計算機(jī)輔助設(shè)計與制造多情境教學(xué)模式

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［摘要］為充分體現(xiàn)計算機(jī)輔助設(shè)計與制造課程的實踐性和綜合性特征，探索出一套包括教學(xué)情境創(chuàng)設(shè)原則、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式等的多情境教學(xué)法。通過合理創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，使學(xué)生沉浸式地對典型工程實例進(jìn)行學(xué)習(xí)，并在實踐環(huán)節(jié)中完成對關(guān)鍵知識的深耕和對核心技術(shù)的掌握。從多情境教學(xué)效果來看，該方法使學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中熟悉企業(yè)關(guān)鍵生產(chǎn)流程，強(qiáng)化了實踐能力，激發(fā)了學(xué)習(xí)動機(jī)，完善了認(rèn)知體系，培養(yǎng)了創(chuàng)新意識。

［關(guān)鍵詞］計算機(jī)輔助設(shè)計與制造；多情境教學(xué)法；課程實踐；教學(xué)改革

一課程特點(diǎn)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(yīng)用計算機(jī)輔助設(shè)計與制造等技術(shù)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(jī)輔助設(shè)計與制造（ComputerAidedDesign/ComputerAidedManufacturing，CAD/CAM）技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)，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(yīng)，《計算機(jī)輔助設(shè)計與制造》是一門培養(yǎng)制造業(yè)人才的專業(yè)基礎(chǔ)課，在機(jī)械工程學(xué)科課程體系中占有重要地位。該課程教學(xué)內(nèi)容主要包括計算機(jī)圖形學(xué)、計算機(jī)輔助幾何設(shè)計、計算機(jī)輔助工程、計算機(jī)輔助工藝規(guī)劃、數(shù)控技術(shù)、虛擬現(xiàn)實與仿真技術(shù)、計算機(jī)集成制造以及先進(jìn)制造技術(shù)等相關(guān)內(nèi)容，涉及產(chǎn)品制造活動整個生命周期中的相關(guān)計算機(jī)輔助技術(shù)。掌握計算機(jī)輔助設(shè)計與制造基本理論和應(yīng)用技術(shù)可為學(xué)生在日后的工作實踐中不斷自我學(xué)習(xí)、拓展創(chuàng)新夯實基礎(chǔ)[2，3]。計算機(jī)輔助設(shè)計與制造這門課程學(xué)科交叉性很強(qiáng)，涉及的學(xué)科眾多，綜合性強(qiáng)，應(yīng)用性廣，知識密集，知識面寬，給教學(xué)工作帶來了較大難度?，F(xiàn)存的主要問題有以下三點(diǎn)。第一，涉及知識點(diǎn)多，對這些知識點(diǎn)的講解往往是分章節(jié)按模塊進(jìn)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(dǎo)致學(xué)生難以對離散知識點(diǎn)建立關(guān)聯(lián)，缺乏對知識點(diǎn)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(xué)思想和單一的教學(xué)形式不利于學(xué)生對知識理解的內(nèi)化和對知識應(yīng)用的活化，“重理論，輕實踐；重結(jié)果，輕過程”的教學(xué)方法不利于學(xué)生對知識的深耕，更不利于培養(yǎng)學(xué)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(diǎn)脫節(jié)，學(xué)生缺乏實踐、總結(jié)和展示的機(jī)會，缺少發(fā)揮創(chuàng)造力的平臺。對計算機(jī)輔助設(shè)計與制造技術(shù)的掌握程度的評判標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)僅停留在低階認(rèn)知的階段，只看重對某些細(xì)節(jié)知識的獲取，而應(yīng)將發(fā)展學(xué)生高階能力放在首位，采用多樣化考核方式，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮其主觀能動性，對相關(guān)知識活學(xué)活用，并給予學(xué)生充分的創(chuàng)設(shè)空間。為解決上述問題，探索計算機(jī)輔助設(shè)計與制造課程新的教學(xué)法并深化課程改革很有必要。學(xué)習(xí)知識的最好方法就是在情境中進(jìn)行。情景教學(xué)顧名思義是搭建工作環(huán)境、創(chuàng)設(shè)工作任務(wù)，將其引入到教學(xué)過程中，在完成工作任務(wù)的同時完成教學(xué)任務(wù)[4]。為了更好地將課本上的計算機(jī)輔助設(shè)計與制造技術(shù)基本理論與生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用技術(shù)相結(jié)合，將工業(yè)生產(chǎn)中實際的應(yīng)用環(huán)境和工作任務(wù)真實地展示于學(xué)生面前，將學(xué)生帶入到實際場景當(dāng)中，告訴學(xué)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(xué)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(diǎn)，增強(qiáng)對計算機(jī)輔助設(shè)計與制造技術(shù)的應(yīng)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(xué)實踐活動中通過創(chuàng)設(shè)不同的計算機(jī)輔助設(shè)計與制造情境，使教學(xué)情境多樣化，并對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和實驗安排以及考核方式等都進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整和改革，從傳統(tǒng)課堂的“強(qiáng)調(diào)聆聽、被動記憶”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皬?qiáng)化思考，主動探究”的開放課堂，不僅提升了課程教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)了學(xué)生對相關(guān)知識和技術(shù)的掌握程度，更重要的是激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

