面向汽车数字化制造人才培养的汽车CAD/CAM课程建设

杨 敏，蔡隆玉，赵建平

（南京理工大学紫金学院，江苏 南京210046）

汽车工业传统上一直被人理解为机械工业、传统工业，实际上不断推陈出新的汽车产品一直是众多高新技术的密集结晶。上世纪90年代中期以来，数字化设计与虚拟开发技术的应用成为世界上各大汽车制造商开发技术的重要核心竞争力之一。基于计算机辅助设计（CAD）、计算机仿真分析、计算机辅助制造（CAM）及虚拟制造、虚拟样机实验等汽车设计开发技术体系和流程，让汽车产品从研发、工程设计、样机试制到整车的工业化制造的产品生命周期都通过数字化的模型实现，节约了大量人力、物力成本，极大地缩短了研发周期。随着计算机硬件、软件水平的迅速提高，汽车的设计、试验甚至虚拟制造都实现全面的数字化，汽车产品的数字化设计与制造过程积累的数据可以在很多车型开发过程中反复利用，成为整车开发知识工程的数据基础。数字化设计与制造技术的广泛应用迫切需要培养一批学习和掌握CAD/CAM技术原理、方法，并具有工程素养的技术人员，以适应我国汽车工业向自主研发与创新方向发展的需求[1]。本文以培养数字化制造人才为出发点，分析了当前课程中存在的问题，明确了课程目标与定位，从教学内容、课程群建设、师资配套、校企合作等多方面进行了教学改革探索。

1 汽车CAD/CAM课程现状

车辆工程专业面向汽车工业培养专业人才，但是作为机械工程专业的二级学科，其本科学生培养过程中仍然沿用工程制图的平面图设计体系作为基本技能。近年来为了适应行业发展的需求，部分院校做出了一些相应的改变，将CAD/CAM技术课程作为专业应用技能列入专业选修课程。汽车工业的快速发展对数字化建模软件技能型工程技术人员需求也不断变化，课程的内容也随之发生变化，从将CAD/CAM技术作为先进制造技术的概念讲解逐步转变到强调软件应用环节中。不少院校在该课程的教学内容、方式等方面做了有益的改革和探索工作。通过这些教学改革探索，借助于软件平台实现工程制图课程中二维平面图与三维空间实体之间的衔接[2，3]；在侧重于计算机辅助制造的教学改革中，一些高等职业院校借助软件实现了产品数字模型与数控编程的结合[4]；有些课程改革则强调先进制造技术理论，引入工程项目背景作为演示案例，为学生建立了良好的理论基础；还有一些强调应用的本科院校，注重校企合作，形成以企业为主体、市场为导向、校企合作的CAD/CAM技术课程实践创新体系[5]，进而实现学生专业技能与企业需求的对接。课程内容和授课形式的不断改革与丰富，让这门课成为一门综合性课程[6]。

汽车CAD/CAM的课程面向具体的汽车工业产品，其所涉及的产品研发、设计与制造的全过程是数字化设计与制造的典型应用，课程建设与教学过程中如何充分利用这一领域的特点值得教学工作者深入思考与探讨。第一，汽车CAD/CAM技术的课程教学目标需要明确，要把握“服务于提升教学质量和实现人才培养目标”这一战略方向[7]，才能明确课程建设的内容和教学的具体方法；第二，汽车工业是不断发展的行业，因此对工具的应用呈现多元化和集成化的趋势。如何通过该课程教学过程让学生理解和掌握CAD/CAM技术在工业生产过程中的作用及其蕴含的工程思想，值得深入思考；第三，CAD/CAM技术的综合性导致该课程教学实施过程中普遍出现课程的课时并不能满足理论和实践教学的需求；最后，工业技术与信息技术的融合使其内涵和运用的领域也不断丰富，如何能够做到让课程教学符合汽车工业技术发展的需求，这也对课程建设提出了更高的要求。

2 汽车CAD/CAM课程的目标与定位

2.1 课程目标和主要任务

汽车CAD/CAM课程的教学改革，首先需要明确该门课程的目标、主要任务和定位。CAD/CAM技术的特点在于借助计算机的图形运算实现了图形的可视化、程序化和动态化，其技术基础是计算机图形学和工程图形学，课程承接了工程制图的基础，实现了设计结果的数字化表达。课程的设置不仅应当“承前”更应“启后”。所谓“启后”就是教学目的要关注与后续课程的衔接，甚至影响学生对专业方向的选择。数字化制造是智能制造的核心，是产品生命周期管理中的重要环节。要实现数字化制造在工程学科之间有效的、协同的支持作用，数字化模型成为了数字化制造的重中之重。数字化的产品模型是计算机辅助工程分析（CAE）和计算机辅助制造（CAM）的基础，汽车工业的特点要求数字化模型的具有严格的规范性要求，借助完善的建模标准实现产品设计制造的物理系统信息化[8]。因此，课程的目标和主要任务是为学生传授运用软件准确表达设计信息的思路和方法，培养适用于汽车产品数字化设计的图形数据运用和管理的工程化设计的思想。

