计算机辅助设计与制造多情境教学模式探索

于源 于洪杰 汪晓男 焦志伟

[摘 要] 为充分体现计算机辅助设计与制造课程的实践性和综合性特征，探索出一套包括教学情境创设原则、教学内容、教学方法、考核方式等的多情境教学法。通过合理创设教学情境，使学生沉浸式地对典型工程实例进行学习，并在实践环节中完成对关键知识的深耕和对核心技术的掌握。从多情境教学效果来看，该方法使学生在课程学习中熟悉企业关键生产流程，强化了实践能力，激发了学习动机，完善了认知体系，培养了创新意识。

[关键词] 计算机辅助设计与制造;多情境教学法;课程实践;教学改革

[中图分类号]G646   [文献标志码] A [文章编号] 1008-2549（2020） 05-0096-03

一 课程特点及教改必要性

制造业数字化、智能化是新一轮工业革命的核心特征，随着2025中国智造的提出，我国制造业涌现出应用计算机辅助设计与制造等技术优化生产系统性能并提升自动化程度的浪潮[1]。计算机辅助设计与制造（Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing，CAD/CAM）技术作为先进制造技术体系的重要组成部分，是现代制造企业实现信息化、自动化和智能化的关键技术，已经成为制造业人才不可或缺的一项专业技能。与之相呼应，《计算机辅助设计与制造》是一门培养制造业人才的专业基础课，在机械工程学科课程体系中占有重要地位。该课程教学内容主要包括计算机图形学、计算机辅助几何设计、计算机辅助工程、计算机辅助工艺规划、数控技术、虚拟现实与仿真技术、计算机集成制造以及先进制造技术等相关内容，涉及产品制造活动整个生命周期中的相关计算机辅助技术。掌握计算机辅助设计与制造基本理论和应用技術可为学生在日后的工作实践中不断自我学习、拓展创新夯实基础[2，3]。计算机辅助设计与制造这门课程学科交叉性很强，涉及的学科众多，综合性强，应用性广，知识密集，知识面宽，给教学工作带来了较大难度。现存的主要问题有以下三点。

第一，涉及知识点多，对这些知识点的讲解往往是分章节按模块进行，以较为抽象的方式呈现，并没有在通过完整案例贯穿起来，导致学生难以对离散知识点建立关联，缺乏对知识点的综合理解，难以形成框架性知识体系。

第二，以CAD/CAM基本理论为主线的一元化教学思想和单一的教学形式不利于学生对知识理解的内化和对知识应用的活化，“重理论，轻实践;重结果，轻过程”的教学方法不利于学生对知识的深耕，更不利于培养学生创新能力和创新意识的培养。

第三，考核方式以理论考试为主，与课程具有的实践性特点脱节，学生缺乏实践、总结和展示的机会，缺少发挥创造力的平台。对计算机辅助设计与制造技术的掌握程度的评判标准不应仅停留在低阶认知的阶段，只看重对某些细节知识的获取，而应将发展学生高阶能力放在首位，采用多样化考核方式，引导学生发挥其主观能动性，对相关知识活学活用，并给予学生充分的创设空间。

为解决上述问题，探索计算机辅助设计与制造课程新的教学法并深化课程改革很有必要。学习知识的最好方法就是在情境中进行。情景教学顾名思义是搭建工作环境、创设工作任务，将其引入到教学过程中，在完成工作任务的同时完成教学任务[4]。为了更好地将课本上的计算机辅助设计与制造技术基本理论与生产实践中的应用技术相结合，将工业生产中实际的应用环境和工作任务真实地展示于学生面前，将学生带入到实际场景当中，告诉学生要解决什么问题，如何去分析并解决这些问题。通过不同的工作情境及具体案例，使学生在具体到抽象和抽象到具体的思索过程中，逐步统一并综合直觉思维和逻辑思维，深入理解所涉及的知识点，增强对计算机辅助设计与制造技术的应用能力，并逐渐形成创新意识。多年来，笔者在该课程的教学实践活动中通过创设不同的计算机辅助设计与制造情境，使教学情境多样化，并对教学内容、教学方法和实验安排以及考核方式等都进行了相应的调整和改革，从传统课堂的“强调聆听、被动记忆”转变为“强化思考，主动探究”的开放课堂，不仅提升了课程教学质量，增强了学生对相关知识和技术的掌握程度，更重要的是激发了学生的学习兴趣并培养了学生的创新能力。

