《模具CAD/CAM》三位一体教学模式的探索

吕滨江，崔 宁

（青岛理工大学机械与汽车工程学院，山东 青岛 266520）

CAD/CAM 技术是通过计算机辅助技术进行机械设计及加工的工具，是一种集高效益、高科技和高效率于一体的高新技术，是先进制造技术的重要组成部分。模具CAD/CAM技术可以通过计算机对模具结构、模具零件结构、成形工艺、模流分析、数控自动编程及生产管理等过程进行集成设计和优化，大幅缩短模具的设计制造周期，降低设计人员的劳动强度和生产成本，提高零件质量[1]。近二三十年来，模具CAD/CAM技术的出现对模具设计和制造行业带来了巨大变革，并起到了巨大的推动作用。随着现代模具行业生产模式和理念的转变，相关企业也越来越注重专业技术人员的工程创新实践能力。面对WTO所带来的挑战与机遇，国内外企业迫切需要熟练掌握模具CAD/CAM技术的高技术人才。模具设计生产企业对专业从业人员的基本要求就是熟练掌握模具CAD/CAM技术[2]。

建设创新型国家战略要求高校培养具有创新实践能力的工程技术人才。因此，高等院校需要对当前的人才培养模式进行大胆的变革和创新[3]。《模具CAD/CAM》是借助CAD/CAM应用软件进行计算机辅助模具设计和制造的一门专业课。传统的“理论式”《模具CAD/CAM》教学模式重理论、轻实践，对学生能力的培养存在许多不足之处，造成专业学生所学与企业的需求脱节。因此，如何构建新的《模具CAD/CAM》课程教学模式以提高学生的创新实践能力是亟须解决的课题之一。

1 传统的《模具CAD/CAM》教学模式存在的问题

为了培养满足模具设计制造相关企业需求的具备创新实践能力的技术人才，服务地区经济建设，《模具CAD/CAM》课程通常是工科院校材料成型与控制工程专业模具方向的重要专业课程。传统教学模式的不足，主要有以下几个：大部分授课教师没有工程实践经验，与产业脱节，过多强调理论学习或软件的使用，学生被动听课，学习目的不明确，缺乏创新实践能力锻炼，学习效果差；教学体系存在理论教学与实践教学联系不紧密，教学内容部分老化，没有紧跟当前行业先进技术的发展趋势及企业需求[4-5]。还有，近年来很多高校都实行专业课程的学分压缩，使该课程的课堂学时、上机学时及实验课时进一步压缩。专业课教师在授课时，只能以讲授为主，压缩学生上机和实验学时，学生缺乏软件操作经验，也无法了解掌握企业的实际设计生产流程，培养的毕业生难以满足企业的需求。此外，传统教学方式的考核方式比较单一，以考试成绩为主要评定依据，学生为了应试，忽略上机练习及实际操作，缺乏实践能力，与企业对人才技能的需求脱节。本文针对传统教学模式存在的问题，对专题专业培养模式进行不断变革，通过建立“理论+虚拟仿真+实验”的三位一体新的教学模式，探索一条能够培养满足当前企业所需专业人才的培养途径。

2 《模具CAD/CAM》三位一体的教学模式探讨

2.1 教学目标和定位

青岛理工大学作为国家首批地方高校“111计划”建设单位、全国首批深化创新创业教育改革示范高校、山东省重点建设的应用基础型人才培养特色名校，在教学方面一直注重学生创新与实践能力的培养。

《模具CAD/CAM》课程是本校材料成型与控制工程专业模具设计制造方向的限定选修课。本课程旨在培养学生应用计算机辅助设计与制造技术解决本专业问题的能力，学习模具结构、冲压工艺以及CAD/CAM开发的基本原理和方法。课内教学内容主要为模具CAD/CAM的基本原理，模具CAD/CAM系统基本功能组成，模具设计准则，成型过程，几何造型与图形处理方法等。上机及实验课通过对图形变换、几何造型、注塑模CAD/CAM应用系统、铣削加工编程、注塑模向导的演示，增强学生对模具CAD/CAM设计方法、特点及优越性的感性认识，学生采用上机操作、虚拟仿真和实验实操等方法完成图形变换、几何造型、注塑模的设计及铣削加工编程流程。通过学习和掌握模具CAD/CAM的原理、方法与技术，以适用制造业的发展和社会需要。

