系统工程视角下《CAD/CAM 技术》的教学改革与实践

侯俊剑 都金光 马 军 明五一 何文斌

（郑州轻工业学院机电工程学院，河南 郑州 450002）

《CAD/CAM 技术》作为本科专业课，其内容包括产品建模技术、计算机辅助工程分析、CAPP 系统、计算机辅助数控加工，基于PDM 的CAD/CAM 集成技术等，教学内容覆盖面较宽，在时空上涵盖了从计算机硬件架构到软件系统，从产品研发设计到装配质检的理论知识和技术，还使学生了解到产品研发生产过程中存在的工程问题及解决问题的方法[1]。该课程同计算机图形学、数据库技术、设计方法学、计算机软硬件、网络技术等相关技术具有关联性，其发展和应用对制造业产生了巨大的影响和推动作用。

充分体现CAD/CAM 技术在当前应该达到的科学和技术水平是本课程多年来力行教学改革的内在动力。《CAD/CAM 技术》课程虽然在过去进行了一系列的教学改革，但其指导思想基本上还是以教师灌输，学生被动接受为主[2]。对于这样一门内容庞杂，实践性强的课程，如何能够在既达到当前教学目标、满足学生今后求职市场多样化需求的前提下，提升《CAD/CAM 技术》课程的系统性和协同性，培养学生的综合创新能力成为当前亟待解决的问题。

1 基于系统工程论的《CAD/CAM 技术》教学改革思路

系统工程的基本思想，就是将对象视为一个整体分层次、分步骤的分析和研究，再进行综合、归纳和演绎，使之最有效的完成任务。机械生产过程中的各个环节既有联系又相对对立，是一种离散的分布式过程，呈现复杂多变的特性。

《CAD/CAM 技术》涵盖了产品从原材料采购、研发、设计、制造到销售服务全生命周期的信息传递规律。从系统论的观点来分析和研究这一过程，传统意义的《CAD/CAM 技术》课程教学体系边界也随之消融，形成现代CAD/CAM 集成系统的教学需求，即在保持传统《CAD/CAM 技术》课程内涵的基础上，拓展《CAD/CAM 技术》外延的总体设想，根据这个需求制定了以下三项具体思路：

（1）以培养学生分析解决工程问题的能力为目的，将教学内容进行模块划分、组合和优化，实现教学体系的系统化；

（2）从培养应用型工科专业学生的“工程意识”出发，以项目为参照点来设置课程内容，使教学内容的应用化；

（3）结合本科教学实践环节，建立服务于课程设计和生产实习的教学改革评价机制。

2 《CAD/CAM》教学体系的模块化设置

《CAD/CAM 技术》的一个突出矛盾就是内容多而杂，初学者感到零碎，抓不到要领。而且，CAD/CAM 技术自身的研究内容不断更新，研究领域也不断拓展，原课程体系尚未形成，新的教学要求接踵而至，很难给该课程结构理出一个清晰的脉络。因此，推进《CAD/CAM 技术》课程体系改革，必须首先科学地界定课程各内容的教学范围，正确处理教学内容之间的横向与纵向关系，使其成为一个科学的整体。

例如，三维设计能够全面地反映设计对象，使产品设计成功率大大提高，已成为许多企业增强市场竞争能力的迫切需要。对“计算机辅助设计”一章进行教学内容的模块划分时，将机械设计方法学的原理、方法和思维融合、渗透到工程制图与三维建模中，形成新的“计算机辅助设计”基本知识和理论体系，再将二维制图内容学习和三维建模方法的掌握划分为计算机绘图、构形设计及绘图、工程图样绘制四个教学模块，穿插进行，使学生在掌握工程制图的基本知识、基本技能的同时，掌握现代的设计方法和手段，培养其空间想象能力和创新能力。

依据上述体系，以轴零件构图为例，首先分析物体，抽象描述。然后得到想象模型，表示用户所理解的客观事物及事物之间的关系，如以二维或三维的草图方式描述。再次，将想象模型以一定格式转换成符号或算法表示的信息模型，该模型表示了信息类型和逻辑关系，最后形成计算机内部表达的数字化产品模型。