二 多情境教学法的内涵

（一）课程教学内容

通过对课程教学目标细化，以“突出重点”为原则，整合优化教学体系，围绕重要知识点和核心技术，创设不同的教学情境，通过应用实例将关键知识点集成起来，融入相应教材内容和国内外最新科研成果。计算机辅助设计与制造涉及的核心技术主要有：零件（产品）几何建模、模型结构分析、先进制造技术（主要包括数控加工和产品快速成型）、基于CAD/CAM的现代制造集成系统。

1 产品几何建模主要指利用计算机辅助设计方法对产品进行设计并表达出零件形状、结构及其技术要求，该环节为后续计算机辅助加工提供基本几何信息和拓扑信息，是数字化生产中产品信息的来源。

2 模型结构分析主要指利用计算机辅助分析方法对所构建产品结构力学性能进行静力学和动力学分析，可对固体、流体和电磁场特性等进行分析和优化，用以确保产品设计的合理性，减少设计成本。

3 工艺规划及数控加工即利用计算机辅助的方式拟定零件加工策略，为图形交互式辅助编程提供所需工艺参数，生成刀具运动轨迹，通过模拟仿真显示数控加工过程，最后生成数控加工程序。

4 产品快速成型（Rapid Prototyping，RP）是一种具有代表性的先进制造技术，对促进企业产品创新、缩短新产品开发周期、提高产品竞争力具有积极的推动作用。RP技术是CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术于一体的新技术，利用对产品数字化模型分层切片后得到的轮廓，通过激光束或其他方法将材料逐层堆积而形成原型或零件。

5 CAD/CAM系统集成是将制造系统中与CAD/CAM相关的子系统组织和管理起来，CAD/CAM是集成化制造系统的核心，也是实现集成化制造系统的技术保证，涉及的内容非常宽泛，包括集成系统的体系架构，计算机软硬件，信息交换和共享策略，甚至企业管理机制等。

可以看出，包括数控加工和快速成型在内的先进制造技术都是以产品几何建模为源头，而模型结构分析则是对设计的产品结构合理性进行检验的计算机辅助方法。建模在前，分析在后，两者均应先行于制造环节。因此，创设产品三维建模及其有限元分析教学情境，应充分利用计算机辅助设计和分析软件，使学生掌握产品三维建模方法，达到熟练运用一款计算机辅助设计商用软件的程度，并在教学情境中理解有限元分析产品结构性能的便利性和必要性。其中对于模型结构分析的了解和对计算机辅助工程软件的应用，作为教学内容外延部分。

工艺规划和数控加工部分的教学内容以图形交互式自动编程系统为主，通过创设应用情境下的具体案例，在软件应用实例的教学和学生实操的学习过程中，使学生熟练掌握图形交互式自动编程的基本步骤，并利用三维动态切削仿真验证刀位轨迹验证。产品快速成型根据不同的成型材料、工艺和特点对应有不同的成型技术，如熔融层积成型（Fused Deposition Modeling，FDM），选区激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）和立体光固化快速成型（Stereo Lithography Apparatus，SLA），相比于数控加工技术，它可以在无须准备工装卡具和刀具的情况下，对建立的产品三维模型数据进行分层切片，根据各层截面轮廓，层层堆叠，快速制造出新产品模型。快速成型技术与数控加工是20世纪机械制造技术突破性创新的两大标志成果，在创设的教学情境中，分别对两种方法进行讲解并比较其特点，使学生较为系统地对基于CAD/CAM的先进加工方法有所了解。