通过对青岛周边大量模具设计制造企业的调研，了解到汽车及家电产品的模具设计制造行业发展前景非常广阔。充分听取企业对模具专业毕业生专业技能和职业素养的要求，重新调整优化专业课程体系，制定更加合理的教学内容和课程计划。其中，大部分企业采用UG NX软件进行模具CAD/CAM的设计制造。为了与行业和企业需求接轨，本课程采用UG NX11.0进行产品结构和模具的设计、工艺设计及数控编程等。UGNX软件功能强大，具有独立运行的集成管理数据库系统是CAD/CAM/CAE各部分数据能够进行自由切换；良好的二次开发接口和辅助工具可以让用户自己创建个性外部插件。

2.2 提高教师的创新实践能力

《模具CAD/CAM》专业课教师是否具备工程实践能力是培养高素质工程人才的重要影响因素，既关系到教师的职业生涯发展，还关系到课程教育教学改革的成效。从高校毕业后刚入职的青年教师大多长期从事理论研究，缺乏在企业一线工作的经验，难以接触企业工程项目，在教学过程中缺乏企业生产实际案例，教学内容难以与企业所需挂钩，教学效果差[6]。此外，原先具有企业工程背景的教师，由于长期脱离企业生产环境，工程经验技术无法实时更新，从而与不断发展更迭的工程技术发生脱节，难以适应当前企业的生产实际。因此，提高教师的工程实践能力，是提高专业教学质量、拓宽教师资深职业发展道路、建设高素质师资队伍及有效培养学生创新实践能力的重要任务。

针对上述问题，学校加强顶层建设，对教师工程实践能力的培养和提升进行总体规划。出台一系列政策鼓励年轻教师深入企业联合参与课题研究，推荐具有博士学历的年轻教师到企业中挂职锻炼。同时，积极鼓励教师外出参加课程研讨班和技术培训，学习其他高校相关课程的教学和实践方法，并结合自身工程化的特色，对课程内容进行更新，以提高教师的工程实践能力，为学生提供接触企业生产实际与科技前沿、了解社会等机会，促进专业工程教育水平的提升。此外，为进一步加强学科人才培养，本专业还积极组织教师申请和落实产学研项目和横向课题，到企业锻炼与开展科技合作，加强对外交流与学习，把握工程前沿技术，在增强与企业合作的同时，也很好地培养了教师的工程实践能力。

同时，与专业相关的企业建立产学研合作基地与创新实践基地，并聘请具有丰富工程实践经验的企业工程技术人员为兼职导师，充分发挥实践基地企业高水平技术专家及技术骨干的优势，构建校企合作协同育人机制，共同开发符合企业生产实际的校企合作共建课程内容，用于本专业教学和创新实践能力的培养，使学生全面了解和掌握本行业的发展现状以及先进的生产技术工艺和设备等。

上述措施为《模具CAD/CAM》三位一体的教学模式的探索和开展提供了有力保障。

2.3 教学模式

教学环节以注塑模CAD/CAM章节为例，讲述构建的“理论+虚拟仿真+实验”课程体系。

由于课时压缩，课堂学时较为紧张，部分章节的学习内容需要学生提前预习，借助学校数字图书馆的中国MOOC大学、超星泛雅及其他网上学习平台进行预习。课前，让学生复习专业课学过的注塑模结构设计等内容，并查阅文献了解注塑模设计制造的最新研究现状和发展趋势，调动学生学习兴趣和学习主动性。

课堂上，讲解注塑模CAD/CAM概述及注塑模结构CAD等基础内容，利用问题导入，让学生对模具设计制造的最新技术和发展趋势展开讨论，锻炼学生的综述表达能力，激发学生思维。对学生的讨论结果进行总结，向学生介绍当前行业所采用的模具CAD/CAM技术，激发学生的学习兴趣，明确学习目的。

