CAD/CAM技术课程案例库的建设与应用

褚忠 梁嘉强 普俊伟 石云霞 吴兴农

［摘 要］课程案例库的建设，有利于促进研究生教学改革、提高研究生的综合素养。文章基于综合性、交互性和前沿性的原则，建立了包括汽车及摩托车行业零部件设计分析与解决方案、校企合作典型项目、企业工程技术人员成长典型案例和法律案例等12项CAD/CAM技术课程案例库。实践表明，案例库的建设和应用激发了研究生的学习兴趣，改善了CAD/CAM课程课堂教学效果，培养了研究生分析问题和解决问题的能力，促使教师到企业一线生产中实践，进一步完善了校企合作模式。

［关键词］研究生培养;案例库建设;CAD/CAM技术

［中图分类号］ G643.2 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2022）11-0074-03

教学案例库由具有与课程大纲紧密联系、典型的知识点和丰富的思政元素的教学案例组成。教学案例来源于行业生产实际中，具有整合课程知识、启发学生思考和增进师生互动的作用。教学案例要具有综合性、交互性和前沿性，能反映CAD/CAM相关的综合技术和前沿进展情况，能促进研究生教学改革，是理论和实际相结合、个体和团队相结合、学校、企业和社会相结合的产物。

一、CAD/CAM技术课程简介

CAD/CAM技术课程服务于整个产品生命周期与开发全过程，内容包含三个主要部分：CAD、CAM和CAD/CAM系统的集成。课程重点讲述CAD几何建模的基本原理及方法、数据交换标准，CAM数控编程的原理及常用软件、CAD/CAM/CAE系统的信息交换与系统集成以及3D打印技术和逆向工程技术。CAD/CAM技术课程的内容设置本科和研究生阶段有所区别：本科课程偏重于实体建模、装配以及工程图的基本原理学习和软件操作，侧重于基本知识的积累；而在研究生课程中增加了CAD、CAPP、CAM信息的集成，以及CAD/CAM技术在不同行业的实践应用，强调寻求知识的突破与创新，强调寻求真理、发现规律，从而培养研究生学会科学研究的方法，掌握科学研究的能力。

二、案例库建设要求

随着研究生招生规模的扩大，研究生的教学方式朝规范化、创新化方向发展。在课堂教学中，借助案例库有助于研究生对理论知识的理解掌握，能帮助研究生将理论与工程实践相结合。因此，研究生CAD/CAM技术课程的案例库设计应符合以下要求。

（一）综合性

CAD/CAM技术课程涉及机械工程、计算机图形学、数控机床和软件等多学科的知识，与工程实践紧密结合，案例库中的案例应具有创新性、典型性和客观性。

（二）交互性

课程案例设计中增加的交互环节，能激发研究生思考和自主学习，给学生带来更好的课堂体验。交互方式可以是师生交互、学生之间的交互，通过“思”“辨”，碰撞新的思想火花。

（三）前瞻性

智能制造是多學科交叉产生的新技术。其中3D打印、逆向工程等技术与课程紧密相关，有助于学生开阔视野，了解国内外行业发展的新技术、新材料等，为课题研究和将来进一步深造打好基础。这些案例内容与CAD/CAM课程大纲内容相关，又是从实践中总结提取形成，不仅有助于激发研究生在校学习理论课程的兴趣，促进其创新思维的产生，而且有利于挖掘个人研究兴趣、尽早定位个人职业导向，提高研究生发现问题、解决问题的能力，让研究生努力成为对社会有用的人才。

三、案例库建设方案

CAD/CAM课程案例库依托校企联合“3D打印装备与制造”实验室开展，所有案例的素材取自工程实际和生产管理。案例内容以汽车、模具等行业中涉及的工程技术为主，兼有管理人才培养、技术开发引发的法律纠纷等案例，原创性案例达60％以上。

（一）案例库来源

案例库的建设是由教学、科研以及生产实践中的项目开发、人才成长、法律纠纷等案例的汇总提炼形成的。案例来源于不同行业，包括汽车、通用机械、模具、物流等，这些案例具有好的前沿性和集成性，能通过图片、动画、音频、视频甚至VR的形式进行展示。

1.校企合作项目。参加案例库建设的团队成员由在校教师与企业工程师组成，校企合作致力于精密模具及3D打印技术跨学科的开发和应用。团队成员将合作过程中产生的新技术、新材料和新方法进行筛选整理，按照规定的格式整理成案例库。

