身的职业素养和创业能力，从而不断提升教学水平。通过《模具CAD/CAM》课程教学改革，在课程教学中融入创新创业教育理念与实践，不仅提升了学生对课程的学习兴趣，而且分析和解决问题的能力也得到了显著的提高，虽然有点成效，但仍有很多不足之处有待继续完善。本研究成果对其他专业课程的建设与管理具有良好的辐射和示范作用，预期研究成果也可以推广应用于材料成型及控制工程专业其他专业课程中，进一步提高本专业的人才培养质量。