作为工业技术革命和制造手段革新的重要标志，在数控技术上演绎出的计算机数控、计算机辅助设计与制造、计算机集成制造系统、柔性制造等一系列的先进制造模式为智能制造奠定了基础。通过对工业界实际应用的集成制造系统情境（录像和电影）的展示和分析，使学生对集成制造系统有更直观、更准确的系统性认识。

（二）课程教学方法

围绕上述教学内容中的关键知识点即计算机辅助设计与制造涉及的核心技术，教师在所创设教学情境中，一方面对工程案例进行描述和讲解，并向学生分享项目经验和心得;一方面以提问式教学贯穿其中，逐步引导学生找到解决问题的切入点，利用合理的技术手段解决问题。同时，为强化学生对知识点的理解，训练学生举一反三的能力，并增强学生的参与感，调动学生思考问题的积极性，打破一元化的教学思想，丰富课堂教学形式，组织学生对案例进行分组研讨，提出解决问题的方案，在课堂进行组间以及师生交流，对比分析各自方案的优点和不足。课堂上互动式研讨不仅可以活跃课堂气氛，还能在交流中碰撞出思想的火花，激发学生创新意愿，给学生的创造力插上翅膀。

所谓因材施教，开展个性化教育，尤其对于教学内容的外延部分不做强制要求，比如利用有限元分析软件对零件（产品）进行结构分析、强度的校核以及流体流动分析和优化，再比如快速成型部分，要求学生仅作了解。对于学有余力且表现出较大兴趣的同学进行单独辅导，最大程度向学生开放学校工程训练中心或者教师课题组的硬件资源;同时引导学生参与大学生创新创业计划训练或者其他相关竞赛，并对其进行具体指导。

对于计算机辅助设计和制造这类具有明显实践性和交叉性特征的课程，课堂教学和课程实践是相辅相成的，对学生而言，知识只有在其产生和应用的情境中才能产生实际意义[5]。根据课堂上创设的教学情境，课程实践环节以项目驱动的方式展开。以数控加工环节为例，在现有桌面式数控铣床组成的实验平台，进行开放式实验设计[6]。具体内容是利用主流CAD/CAM 系统，如MasterCAM 、Pro/E 或UG，对某种产品进行凹（凸）模的三维建模，通过图形交互式的自动编程方法，对其进行刀位规划，生成用于数控加工的G代码，并进行刀位轨迹进行动态仿真验证，要求学生完成从产品设计、三维建模、刀位规划到产品加工的完整流程。产品不做限定，但是应根据桌面式数控铣床最大有效行程设计产品尺寸。课程实践环节与课程教学中教学情境模块保持一致，使学生在了解和熟悉相关技术在典型工程案例的应用之后，通过对相似案例的亲自实践，对关键知识点和CAD/CAM核心技术进一步消化和吸收，完成对知识的内化，同时也锻炼了学生实际解决问题的能力。

（三）课程考核方式

计算机辅助设计与制造课程多情境教学法，以项目驱动方式开展课堂教学和课程实践，是引导学生在对相关理论理解和应用的基础上，深入思考、分析、评价、创新的认知过程。对于这个认知过程的评价，不能单一考核学生对理论知识的理解和掌握，还应评价学生对计算机辅助设计与制造应用方法的掌握和创新，故将学生的实践成果作为课程学习成果的载体，加大实践过程和实践成果在课程考核中的比重，可以使学生课程学习成果更接近“学生的真实学习经验”[7]。实践环节的实验成果以及在这个过程中形成的项目报告，是体现学生实践过程和学习成果的重要载体，对学生实验成果的评价符合成果导向教育（Outcome Based Education，OBE）的理念，也提升了该门课程教学目标与人才培养目标的契合度。各教学情境下的实践环节分项评价指标可根据实验模块的具体情况制定，如数控加工实验模块具体评价指标有：选题难易程度、选题原创性、曲面模型或实体模型正确性、工艺规划的合理性、加工模拟的完成情况、数控加工过程的完整度、项目报告完成情况。为了最大程度調动学生积极性，采取自评、他评和教师评价加权综合评定的方式，得出各实验模块的成绩。增大实践环节各实验环节的成绩在该门课程总评成绩中的占比，充分体现计算机辅助设计与制造课程的实践性，鼓励和引导学生创新及以学生为主体的教学理念。