2.工程领域案例。模具是制造行业的核心技术，模具企业被定位为人才、技术和设备密集型企业，目前模具工业正在朝着投资密集型的产业方向前进。因此，工程实际中可以编制案例的素材极其广泛，如模具爆裂、模具表面疲劳受损、材料选择、模具数控加工、金属3D打印模具等。

3.前沿性案例。汽车、电子及模具是新材料、新技术集成应用较多的行业。专业学位研究生了解这些技术的最新动态能给自己的就业带来帮助，也有利于尽早确定自己的发展方向，早日为社会做出贡献。

（二）案例库内容构成

CAD/CAM技术案例库主要应用于机械制造、机电一体化、汽车与轨道交通等专业的硕士研究生专业课程教学，包括12个具体案例，其中工程案例5项、校企合作案例4项、人才成长案例2项、知识产权纠纷法律案例１项。表１为该案例库的案例清单。

1.汽车及摩托车行业零部件设计分析与解决方案（4例）。此类案例通常与汽车及摩托车零部件逆向设计、轻量化设计、在线监测技术、加工设备密切相关。通过对此类针对产品设计方法及车间管理案例的讲解，使研究生结合现代设计方法、数值模拟、在线监测等专业理论知识及分析手段，深刻理解企业生产技术及关键问题，促进研究生利用理论知识解决工程实际问题、提高工程素养和解决复杂工程问题的能力。

在CAD/CAM课程中，将逆向工程知识点融入案例“汽车零部件逆向设计与工艺库建立”。该案例的主要内容是上海某企业开展乘用车竞品逆向建模，选择市场认可度高的车型，进行零部件的反求测量，具体包括覆盖件建模、汽车车门焊接工艺数据库建立、后视镜建模、仪表盘等内饰件的建模等。该案例涵盖了外观设计、零部件结构设计、焊接工艺设计等知识点。其建立的数据库将成为汽车新车型设计的参考依据，向各汽车制造公司推广。在案例中，研究生要思考激光、白光等不同扫描仪的原理、使用场合、扫描精度以及逆向建模软件的选择、曲面拟合的方法和精度，同时要理解车门焊接工艺的重要性，及其对外观和质量的影响。

2.模具行业典型案例分析（3例）。CAD/CAM应用软件离不开数据库，此处案例讲解“NX软件标准件库建立与维护”。该案例取自西门子工业软件（上海）有限公司，在NX软件注塑模或级进模模块中，定制开发模具标准件库。标准件库的内容可以是国标、行标或企业标准。这些标准件在动车、汽车等行业广泛使用，可以极大提高工程师设计进度，降低重复劳动强度。通过这些案例，引导学生建立“标准化”的设计理念。在模具行业中，标准化有助于提高效率，同时，模具标准件公司（例如香港的龙记集团）制定模架、顶杆、水道等标准件，便于行业内模具公司采购和使用。另外，如果高科技企业建立行业标准化，将引领行业发展，比如我国的华为技术有限公司，在“5G”领域建立标准，并使之成为国际标准，真正成为“超一流”企业。

较大的模具公司的模具加工刀具将占据较大的成本。如何降低刀具购买、保管、领用等成本，涉及公司内部合理的管理措施。青岛海尔模具有限公司建立了“刀具超市”，大大降低了这方面的成本。其具体做法是：首先，与目前的刀具供应商沟通，确定3～5家规模大、质量好的公司，然后让这些公司进驻青岛海尔模具有限公司，并至少保证2～3天所需的刀具库存量；其次，车间机床、刀具管理团队，每日统计第二天所需刀具的种类、数量，在操作员上班之前，从刀具超市“购买”刀具，并将所用刀具放置在各自工位；最后，青岛海尔模具有限公司定期与刀具供应商结清刀具费用。实践证明，这种创新的“刀具超市”模式，降低了公司运行成本（提前购买刀具）、管理成本（刀具保管）和使用成本。该案例在于引导学生建立创新的管理方法，促进公司“开源节流”，提高企业经济效益。

3.校企合作典型项目分析（4例）。校企合作不仅是学校与企业之间的合作，也是学生与教师、企业工程师之间的合作。据统计，80％以上的硕士研究生毕业后会进入企业工作。一方面，通过这些案例的学习，可以使研究生在校时学会团队协作，毕业后可很快地融入企业的工作团队中。同时，研究生经过实践锻炼，各方面的能力得到提高，可反哺母校，继续与母校合作，形成传帮带的良性循环。校企合作的目的是多赢，学生（校友）在此过程中将获得更多锻炼与发展的机会，学校、企业及学生本人都将受益。此类案例涉及工程技术、政府政策、项目管理、交流沟通等多方面的问题，是培养研究生宏观管理和适应社会能力的有效措施。