在上机课，利用UG NX 11.0进行简单注塑模型芯及型腔部件的CAD设计演示。学生在先修课中已经学习了《计算机辅助设计（UG）》，具备UGNX的操作基础。通过上机练习，可以较快地了解注塑模CAD/CAM，熟练掌握并通过UG NX 11.0软件进行注塑模结构设计的流程，能够利用建模模块进行简单的注塑模零件设计。给学生提供简单的注塑模型腔零件，让学生通过NX11.0的进行型腔零件的三维模型建模，锻炼CAD设计操作能力。利用课上讲解的知识，对该工件进行工艺分析和加工工艺设计，分析零件需要加工的部位，选择加工方法，确定加工工序。借助UG NX 11.0的CAM模块进行自动数控编程：导入自己建立的注塑模型腔零件3D模型，选择合适的加工环境（如型腔铣），依次进行如下操作：创建加工程序和加工顺序，便于管理工序；创建刀具并进行编辑，根据工艺设计结果，创建刀具并进行刀具参数设置；创建几何，指定工件及毛坯的加工表面和加工范围；创建加工方法，主要有粗加工、半精加工、精加工等，定义几何边界条件、切削余量、内外公差和进给速度等；随后，根据工艺设计结果，创建操作生成刀路。让学生通过2D和3D可视化直观地对刀路进行检查验证，检查无误后进行确认，选择合适的后处理器，对产生的刀轨进行后处理，生成并导出数控机床能够识别的数控代码。同时还需生成车间文档。

在教学过程中，创新性的加入虚拟仿真过程。虚拟仿真练习过程采用斯沃数控系统仿真软件。斯沃数控仿真软件包含的操作面板和操作系统非常全面，还具备手动编程和导入程序模拟加工功能，可以使学生有数控机床操作的真实感和沉浸感，了解各种系统的数控车床、数控铣床及加工中心等操作。通过仿真练习过程，使学生达到实物操作的练习目的，同时能避免在操作不熟练的情况下损坏机床。学生将UG NX 11.0的CAM模块导出的数控代码导入斯沃数控仿真软件的数控系统，加载待加工工件的三维模型，选择合适的夹具进行装夹，在虚拟数控系统上操作数控机床，进行模拟加工操作。虚拟仿真过程可以让学生提前熟悉从生成数控代码到机床加工的整个流程。最后，学生对操作系统和操作设备比较熟悉的前提下，通过实验课，在工程实训中心的数控机床上分组进行操作，加工出课堂上所设计的注塑模型腔零件。现场实验教学是《模具CAD/CAM》课程中重要的授课环节，可以在现场解决学生提出的技术问题，引导学生观察技术要点，现场讲解与生产实际相关的技术基础知识。学生通过机床实物操作，能熟练掌握所操作的数控系统，并能在数控机床上进行加工操作，处理加工和操作过程中出现的相关问题，加强理论与实践能力。

2.4 评价体系

传统教学模式下，期末考试是主要的考核方式。本校《模具CAD/CAM》2017旧版教学大纲的考核方式中，期末成绩占比80%，实验占比20%。随着教学模式和教学方法的改革，课程考核模式也需要进行变革。根据课程设计要求和目标，以全面发展和注重差异为原则，针对学习内容建立一套评价科学、描述可观、质量过程相结合，与“三位一体”新教学模式相适应的考核体系，如表1所示。新的考核体系，注重课程学习过程评价和最终评价相结合。其中，理论知识考核占比30%，将软件和设备操作作为非常重要的考核部分，占比70%，重视学生创新实践能力的培养和考核。该考核方式能够比较全面地反映学生在理论学习、软件操作和实操各个阶段的学习情况，以便于在学期末进行课程分析和课程总结，对课程进行持续改进。

表1 “三位一体”教学模式的考核体系

3 结语

随着社会和制造企业对专业技术人员创新实践能力需求的不断提高，高校应该不断进行课程改革的探索和实践，培养具有创新素质与工程实践能力的技术人才。与《模具CAD/CAM》课程传统教学模式相比，通过构建“理论+虚拟仿真+实验”一体化专业培养模式，通过多种教学手段和平台，挖掘学生的创新能力，激发学生的实践能力，使学生具备扎实的理论基础及企业所需的专业实践技能。通过“三位一体”教学模式的探索与实践，逐步构建一套注重学生创新实践能力培养的教学体系，积累了一定的实践教学经验，为更多专业课程创新实践能力的培养奠定了良好的基础。

然而，“三位一体”教学模式仍有很多不足之处，需要不断持续改进。主要存在如下问题：（1）课时不足，模具CAD/CAM软件操作、数控系统操作及数控机床的实操都需要大量的练习时间才能熟练掌握，在学时被压缩的前提下，如何协调优化各个教学环节是亟须解决的一个重要问题；（2）“三位一体”教学模式多样，如何制定更为合理的教学计划、项目设计和试验计划以有效地衔接各个教学环节，是另外一个需要解决的重要问题。