基于现代工程训练的模具CAD/CAM/CAE一体化教学模式研究

于盛睿 韩 文 余冬玲

（景德镇陶瓷大学机电工程学院，景德镇 333403）

引言

创新教育和工程实践教育的观念已经成为全社会的共识。全面推进素质教育，提高大学生的综合素质，培养具有创新素质与工程实践能力的技术人才，是建设创新型国家战略对高校提出的要求，也是高等院校探索人才培养的重大课题[1]。

当前，以现代工程训练为依托、为架构基础，进行教育教学的创新实践与研究在许多高等院校相继展开，适应专业学科教育与研究的创新实验区陆续得到构建[2]。现代工程训练融合了先进制造理念、先进制造技术、先进制造方法的一体化思想[3-5]，如何结合现代工程训练架构，对诸如材料成型与控制工程等工程实践背景很强的应用型本科专业展开有针对性的教育教学实践创新，具有重要的理论意义与研究价值[6]。

对学生创新与实践能力的培养，提高学生的专业综合素质，使其成为具有创新意识和开拓精神的工程技术人才是当前社会发展对材料成型方向的迫切需求[7-8]。针对这种现状，提出对传统的专业培养模式进行探索和变革，以现代工程训练构架下学生创新与实践能力培养为主线展开相应的教育、教学改革显得尤为必要。

一、传统教学模式分析

在国内院校的专业培养中，学生对材料成型专业的学习重在理论课程知识，对创新与实践能力的培养还比较欠缺，尤其体现在模具CAD/CAE/CAM一体化的专业工程分析与实践存在很大提高空间。传统教学模式只解决了构建学生基本知识体系的任务，不能适应当前社会对学生解决实际工程问题的要求。目前高校培养的人才与企业要求存在相当大的差距，主要原因如下[9-10]：在教师方面，由于客观原因，80%教师是从“校门”到“校门”，没有参与过工程实践，与产业脱节，课堂教学理论化倾向较突出，授课内容方式、方法不能完全满足社会发展；在学生方面，许多学生学习的目的不明确，他们并不确切知道毕业之后要干什么，需要什么知识，与社会需求完全脱节，特别是材料成型与控制工程这类实践性特别强的应用型专业，缺乏学习的紧迫感与创新实践能力的锻炼；在教学体系方面，存在理论教学与实践教学环节脱节、教与学双方脱节、教学内容跟不上当前先进制造技术发展的问题。探索适应本专业本科教育的新模式，是摆在我们面前的一个重大与迫切的课题。

本文融合工程实际案例，以形成先进制造技术与理念的创新与实践教育方法为目标，改变传统教学模式注重构建学生基本知识体系，无法完全满足当前社会对学生解决工程实际问题的现状，对传统专业培养模式进行探索与变革，找到一条适合本专业发展的学生素质教育和创新教育培养的新途径，供同行借鉴与参考。

二、模具CAD/CAM/CAE集成的一体化教学模式架构

景德镇陶瓷大学是全国唯一一所以陶瓷命名的多科性本科高校，是教育部卓越工程师教育培养计划高校、教育部深化创新创业教育改革示范高校和江西省首批转型发展试点高校，学校坚守“脑手并用、科艺结合”的人才培养理念，将“三创”教育融入人才培养全过程，构建了第一、第二、第三课堂衔接互动的创新创业教育体系，形成了创意、创新、创业“三创合一”的独特育人氛围。该校材料成型与控制工程专业涵盖模具设计与制造、焊接成型及控制、铸造成型及控制三个方向，其课程体系着力培养学生掌握材料科学与工程的基础理论、材料成型及控制的专门知识和基本技能，在工艺设计与优化、加工过程中的计算机仿真、先进制备技术和新材料开发等领域具备宽厚的知识基础、突出的能力潜质、优秀的综合素质和良好的实践能力，是江西省普通本科高等学校卓越工程师培养计划试点专业、江西省转型发展试点专业。根据学校创新与实践能力培养特征，结合学科特点及实践教学自身的规律，按照分层次、模块化、综合式、开放型的教学改革思路，以创新与实践教育为先导，以创新素质教育实践为研究目标，以先进制造技术为理念，将案例融入课堂教学与实践教学，推进材料成型与控制工程专业学生的专业综合素质的提高，从而为行业、为地方培养卓越的专业优秀人才。

以该专业的模具设计与制造方向为例，该方向培养体系方案设计为：模具CAD/CAM/CAE集成的一体化案例教学、现代工程训练架构下的模具兴趣小组培养实践、专业实验室的配套建设，如图1所示。

