CAX技术与高职机械基础课程融合研究

2018-05-14孙克锐叶炬锋

新课程研究·中旬 2018年1期

孙克锐叶炬锋

摘要：随着数字化设计、制造技术的应用，高职教育迫切需要将CAX技术与机械基础课程融合，培养既懂机械理论又懂CAX应用的高素质、高技能、创新型人才。本文通过对CAX技术与机械基础课程关联性的分析，探讨了两者融合的策略，包括教材设计、教学设计、教学评价等，同时提出了融合面臨的问题及解决方案。

关键词：CAX技术；课程融合；高职教育；机械基础课程

作者简介：孙克锐，浙江同济科技职业学院讲师、工程师。研究方向：机械制造及其自动化技术教学与研究；叶炬锋，浙江同济科技职业学院讲师。研究方向：机制专业教学与研究。

中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1671-0568（2018）02-0036-02

随着“十三五”规划的实施和供给侧结构性改革推进，数字化设计、制造技术的应用越来越广泛深入。以CAD、CAE、CAPP、CAM等为代表的CAX技术，是数字化设计制造技术的基础和核心。新时期，高职院校要在有限的教学条件下培养学生的数字化应用能力、创新能力， CAX技术与机械基础课程融合是必须的，也是大势所趋。

一、CAX技术与机械基础课程关联性分析

机械基础课程也称专业基础课，包括机械制图、机械制造基础、机械设计基础等课程。目前，高职机械类专业一般都开设了计算机二维绘图、机械CAD/CAM等CAX课程，然而这些课程的教学偏重软件学习和操作，与其他专业课横向联系不够，不利于学生对CAX技术深入理解、掌握和创新能力培养。学生学习目标不明确，学习动力不足。同样，基础课教学也未充分关联CAX技术，学生已习得的CAX技术得不到应用和提升。待到工作需要用软件进行实实在在的设计时，常常一筹莫展，无从下手。即使经过一段时间痛苦适应、摸索，设计出的东西可能还是漏洞百出，要么设计方案不佳，要么可制造性太差。笔者分析，上述现象主要是因为学校教育偏重于学科知识体系教学，而非按照工程应用能力的培养来组织教学，未将CAX技术与专业课程充分融合。

二、 CAX技术与机械基础课程融合策略

1. 教材融合

CAX技术与机械基础课程的融合、推广离不开教材建设。机械制图、计算机二维绘图、三维机械设计三门课程都与绘图有关，可融合为数字化机械制图课程。3D模型能辅助学生对投影图的理解，发挥学生的空间想象力。3D装配图、爆炸图能帮助学生从装配角度考虑设计。3D图转工程图能提高学生识读、制作工程图能力，加强学生对设计规范、国家标准的掌握。故在新机械制图教材中，引入三维设计软件的基本操作、装配图、爆炸图画法、计算机工程图制作、标注、BOM制作等内容。通过课程整合，将三维图、二维图和制图理论有机结合，缩短了总课时量，提升了教学效率，培养了学生的创新思维能力和计算机绘图能力。

“机械制造基础”课程涉及金属工艺学、公差配合与技术测量、金属切削原理、机械制造工艺学和机床夹具设计等多学科内容，综合性、实践性强。高职学生理论基础、空间想象力、学习定力都较薄弱，该课程更需融合CAX技术进行教学。通过CAD软件建模技术展现模具结构如铸模、冲压模等。通过CAE软件动态模拟金属压力加工变形过程。通过CAPP软件模拟企业工艺部门工作过程，并对典型零件编制工艺文件，再通过CAM软件规划走刀路径、模拟金属切削过程和自动编程。对于公差配合与技术测量部分的教学，可以借助CAD软件构建测量模型，包括被测设备、测量治具、检具等，再通过软件动画功能示意测量过程。因此，在新教材中增加三维软件绘制的模具结构图、金属塑性成型应力应变分布云图、形位公差测量模型图、有限元基本理论、CAE软件基本操作和工程分析案例、CAPP软件操作和工艺文件编制方法、CAM软件操作和自动编程方法等。CAX技术与机械制造基础课程融合，展现了现代制造技术和工程实践情境，使枯燥、抽象的机械理论、知识、不得见的设备和结构、测量过程等形象地呈现出来，帮助初次接触专业学生快速融入专业学习中，明确学习目标，增加学习兴趣，启发创新思维。

“机械制造基础”课程涵盖工程力学、材料力学、机械原理、机械设计等内容，兼具理论性和实践性。该课程主要解决机构运动规律、机械结构设计、尺寸设计、选材等问题。一个完整、快速、合理的机械设计离不开众多CAX技术的应用。三维模型能更清晰地表达零件形状、装配关系、干涉和间隙分析、实现机构运动仿真，提早发现设计缺陷。将三维模型转换为标准格式导入CAE软件，施加边界条件等，模拟分析系统受力和变形情况，优化设计。最后对设计零件采用CAM软件模拟加工和自动编程。在新教材中可引入CAD软件机构运动仿真方法、装配干涉和间隙分析方法、结合设计的CAE工程分析案例、CAM制造案例。CAX技术与机械设计基础课程融合，能显著提高教学质量，巩固和提高学生的数字化设计、制造能力、创新能力，学生毕业后能更好、更快地适应设计等工作。