上海应用技术大学与上海存知光电科技有限公司建立校企合作，成立了“3D打印装备与制造技术”联合实验室，开展3D打印新材料开发，在实验室制备夜光丝材、香味丝材，经过一系列的实验分析（力学性能、微观组织等），下一步将进入量产阶段。研究生在这个新材料开发过程中起到了至关重要的作用，他们通过跨学科知识的学习、校内外实验及结果分析、3D打印材料市场调研，经历了新产品的开发、生产过程，真正实现了自身综合能力的提升。

4.企业工程技术人员成长典型案例（2例）。杰出校友是学校的宝贵资源。可以邀请这些校友为师弟师妹做讲座，引导在校学生扎根企业生产一线，从而让他们形成脚踏实地的工作作风；杰出校友的工作成就和社会贡献也将激励研究生投身科技工作，担当社会建设的使命。

将杰出校友的成长历程汇总形成案例，讲述他们从技术岗位到管理岗位、从工程师到创业当老板、或是从政过程的酸甜苦辣，树立在校学生为企业、为行业、为社会做贡献的抱负，以科技工作者脚踏实地的工作作风和团结协作的工作态度，实现个人价值到社会价值的转变。在课程教学中，教师可以通过这种典型人才的成长案例，激发学生的奋斗意志，让学生树立对专业和工程技术的信心，努力将自己逐步培养成卓越工程师。

5.典型法律案例分析（１例）。本案例讲述了一个模具公司由于技术问题引发的法律纠纷案件。公司购买标准的注塑模热流道系统，后因试模过程反复修改流道结构，而最终延误交货日期，产生了合同逾期赔款。该案例不仅涉及企业管理与法律问题，同时涉及多方面的技术问题。该案件为研究生展示了模具行业上下游供应链的组成及相互协作过程。通过分析该案例可以教育研究生如何合理协调生产过程的技术问题与企业契约的关系，以及出现问题后的最优解决方案，以免“赢了官司、丢了客户”。

以上这些案例既与CAD/CAM技术课程的重点内容紧密关联，又是工程实际的延展，将为什么要学、学什么和怎么学统一起来。案例库中每个案例各有侧重点，可满足案例与教材内容间关联性的要求，使各知识点在实践中得到应用，在应用中得到升华。

四、案例呈现形式

将CAD/CAM技术案例库中的每个案例整理成三个个文件：案例描述、案例讲义和案例使用说明，案例以文本方式為主，穿插图片、数据、视频录像等，甚至嵌入AR/VR形式的内容。

教师在授课过程中可以通过学习通、雨课堂等教学平台直接使用这些案例，也可将案例内容重新整理形成具有自己风格的讲义或PPT课件，授课方式可通过线上/线下混合模式，授课教师讲授重点知识和逻辑步骤，学生进行阅读、问题分析和讨论。

五、教学实施方法

通过将不同的案例库素材与CAD/CAM技术课程内容结合应用，强化单一知识点的掌握，利用综合案例促进学生综合能力的提高。

（一）知识点案例与课程章节相结合

CAD部分的几何建模是后续环节（有限元分析、CAPP、数控加工等）的基础，在讲述这部分内容时，将逆向工程、轻量化设计和标准件库等单一知识点案例穿插其中，让学生树立产品优化设计、正逆向混合设计、拓扑优化轻量化设计等理念，将软件工具与现代设计方法相结合，提高自身的产品设计综合能力。

（二）以PBL+案例库模式开展综合型案例分析

PBL教学模式将提出问题、分析问题、解决问题整个教学过程置于具有实际背景的情境中，将综合案例库素材应用在CAM部分，通过3D打印工艺、新材料开发与应用，促进学生对智能制造系统的理解。

（三）强调学生在教学过程的主体作用

教学过程中应发挥研究生的主体作用，有效提升学生运用知识、独立分析问题和合作解决问题的能力，通过分析、交流讨论，提高CAD/CAM技术课程的教学质量，使案例化、项目化教学法发挥其应有的价值。

六、结论

案例库的建设和应用，改善了CAD/CAM课程的课堂教学效果，激发了研究生的学习兴趣，培养了研究生分析问题和解决问题的能力。同时，案例库的建设，也使校企合作模式得到进一步完善，促使教师到企业一线生产中实践，有利于校企合作项目的升华。

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［责任编辑：陈 明］