二多情境教學(xué)法的內(nèi)涵

（一）課程教學(xué)內(nèi)容通過對課程教學(xué)目標(biāo)細(xì)化，以“突出重點(diǎn)”為原則，整合優(yōu)化教學(xué)體系，圍繞重要知識點(diǎn)和核心技術(shù)，創(chuàng)設(shè)不同的教學(xué)情境，通過應(yīng)用實例將關(guān)鍵知識點(diǎn)集成起來，融入相應(yīng)教材內(nèi)容和國內(nèi)外最新科研成果。計算機(jī)輔助設(shè)計與制造涉及的核心技術(shù)主要有：零件（產(chǎn)品）幾何建模、模型結(jié)構(gòu)分析、先進(jìn)制造技術(shù)（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(jī)輔助設(shè)計方法對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計并表達(dá)出零件形狀、結(jié)構(gòu)及其技術(shù)要求，該環(huán)節(jié)為后續(xù)計算機(jī)輔助加工提供基本幾何信息和拓?fù)湫畔?，是?shù)字化生產(chǎn)中產(chǎn)品信息的來源。2模型結(jié)構(gòu)分析主要指利用計算機(jī)輔助分析方法對所構(gòu)建產(chǎn)品結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進(jìn)行靜力學(xué)和動力學(xué)分析，可對固體、流體和電磁場特性等進(jìn)行分析和優(yōu)化，用以確保產(chǎn)品設(shè)計的合理性，減少設(shè)計成本。3工藝規(guī)劃及數(shù)控加工即利用計算機(jī)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(yùn)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(RapidPrototyping，RP)是一種具有代表性的先進(jìn)制造技術(shù)，對促進(jìn)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(shù)是CAD/CAM技術(shù)、激光技術(shù)、計算機(jī)數(shù)控技術(shù)、精密伺服驅(qū)動技術(shù)以及新材料技術(shù)于一體的新技術(shù)，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。5CAD/CAM系統(tǒng)集成是將制造系統(tǒng)中與CAD/CAM相關(guān)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(shù)保證，涉及的內(nèi)容非常寬泛，包括集成系統(tǒng)的體系架構(gòu)，計算機(jī)軟硬件，信息交換和共享策略，甚至企業(yè)管理機(jī)制等?？梢钥闯?，包括數(shù)控加工和快速成型在內(nèi)的先進(jìn)制造技術(shù)都是以產(chǎn)品幾何建模為源頭，而模型結(jié)構(gòu)分析則是對設(shè)計的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)合理性進(jìn)行檢驗的計算機(jī)輔助方法。建模在前，分析在后，兩者均應(yīng)先行于制造環(huán)節(jié)。因此，創(chuàng)設(shè)產(chǎn)品三維建模及其有限元分析教學(xué)情境，應(yīng)充分利用計算機(jī)輔助設(shè)計和分析軟件，使學(xué)生掌握產(chǎn)品三維建模方法，達(dá)到熟練運(yùn)用一款計算機(jī)輔助設(shè)計商用軟件的程度，并在教學(xué)情境中理解有限元分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能的便利性和必要性。其中對于模型結(jié)構(gòu)分析的了解和對計算機(jī)輔助工程軟件的應(yīng)用，作為教學(xué)內(nèi)容外延部分。工藝規(guī)劃和數(shù)控加工部分的教學(xué)內(nèi)容以圖形交互式自動編程系統(tǒng)為主，通過創(chuàng)設(shè)應(yīng)用情境下的具體案例，在軟件應(yīng)用實例的教學(xué)和學(xué)生實操的學(xué)習(xí)過程中，使學(xué)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(diǎn)對應(yīng)有不同的成型技術(shù)，如熔融層積成型（FusedDepositionModeling，F(xiàn)DM），選區(qū)激光燒結(jié)（SelectiveLaserSintering，SLS）和立體光固化快速成型（StereoLithographyApparatus，SLA），相比于數(shù)控加工技術(shù)，它可以在無須準(zhǔn)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(jìn)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?？焖俪尚图夹g(shù)與數(shù)控加工是20世紀(jì)機(jī)械制造技術(shù)突破性創(chuàng)新的兩大標(biāo)志成果，在創(chuàng)設(shè)的教學(xué)情境中，分別對兩種方法進(jìn)行講解并比較其特點(diǎn)，使學(xué)生較為系統(tǒng)地對基于CAD/CAM的先進(jìn)加工方法有所了解。作為工業(yè)技術(shù)革命和制造手段革新的重要標(biāo)志，在數(shù)控技術(shù)上演繹出的計算機(jī)數(shù)控、計算機(jī)輔助設(shè)計與制造、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)、柔性制造等一系列的先進(jìn)制造模式為智能制造奠定了基礎(chǔ)。通過對工業(yè)界實際應(yīng)用的集成制造系統(tǒng)情境（錄像和電影）的展示和分析，使學(xué)生對集成制造系統(tǒng)有更直觀、更準(zhǔn)確的系統(tǒng)性認(rèn)識。