2. 教学融合

真正掌握CAX技术，不是依赖于几门独立开设的CAX课程，不是仅仅停留在软件操作上，CAX技术必须以工学结合的形式渗透到所有专业课的教学中，结合工程实践，让学生自己动手操作。

融入CAX技术的机械基础课程采用基于任务的项目化教学方式。理论教学和上机操作主要安排在安装有CAX软件的信息化机房，辅以CAI课件、多媒体、板书、教具、现场演示或基于网络视频直播企业现场操作，并结合CAX软件动态呈现机构运动规律、机器拆装过程、金属压力加工变形过程、几何量测量方法、工艺文件自动编制和零件模拟加工过程等。实操训练分为单项训练和综合训练，根据具体任务，可在计算机上或实训室完成。以机械设计基础课程为例，单项训练可以让学生设计一个单功能的机构，如弹簧自动复位球阀机构。学生用三维软件设计模型并进行运动学仿真，分析设计合理性等。综合训练指学生完成整个设计、加工过程，即用CAD软件设计，CAE软件分析受力情况，CAPP软件编制工艺，再通过CAM软件自动编程，并将生成的可执行代码文件输入到机床，完成零件加工、组装和验证。

新课程内容广博、实践性强，仅靠有限的教学学时很难达到好的教学效果，甚至教学任务也很难达成。采用以学生为中心的混合式学习法，将线上课堂学习与线下学习、集中答疑相结合。课件提前放在网上，学生随时学习，碰到不懂之处可以查阅资料、进行朋辈交流，也可以参加定期的线上和线下答疑。线上答疑可以借助网络平台，如微信平台等。为增强学生学习主体性、表达能力、团队意识和学习信心，采用异质分组教学，按组完成任务和提交作品，教师多创造机会训练学生的表达能力。

为贴近真实的工程环境，培养学生的系统工程意识，可组织学生去企业参观学习，了解企业信息化、网络化、数字化发展的应用情况，了解相关岗位职责，提高学习动力。加强产学研合作，选取企业项目作为教学案例或任务。

在教学师资上，采用以双师型教师为主、企业专家为辅的教学模式。以CAX技术大讲堂作为第二课堂，定期邀请企业专家或优秀校友分享CAX技术的发展和应用。构建新课程与专业社团、大学生科技竞赛、技能考证一体化平台，形成学CAX、用CAX氛围。任课教师担任平台指导教师，既可以将CAX技术应用于实践，又可以了解学生在CAX技术上的薄弱之处，提高教学水平和专业技能。通过平台的人才梯队建设，培养一批批懂CAX技术的专业人才，薪火相传，以点带面，促进CAX教学。

3. 教学评价研究

教学评价对教学起到导向作用。CAX技术重在应用，新课考核内容除对基本理论、知识的掌握外，还包括利用CAX技术完成实际项目的能力。考核形式包括笔试、上机操作、动手操作。教学评价将过程性评价和结果性评价相结合。过程性评价包括CAX技术应用能力、表达能力、人际团队能力、职业精神等。结果性评价包括工程技术知识掌握情况、分析推理能力、最终作品质量等。教学评价主体包括教师评价、自我评价、生生评价、企业专家评价、专业社团评价等。

三、CAX技术与机械基础课程融合面临的问题

CAX技术与机械基础课融合符合工程实践需要，然而两者融合的研究与实践还处于起步阶段，面临诸多的理论和现实问题。

两者融合不是简单的拼凑，而是自然的融合。首先，要明确CAX技术人才培养目标，教材编写要紧扣该目标，且要有教学和工程实践经验作支撑。教材内容要突出CAX技术的最新应用，教材组织和教学要符合高职学生接受特点。任课教师既要懂机械理论，又要有丰富的CAX实践经验，且针对不同层次的学生能制定不同的教学设计和教学评价体系。其次，线下学习质量如何保证、CAX技术社团如何有效运作、如何调动师生参与一体化平台建设的积极性及一体化平台内部如何互动、产学研合作形式等。此外，在硬件方面，需要购买网络版的CAX软件，需要足够的信息化机房，电脑硬件配置要高，教学学时要尽量多。要解决这些问题，需要系统规划包括制度保障、教材建设、实训室建设、一线教师的努力配合等。

与CAX技术、信息化技术、网络技术相结合的机械技术将助力中国制造向智能制造转变，加快推进供给侧结构性改革，为我国人工智能的发展奠定基础和保障。CAX技术与高职机械基础课程的融合，将有效提高教师自身的专业水平、教学水平和学生的创新能力、就业质量及职业可持续发展能力。两者的融合是系统工程，需要统筹规划师资、教材、教学、硬件配置、产学研合作等。