2.2 明确课程定位

课程的定位反映在专业知识体系中与其它课程的联系。注重数字化的CAD/CAM工具在汽车产品制造过程中发挥的作用，进而明确课程的定位及其在培养方案中起到的作用，也就确定了与基础课程和专业方向课程之间的关系。

经过对车辆工程毕业生多年的跟踪调查和对行业应用与发展的调研，得出近年来在汽车设计与制造业需要掌握CAD/CAM技术的本科毕业生所参与的工程应用领域，并据此建立工程应用与基础课程和专业课程之间的联系，如图1所示。从图中看出从工程制图开始引入CAD技术建立数字化的产品模型；借助集成的软件工具，结合专业基础课程建立数字化的模型与制造工艺之间联系；延伸公差与测量，通过三坐标测量与反求的实践课程建立逆向设计的基础；车身覆盖件的数字化设计与工程材料、模具设计等课程有着紧密的联系。为了满足汽车工业的需求，专业软件的集成度越来越高，甚至提供了产品数据库管理和基于知识工程的工具。显然，这样的专业软件为专业课程的应用实践提供了良好工具基础。

图1 汽车CAD/CAM工程应用与课程的联系

作为将基础课程与专业课程的理论用于应用实践的工具，仅靠一门课程的讲授并不能面面俱到。因此，CAD/CAM课程应该定位于作为应用能力培养过程中承上启下的综合性专业基础课程，引导学生掌握软件的基本操作，明确课程要掌握的知识点与专业课程实践应用的关系。

3 汽车CAD/CAM教学改革措施

3.1 改革教学内容

课程教学内容应该根据课程目标和定位，结合实践环节应用需求与专业知识体系进行合理设置与整合，将CAD/CAM技术设计到的软件使用的理论基础与专业应用相衔接，明确软件只是实现创造性思想的技术工具的定位。具体课程模块如图2所示。

图2 汽车CAD/CAM课程模块

汽车CAD/CAM面向汽车数字化设计与制造领域，首先应该让学生了解现代工业体系下汽车产品的设计制造的过程，结合汽车工业CATIA软件的功能模块与应用领域，让学生了解软件与行业应用技能的关系；其次，结合基础课程如机械设计，机械原理以及理论力学，材料力学的案例，将软件的基本操作与基础课程实例有机结合，给学生传授通过图形编程实现复杂产品数字化模型的建模方法和思想；第三，汽车工业已经将数字化模型作为管理和生产组织的数据基础，因此有必要结合行业应用背景介绍先进制造技术的哲理，为进一步探索CAD/CAM的工程应用建立全局概念和数据知识基础；最后，引入工程案例中软件的综合应用演示，培养学生学习专业课程和动手参与项目实践的兴趣。

3.2 围绕课程建立课程群

CAD/CAM技术在汽车工业中的集成运用突显出数字化样机在行业应用的发展趋势，同样与造就了业界对数字化设计技术人员的需求。

汽车数字化样机的关键是准确的数字化建模，使用的CAD/CAM工具必须能够表达广义的数字化样机的含义[9]，因此对数字化模型的数据要求更为严格规范，而课程学时数量的限制并不能详细讲解数字化模型的所有的专业应用，需要强化与专业课程实践内容的联系，注重专业领域的应用。首先，课程应该注重与汽车数字化设计课程的联系，增加建模标准的解读和准确规范的信息表达方式；其次，为了适应汽车工业对数字模型的建模方法要求，后续开设三坐标测量及反求的集中实践环节，强化对CATIA中曲面逆向设计相关的功能模块的综合应用能力；第三，在数字化建模的基础上，开设工程分析课程，结合软件工具的运动仿真、有限元分析等模块的应用，进一步加深学生对数字化模型的理解和运用层次；最后，鼓励学生运用专业软件完成专业课程的课程设计和课外创新实践活动等方式，强化课程的教学效果。

结合专业课程形成的课程体系拓展了课程的内涵，弥补了课程实施过程中学时不足的缺点，也符合围绕课程改革为核心实现教学改革方法。课程教学改革实施近十年来学生的软件应用能力和毕业生的行业认可度得到提高，围绕汽车CAD/CAM形成了课程群（如图3所示），并确立了面向汽车数字化设计的专业方向。