（二）課程教學(xué)方法圍繞上述教學(xué)內(nèi)容中的關(guān)鍵知識點(diǎn)即計算機(jī)輔助設(shè)計與制造涉及的核心技術(shù)，教師在所創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境中，一方面對工程案例進(jìn)行描述和講解，并向?qū)W生分享項目經(jīng)驗和心得；一方面以提問式教學(xué)貫穿其中，逐步引導(dǎo)學(xué)生找到解決問題的切入點(diǎn)，利用合理的技術(shù)手段解決問題。同時，為強(qiáng)化學(xué)生對知識點(diǎn)的理解，訓(xùn)練學(xué)生舉一反三的能力，并增強(qiáng)學(xué)生的參與感，調(diào)動學(xué)生思考問題的積極性，打破一元化的教學(xué)思想，豐富課堂教學(xué)形式，組織學(xué)生對案例進(jìn)行分組研討，提出解決問題的方案，在課堂進(jìn)行組間以及師生交流，對比分析各自方案的優(yōu)點(diǎn)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(xué)生創(chuàng)新意愿，給學(xué)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(xué)內(nèi)容的外延部分不做強(qiáng)制要求，比如利用有限元分析軟件對零件（產(chǎn)品）進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、強(qiáng)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(xué)生僅作了解。對于學(xué)有余力且表現(xiàn)出較大興趣的同學(xué)進(jìn)行單獨(dú)輔導(dǎo)，最大程度向?qū)W生開放學(xué)校工程訓(xùn)練中心或者教師課題組的硬件資源；同時引導(dǎo)學(xué)生參與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃訓(xùn)練或者其他相關(guān)競賽，并對其進(jìn)行具體指導(dǎo)。對于計算機(jī)輔助設(shè)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(xué)和課程實踐是相輔相成的，對學(xué)生而言，知識只有在其產(chǎn)生和應(yīng)用的情境中才能產(chǎn)生實際意義[5]。根據(jù)課堂上創(chuàng)設(shè)的教學(xué)情境，課程實踐環(huán)節(jié)以項目驅(qū)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(jìn)行開放式實驗設(shè)計[6]。具體內(nèi)容是利用主流CAD/CAM系統(tǒng)，如MasterCAM、Pro/E或UG，對某種產(chǎn)品進(jìn)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(jìn)行刀位規(guī)劃，生成用于數(shù)控加工的G代碼，并進(jìn)行刀位軌跡進(jìn)行動態(tài)仿真驗證，要求學(xué)生完成從產(chǎn)品設(shè)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(yīng)根據(jù)桌面式數(shù)控銑床最大有效行程設(shè)計產(chǎn)品尺寸。課程實踐環(huán)節(jié)與課程教學(xué)中教學(xué)情境模塊保持一致，使學(xué)生在了解和熟悉相關(guān)技術(shù)在典型工程案例的應(yīng)用之后，通過對相似案例的親自實踐，對關(guān)鍵知識點(diǎn)和CAD/CAM核心技術(shù)進(jìn)一步消化和吸收，完成對知識的內(nèi)化，同時也鍛煉了學(xué)生實際解決問題的能力。