1.模具CAD/CAM/CAE集成的一体化案例教学

为了打造模具CAD/CAM/CAE集成的一体化案例教学模式，设计了现代模具设计方法、材料成形计算机模拟、数控技术等三门课程的课题案例式教学内容：其中现代模具设计方法属于CAD技术方面，包括塑料注射成型智能技术装备、基于CAD/CAE集成模型的塑料注塑模优化设计系统、注射成型智能试模软件的开发等三个专题，如图2（a）所示；材料成形计算机模拟属于CAE技术方面，包括管件接头的充填分析、电话外壳的流动分析、MP3外壳的冷却分析、手机外壳的翘曲分析等四个案例，如图2（b）所示；数控技术属于CAM技术方面，包括轴类零件的G代码编程、华中数控8型控制系统等两个案例，如图2（c）所示。该部分全部来自工程实际，与教师的科研项目紧密相关，变抽象为具象，极大的激发了课堂教学的生动性与形象性。

图1 创新与实践能力培养体系设计

图2 模具CAD/CAM/CAE集成的一体化案例

2.现代工程训练架构下的模具兴趣小组培养实践

以课后模具兴趣小组的形式进行课外创新与实践能力培养。该部分主要包括参数式三维模具设计、产品与模具的模拟分析、工艺过程与模具结构分析与调试。其中，参数式三维模具设计属于CAD技术方面，包括UG产品结构与模具设计、Pro/E产品结构与模具设计两个模块，学生可以根据自身兴趣选择一个基于参数式三维设计软件进行针对性的学习，如图3（a）所示；产品与模具的模拟分析属于CAE技术方面，包括流动分析、保压分析、冷却分析与翘曲分析四个案例，基本涵盖了模拟分析的主要类型，如图3（b）所示；工艺过程与模具结构分析与调试属于CAM技术方面，包括工艺过程调试、模具拆装与结构分析等，涉及产品的试制阶段的基本方面。

图3 模具兴趣小组实践活动

在课后兴趣小组教学实践活动中，形成一套完善的教学培养方案与计划，根据学生的自身能力水平，分为基础阶段培养小组、提高阶段培养小组以及高级阶段培养小组。在每个阶段，分别制定了具体的学习与培养内容，并制定了一套行之有效的活动实施方案，鼓励学生勇于实践，大胆创新，独立思考，培养观察、思考和解决问题的能力。结合学院的实际情况，制定详细的模具兴趣小组初级、中级、高级或赛前培训班教学计划，对培训班的理论教学、实践教学、培训教材、培训课时量等做了明确的规定。有意识引导、组织并指导学生参加省级三维数字建模及模具设计制作大赛。逐步形成本专业学生的工程实践能力培养模式，使得他们具备了利用专业知识提出问题、分析问题、解决问题的能力，增强了开拓与创新能力，满足社会与行业对高素质人才的需求。

3.专业实验室的配套建设

学生的创新与实践能力的培养，离不开完备的专业实验室硬件建设，根据创新与实践能力培养体系设计的任务需求，制定了实验设备购置计划，以景德镇陶瓷大学工程训练中心为依托平台，有步骤、有计划的、适时添置了实验设备与仪器，主要为模具CAD/CAM/CAE集成的一体化案例教学、现代工程训练架构下的模具兴趣小组培养实践两个模块的实施与开展提供必要的软硬件支撑。针对一体化案例教学实践模块，主要添置了专业的CAD设计、CAM加工制造与CAE分析软件（如Pro/E模具设计、Moldflow模具流动分析等）；在现代工程训练架构下的模具兴趣小组培养实践模块，根据行业、社会对本专业的发展要求，加大了代表先进成型加工制造方向设备的引进力度（如全电动塑料注射成型机、数控电火花成形机、加工中心、多轴数控铣床、数控车床、挤出成型机等），并兼顾学生实训、自己动手实践的实际需要，适时添置了能够供他们快速学习掌握、安全使用并实时进行加工制造、拆装实验的小型仪器设备（如透明成套可拆装模具、3D打印机、激光切割机、小型桌面车床、小型桌面铣床、小型桌面钻床、钳工组合台等）。

在一体化教学模块中的专业课程中，有意识地引导学生突破专业实验课的陈规，改变由教师规定好实验方案、学生按部就班的被动式复现实验过程的套路，而是采取设定实验、实训目标，由学生自主选择实验设计方案，教师适时跟进、局部修正的方式，极大的提高了学生的模具设计与分析的能动性，激发了学生的学习兴趣与主动性。如，在注射模具的设计过程中，对其浇注系统设计的时候，教师只给学生浇注系统的设计原则和提示性指导，但是浇口的具体类型、数量、设置位置、布排方式、形状等完全由学生自主决定，学生通过查阅专业资料及CAE工程计算，能够得到优化的模具设计解决方案。