图3 围绕汽车CAD/CAM课程的汽车数字化设计课程群

3.3 课程实践环节教学改革

课程涉及的CAD/CAM工具需要通过大量的实践才能熟练掌握，只有通过实践才能真正理解行业应用的具体要求，提升培养学生综合应用知识能力。课程内的实践环节与理论授课的比例为1∶1.在安排教学实施计划时，将理论教学与实践环节交错开展教学，理论授课内容与实践讲解相互呼应，有利于学生对知识的理解，并进一步用理论指导实践。课程考核采用笔试与实践操作各占50%的评价方式，理论考试侧重考核学生对CAD/CAM技术系统的理解；实践考核注重工作过程的系统化，在课程授课之初便提出需要借助CAD/CAM工具解决的实际问题，整个授课过程围绕着解决问题的方式展开，学生可以选择组成团队完成相应的作业，实践的考核采取答辩的方式，通过综合应用的问题促使学生运用所学知识去解决问题。最终将理论考试成绩与实践考试成绩相结合，重视解决问题的思维能力，引导学生注重对自身分析问题，解决问题能力的培养。除此之外，学生也可以通过参加CAD/CAM相关的认证考核获取实践环节成绩。由于专业的认证考核具有一定难度，但通过考核取得相关的软件认证又可以为就业增加了能力证明，激励学生的学习兴趣和动力。

3.4 汽车CAD/CAM教学效果

汽车CAD/CAM教学效果取决于师资，由于课程讲授的理论和实践应用领域针对具体行业，这就要求教师具备一定的实践经验才能更系统的讲授相关课程的内容。课程教学改革过程中从两个方面来提高教师的综合能力：一方面，让教师走出去参与行业相关的培训，与兄弟院校交流，把教学过程、软件使用过程中发现的问题、技巧、方法提出来共同探讨，以便提高教学水平和软件应用能力；另一方面，需要建立校企合作关系，相关专业教师需要走出去参与企业的课题，通过合作缩短教学与实际工作的差距，及时吸取和掌握使用的新技术，不断学习、充实自己，以便根据需要调整教学计划，改进教学方法，调整教学计划；同时，通过与企业合作，可以聘请业内的工程技术人员参加授课将部分成熟案例融合到教学中，通过案例驱动的教学机制促使学生在应用中掌握相关知识，缩短与实践应用的差距。

3.5 高等工程教育的根本任务

高等工程教育的根本任务在于培养满足工程技术需要的人才，课程改革模式决定了人才培养的模式和质量，培养模式是实现培养目标和质量的基本保证。汽车CAD/CAM课程模式的建设更注重课程内容与行业的协同发展，关注行业发展的动态需求，需要持续关注行业应用的需求变化。为了达到上述目的，主要做了以下几个方面的工作：（1）课程组老师坚持每年走访毕业生，通过毕业校友职业生涯发展的反馈，进一步梳理出符合需求的课程内容；（2）积极建立校企合作的关系，从实习基地到共建实验室，再到为行业服务，这就为工程师参与课程教学提供了必要条件；（3）关注进一步深造的学生对CAD/CAM工具的使用需求，从而为开设相关课程内容做好准备；（4）与兄弟院校建立长期交流合作机制，实现课程建设过程中的互通。这样逐步形成校企校协同推进课程建设与改革的良性循环发展机制。

4 教学改革总结

目前高等院校已经从精英教育转化为普及教育，通过高等教育的教学过程学习到必要的技能和运用知识的能力，从而适应社会发展的需要应该成为当前大部分高等院校培养人才的目标。

汽车CAD/CAM课程是近期随着汽车工业发展和生产密集型向集约型转化过程中，应社会需求而逐步提高的车辆工程专业课程。它已经由一门认知性质的课程转变成一门具备一定实践要求，同时又综合应用了机械专业知识的课程。随着设计和制造水平的不断提高，对该门课程的要求将会更加具体和细致，所以该课程的教学改革和探索将随着专业领域知识的更新提出更多要求。这就要求坚持协同创新的思想，通过课程教学改革不断加以完善和改进。

参考文献：

[1]王良模，杨 敏.汽车CAD/CAM[M].北京：人民交通出版社，2015.

[2]黄政艳.机械制图与CAD课程教学改革的探索与实践[J].广西轻工业，2008（9）：158-159.

[3]方锡武，李 芳.以CAD软件实用为辅线的工程制图教学改革[J].大学教育，2016（8）：157-159.

[4]张德强.数控本科应用创新型人才培养模式的研究[J].辽宁工业大学学报，2011，13（5）：112-115.

[5]张 俊，张 文，程 昊.校企合作模式下的机械CAD/CAM技术课程改革与建设[J].装备制造技术，2013（4）：230-232.

[6]张乐莹，刘 艳，陆广华，等.应用型本科院校CAD/CAM技术课程的教学探索与改革[J].大学教育，2016（6）：126-127.

[7]张树永.以培养目标为导向推进课程建设[J].中国大学教育，2015（3）：55-58，61.

[8]Jay Lee，Behrad Bagheri，Hung-An Kao.A Cyber-Physical Systems architecture for Industry 4.0-based manufacturing systems[J].Manufacturing Letters.2015（3）：18-23.

[9]汪慧芬.数字化设计与制造技术[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2015.12.