（三）課程考核方式計算機(jī)輔助設(shè)計與制造課程多情境教學(xué)法，以項目驅(qū)動方式開展課堂教學(xué)和課程實踐，是引導(dǎo)學(xué)生在對相關(guān)理論理解和應(yīng)用的基礎(chǔ)上，深入思考、分析、評價、創(chuàng)新的認(rèn)知過程。對于這個認(rèn)知過程的評價，不能單一考核學(xué)生對理論知識的理解和掌握，還應(yīng)評價學(xué)生對計算機(jī)輔助設(shè)計與制造應(yīng)用方法的掌握和創(chuàng)新，故將學(xué)生的實踐成果作為課程學(xué)習(xí)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(xué)生課程學(xué)習(xí)成果更接近“學(xué)生的真實學(xué)習(xí)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(xué)生實踐過程和學(xué)習(xí)成果的重要載體，對學(xué)生實驗成果的評價符合成果導(dǎo)向教育（OutcomeBasedEducation，OBE）的理念，也提升了該門課程教學(xué)目標(biāo)與人才培養(yǎng)目標(biāo)的契合度。各教學(xué)情境下的實踐環(huán)節(jié)分項評價指標(biāo)可根據(jù)實驗?zāi)K的具體情況制定，如數(shù)控加工實驗?zāi)K具體評價指標(biāo)有：選題難易程度、選題原創(chuàng)性、曲面模型或?qū)嶓w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(diào)動學(xué)生積極性，采取自評、他評和教師評價加權(quán)綜合評定的方式，得出各實驗?zāi)K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(jī)輔助設(shè)計與制造課程的實踐性，鼓勵和引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新及以學(xué)生為主體的教學(xué)理念。

三多情境教學(xué)場景的創(chuàng)設(shè)

教學(xué)情境選擇具代表性工程應(yīng)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(yīng)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(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因此需要對螺栓受到的沖擊應(yīng)力進(jìn)行計算和校核。在零件幾何建模與結(jié)構(gòu)分析教學(xué)情境中，可選擇不同工程應(yīng)用中的螺栓連接作為研究對象。比如，選擇船用設(shè)備地腳螺栓作為研究對象，連接件的抗沖擊能力直接關(guān)系到設(shè)備的抗沖擊能力。對連接件抗沖擊性能進(jìn)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(fù)雜，建模涉及拉伸、掃略、旋轉(zhuǎn)以及布爾運(yùn)算等實體建?；静僮?，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(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過設(shè)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(yīng)仿真結(jié)果，并對其進(jìn)行分析。教學(xué)情境是需要任課教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)進(jìn)度進(jìn)行創(chuàng)設(shè)的。在考慮從幾何建模到基于有限元的結(jié)構(gòu)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(jìn)行實體建?；蛘弑砻娼＃粚δ＞哌M(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，如對模型圓角所受應(yīng)力進(jìn)行計算仿真或者對模具強(qiáng)度進(jìn)行仿真校核；在結(jié)構(gòu)合理的基礎(chǔ)上，對模具數(shù)控加工進(jìn)行刀位規(guī)劃和加工的仿真驗證，實現(xiàn)從產(chǎn)品計算機(jī)輔助設(shè)計到計算機(jī)輔助制造的完整流程。同樣，創(chuàng)設(shè)的快速成型情境，應(yīng)符合其在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)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(dǎo)學(xué)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(shè)計、制造和產(chǎn)品組裝。創(chuàng)設(shè)情境使傳統(tǒng)教學(xué)得到了擴(kuò)展和深化，對學(xué)生形成強(qiáng)烈的信息刺激，激發(fā)學(xué)生體驗和學(xué)習(xí)的動機(jī)，使得學(xué)生的認(rèn)知過程更豐富且合理。

四結(jié)論

將課本中計算機(jī)輔助設(shè)計與制造技術(shù)基本理論與生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用技術(shù)相結(jié)合，通過創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，將工業(yè)生產(chǎn)中實際的應(yīng)用環(huán)境和工作任務(wù)真實地展示于學(xué)生面前，使學(xué)生在沉浸式的學(xué)習(xí)過程中掌握計算機(jī)輔助設(shè)計與制造重點(diǎn)知識，熟悉關(guān)鍵技術(shù)；形成多情境教學(xué)法，使課程教學(xué)與實際生產(chǎn)緊密關(guān)聯(lián)，使學(xué)生不僅能在課程學(xué)習(xí)中熟悉企業(yè)關(guān)鍵生產(chǎn)流程，而且強(qiáng)化學(xué)生實踐能力、激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新精神。該方法在教學(xué)實踐中取得了良好效果，有效促進(jìn)了教學(xué)質(zhì)量的提高，提升了該門課程教學(xué)目標(biāo)與人才培養(yǎng)目標(biāo)的契合度。

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作者：于源 于洪杰 汪曉男 焦志偉 單位：北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院