三 多情境教学场景的创设

教学情境选择具代表性工程应用。以实体建模为例，螺栓是较常用的螺纹连接方式，在工程上具有非常广泛的应用。轴向受力螺栓是一种常见的地脚螺栓受力形式，在冲击状态下容易产生损伤，使螺纹连接失效，影响设备正常运转，因此需要对螺栓受到的冲击应力进行计算和校核。在零件几何建模与结构分析教学情境中，可选择不同工程应用中的螺栓连接作为研究对象。比如，选择船用设备地脚螺栓作为研究对象，连接件的抗冲击能力直接关系到设备的抗冲击能力。对连接件抗冲击性能进行仿真评估，对连接件和舰船抗冲击能力的改善和提高具有重要意义。螺栓几何形状比较复杂，建模涉及拉伸、扫略、旋转以及布尔运算等实体建模基本操作，难度适中。在有限元分析软件中需要对所建立的几何模型进行网格划分，通过设定不同的冲击输入作为输入条件，经数值仿真得到冲击响应仿真结果，并对其进行分析。

教学情境是需要任课教师根据教学内容和教学进度进行创设的。在考虑从几何建模到基于有限元的结构分析到数控加工环节的贯穿时，可选择不同行业所用到的凹（凸）模具作为研究对象，首先对其进行实体建模或者表面建模;对模具进行结构分析，如对模型圆角所受应力进行计算仿真或者对模具强度进行仿真校核;在结构合理的基础上，对模具数控加工进行刀位规划和加工的仿真验证，实现从产品计算机辅助设计到计算机辅助制造的完整流程。同样，创设的快速成型情境，应符合其在产品创新设计中缩短新产品开发周期、降低开发成本等优势，主要引导学生在确定产品需求的前提下，利用快速成型技完成核心零部件的设计、制造和产品组装。创设情境使传统教学得到了扩展和深化，对学生形成强烈的信息刺激，激发学生体验和学习的动机，使得学生的认知过程更丰富且合理。

四 结论

将课本中计算机辅助设计与制造技术基本理论与生产实践中的应用技术相结合，通过创设教学情境，将工业生产中实际的应用环境和工作任务真实地展示于学生面前，使学生在沉浸式的学习过程中掌握计算机辅助设计与制造重点知识，熟悉关键技术;形成多情境教学法，使课程教学与实际生产紧密关联，使学生不仅能在课程学习中熟悉企业关键生产流程，而且强化学生实践能力、激发学生创新精神。该方法在教学实践中取得了良好效果，有效促进了教学质量的提高，提升了该门课程教学目标与人才培养目标的契合度。

参考文献：

[1]吴爱华，侯永峰，等.加快发展和建设新工科主动适应和引领新经济[J].高等工程教育研究，2017（1）：1-9.

[2]中国机械工程学会，2049制造技术与未来工厂[M].北京： 中國科学技术出版社，2016.

[3]乔立红，郑联语.计算机辅助设计与制造[M].北京： 机械工程出版社，2014.

[4]赵卿敏.创新能力的形成与培养[M]. 武汉： 华中科技大学出版社，2002.

[5]魏金萍.情境理论在高校大学课堂教学中的价值和应用[J].中国成人教育，2013（15）：148-150.

[6]于源，雷文.桌面式PPCNC在《CAD/CAM》教学实践中的应用[J].北京化工大学学报（社会科学版），2013（82）：76-79.

[7]李志义，朱泓，刘志军，夏远景.用成果导向教育理念引导高能工程教育教学改革[J].高等工程教育研究，2014（2）29-34.

（责任编辑：姜海晶）