在现代工程训练架构下的模具兴趣小组培养实践模块，鼓励学生早下实验室，尽快掌握和使用添置的实验设备与仪器。为了达到上述目标，对参加模具兴趣小组的学生采取“以老带新”的方式，模具兴趣小组内部定期、不定期的组织设备仪器讲座，邀请企业的技术人员给大家进行技术培训。通过实验设备及仪器的配套建设，学生的专业实践能力得到有力提升；利用先进设计、加工手段，对成型工艺流程，模具零部件的设计、加工、拆装、调试等内容熟悉与掌握，对培养体系的构建提供了有力的技术保障。

三、成效分析

通过现代工程训练架构下模具CAD/CAM/CAE集成的一体化教学模式的研究与实践，逐步探索出一条学生创新与实践能力培养的教育教学之路，积累了一定的实践教学经验，为以后的专业素质培养奠定了一个良好的基础。融合案例教学的学生创新与实践能力培养全方位更新了传统教学理念，在教学实践过程中，取得了系列教学成果。

1.学生的整体专业素养得到较大提升，促进了大学生创新实践能力和工程技术水平的提高

表现为学生毕业设计成绩得到较大提高，指导的毕业设计（论文）多次获得校级优秀毕业设计（论文）。如学生毕业论文《电磁炉上盖注塑模具设计》发表在国内中文核心期刊《塑料科技》上；学生参加历届省级大学生“三维数字建模及模具设计制作”大赛、“全国大学生机械创新设计”大赛，获得40余项荣誉，其中一等奖9项，多名指导教师获得“优秀指导教师”称号。通过研究成果的实施，本专业学生的创新与实践能力得到明显提升，整体综合素质得到长足进步，在就业方面显示出较强的竞争力和适应能力，学生踏实肯干，勤奋认真，得到用人单位的青睐。

2.专业教学团队专业素质得到大幅提升，取得了系列创新与实践教学经验与成果

成功申报了2项省级教改课题；获得校级成果二等奖1项；制作了融合工程实际案例的教学课件；编写及修订了详实的专业课程实验指导书；在中文核心期刊发表8篇研究论文；以“情境式案例教学”为主要内容的专业教材《塑料成型工艺与模具设计》由国防工业出版社出版。

3.进一步理清了今后的专业发展方向与学生培养模式思路，形成了创新与实践能力培养的长效机制

成功申报并获批江西省普通本科高校专业综合改革试点项目、江西省普通本科高等学校卓越工程师培养计划试点专业，在江西省一本招生。以此为契机，全面修订了人才培养方案，建立了一批学生创新与实践能力培养的校企合作基地。形成了一整套学生参加模具兴趣小组课外活动的规章制度与长效机制保障措施。

4.为学生提供激发潜能的开放式实践平台，形成了拓宽知识能力、提高学以致用能力的培养模式

与行业、企业需求接轨，学生使用CAD/CAE软件的能力得到有力提升，能熟练使用UG、Pro/E等参数化造型软件进行专业产品的结构与模具设计，能利用专业的CAE分析软件Moldflow对注塑成型过程进行模拟分析，指导模具设计，形成了模具CAD/CAM/CAE集成的一体化专业培养模式。

四、结语

基于先进制造技术理念的材料成型与控制工程专业学生的创新与实践能力培养教学模式是全方位更新传统实践教学理念，按照梯进式能力培养模式教学，重点对学生加强创新与实践应用能力的综合培训。为学生提供开放式实践平台，充分挖掘学生的潜能，采取多种形式激发学生自学实践能力，由单纯传统的验证性实验扩展到专业技术的应用实践，促进了大学生创新实践能力和工程技术水平的提高。通过对学生创新与实践能力培养的体系建设与研究，提出进一步的工作设想与展望。

一是进一步扩大模具兴趣小组创新开放实验平台，根据当前新的形势和条件发展，拟将模具兴趣小组调整为机械创新设计小组，面向全校吸引更多对机械创新设计感兴趣的同学加入，而不仅仅限定于本专业的学生。

二是扩大创新与实践教学开放实验室基地，为教师培训提供理论、实践相结合的实践场所，以全面改善教师实践教学工作条件，提高学校实践教学水平，使更多的学生受益。

三是以专项经费形式提供对创新与实践能力培养教学实践活动的支持，将有利于保证创新与实践能力培养的教学质量及持久性。同时，在本专业试点的基础上，应进一步在其他应用型专业进行推广。