图1 计算机辅助设计教学内容的教学模块设置

3 面向工程师培养的《CAD/CAM 技术》教学内容创新

针对CAD/CAM 技术课程的特点，一方面，CAD/CAM 技术课程强调理论的讲解，但要与案例分析和软件工具紧密结合，最后要落实到专业技能的提高上来。另一方面，作为应用型本科院校的学生不仅要掌握软件操作，更要掌握CAD/CAM 深层次知识，软件只是一个工具，关键还是具有解决问题能力和具有深厚的工程实践能力的人，不但要知其然，还要知其所以然。

在教学上培养学生运用现代设计方法学去创造性设计和思维。尽管CAD/CAM 研究的对象得到了扩展，但目前产品设计仍是CAD/CAM 研究的核心内容，而产品设计需要多种技术综合支持，各种技术相互叠加和包容。我们国家培养了大批绘图员而不是工程师，设计员只会根据系统的需要去设计，而工程师的创新性工作在于对知识和方法的综合，需要从设计方法、成本、质量等方面全盘考虑产品的设计。正如美国工程院提出，面向2020 年的工程师所具备的关键特征是：分析能力、实践经验和创造力等[3]。而我国只有浙江大学在研究生阶段开设了设计方法学这门课程，其它高校没有系统的设计方法学课程，而德国则是在本科生阶段就展开了设计方法学的教学，不管是学建筑、车辆还是机械，都必须学习G.帕尔与W.拜茨撰写的设计方法学。

4 《CAD/CAM 技术》实验与实践教学结合

实践是检验真理的唯一标准。《CAD/CAM 技术》作为一门工程技术课程，始于对自然科学的实践，同时与市场有着密切联系。CAD/CAM 技术的发展既受科术与经验的推动，又受经济社会发展要求的引导，具有很强的社会性。因此，《CAD/CAM 技术》的教学改革是一项复杂的系统工程，除了课程体系的系统化之外，课程体系与实践教学的衔接也是评价教学改革是否成功的重要指标。

基于上述想法，首先将理论教学、实验教学与实践环节进行有机结合。比如，对“计算机辅助产品建模”教学内容，单独设立“二/三维几何图形变换实验”，强化学生对产品建模的理性认知，并在夹具课程设计中得以运用；对附属于“计算机辅助工程”的有限元分析，将其与“计算机辅助产品建模”共同组成“计算机辅助优化设计实验”，以培养提高学生的动手能力和综合分析问题能力，并在机械制造装备课程设计环节中得到展示；将“计算机辅助数控技术”、“计算机辅助工艺规划”、“计算机辅助质量工程”三个教学内容有机串联，设立“制造执行系统与物流仿真实验”，使学生对产品生产过程的控制执行等有一个直观的认识，并在机械制造工艺规划课程设计、生产实习等实践环节中得到充分运用。

表1 是课程体系改革后相关实验教学内容。

表1 《CAD/CAM 技术》实验实践教学的结合

由表1 可以看出，通过课程体系的改革，特别是实验教学环节与实践教学环节的有机结合，凝练了理论教学内容，突出了教学重点。同时，理论教学、实验教学与实践教学在内容上紧密结合，成为课程教学内容的自然延伸和必要补充，使学生能够更好的认识、理解和把握理论课程中学到的基础理论和基本知识。

5 结束语

适应目前CAD/CAM 技术日新月异的发展需求，为市场培养具有创造力和工程意识的学生，是改革传统《CAD/CAM 技术》教学体系、内容及方法的驱动力，这不仅需要教师能合理把握该课程的教学进度，以良好的科学素养和市场化视野及时更新、完善教学内容，更重要的是能在最终目的上体现《CAD/CAM 技术》的工程应用背景，培养具有自主创新、自主创业的学生。

［1］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，2010，25(2)：140-141.

［2］段红杰，肖艳秋，白代萍.CAD/CAM 系列课程教学内容和课程体系的改革与实践[J].中国现代教育装备，2012，23(2)：41-44.

［3］王令其，左健民，汪木兰，等.大工程观与应用型工科教学改革[J].理工高教研究，2009，2：130-132.