项目与论题相结合的“计算机辅助制造”课程教学方法与实践

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摘 要：针对机械工程大类高年级专业课“计算机辅助制造”课程，改革了教学方法，形成了一种适合于高年级教学的教师“主讲、主持、指导”与学生“主动、互动、独立”的教与学的关系。建立了面向项目与论题相结合的“计算机辅助制造”技术教学方法，并在多年的教学实践中应用，取得了良好的效果，为提高机械工程学科及制造工程专业的人才培养质量提供了一种可借鉴的手段。

关键词：计算机辅助制造；项目；论题；工程教育改革

一、课程的特点、存在问题及改革的必要性

目前在我国由高等教育大国向高等教育强国的转变过程中，当代工程教育改革和实践日益受到重视，卓越工程师教育也开始全面展开[1]。数字化制造技术是先进制造技术的重要发展方向，计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）技术作为数字化制造的核心技术，是现代制造业从业人员和机械工程学科人才必须掌握的基础技术之一。因此，“计算机辅助制造”课程是机械工程学科下机械制造及其自动化、工业与制造系统工程及其他相关专业的核心专业课，在本科生教育和培养中占有十分重要的地位。

该课程属于高年级专业课，一般安排在“制造工程基础”、“机械制造工艺学”和“机床及夹具”等先行课程的大三下学期或大四上学期。CAM课程的特点是起点高、内容多、发展快、应用广、综合性和实践性强，而在现行教学计划中，计算机辅助制造技术配套课程少、学时有限，难以适应上述特点的教学需要，更不适应现代工程教育改革的理念——“做中学”和“研中学”的需要[2]。存在的问题主要表现在：

（1）在知识点上，学生对关键和重要的CAM知识点掌握程度有限。由于课程学时有限、没有合适的教学手段使得无法自主、深入地完成课程的主要论题即关键知识点的学习。

（2）在知识面上，学生对CAM知识点之间的关联脉络缺乏全面了解和把握，综合能力有待提高。由于各知识点讲解时所用例子相互独立，数字化制造的“信息流”效果难以体现，导致知识点没有通过完整的案例贯穿起来。

（3）学生的知识实践与运用知识的能力不高，缺乏运用CAM知识解决制造工程问题的能力，这需要通过加强实验与现场教学来解决。

（4）学生独立学习、研究实践并总结展示的能力不高。爱因斯坦认为在学校中“发展独立思考和独立判断的一般能力，应当始终被放在首位，而不应当把获得专业知识放在首位。如果一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了独立思考和工作，他必定会找到他自己的道路，而且比起那种主要以获得细节知识为其培训内容的人来，他一定会更好地适应进步和变化。”[3]。由此可见，教学中对学生特别是对即将参加工作或接受深造的高年级大学生的独立能力培养尤为重要，这同时也是大学素质教育的重要体现。

为解决上述问题，改革计算机辅助制造技术现有教学模式是十分必要的。多年来，我们通过实践论题与项目相结合的计算机辅助制造课程的教学方法：即将面向项目的教学和基于论题的教学贯穿于整个课程始终，逐步形成了一种适合于高年级教学特点的教师“主讲、主持、指导”与学生“主动、互动、独立”的教与学关系，在提升教学效果和质量上取得了一些成效，增强了学生对计算机辅助制造技术的掌握程度与应用能力。

二、项目与论题相结合的教学方法内涵

项目与论题相结合的CAM课程教学方法的内涵及要点如图所示，主要包括课程教学内容、课堂教学方法、实践教学、课程考核等几个方面。

1.课程教学内容

通过论题布局加强关键和重要知识点的安排，通过两类零件项目将关键知识点集成起来，并融入精品教材内容及最新科研成果。

计算机辅助制造涉及的重要技术环节主要包括：几何建模（设计并表示零件是什么形状结构和有何技术要求）、工艺设计/数控编程（规划和表示零件按什么样的过程和程序制造出来的）、数控加工/检测（在实际设备上如何按数控程序进行零件加工和检测）、制造系统（整个计算机辅助制造软硬件系统是如何组成并协调运行的）。围绕上述四大环节，在课程教学中通过论题强化了它们的教学内容，并分别安排了相应的实验，将理论授课与实验及现场参观相结合。

在几何建模环节，明确产品的几何建模是CAM信息源头的地位，突出了实体建模特别是特征建模方法及数据结构的教学，紧紧围绕CAD的核心问题——物体的“内在表示（Representation）”和“外在表现（Presentation）”组织该部分课程内容，参考了多部国际精品教材的有关章节，例如CADCAM： Principles， Practice and Manufacturing Management（英国）和Principles of CAD/CAM/CAE Systems（韩国）。这些精品教材在CAD及几何模型建立和表示方面，内容全面，深入具体，易于学生理解和掌握。

在工艺设计和数控编程环节，强化了CAPP方法（包括派生、创成、混合）、手工编程、交互图形数控编程3个论题，并强调工艺知识库在此过程中的重要作用。在理论教学内容方面，参考了国际精品教材Computer-Aided Manufacturing（美国），因为该部教材的重点内容是包括CAPP与数控编程在内的辅助制造方面，是CAM课程在世界范围内的权威教材。在实践教学内容方面，安排了我们的最新科研成果和主流CAD/CAM系统的课堂演示，如半创成式汽车底盘零件CAPP、综合式基于PDM的三维CAPP以及Pro/Engineering的制造模块Pro/Mfg等，提高了学生学习兴趣和效果。

在数控加工和检测环节，在突出数控机床组成及数控加工原理、坐标测量机组成及数控测量原理两个论题的同时，增补了它们各自国际上最新技术发展的内容，即基于STEP-NC的CAPP/CAM和智能数控系统、便携式先进测量方法。授课内容参考了国际精品教材Computer-Aided Manufacturing（美国）和国外最新科研成果（如英国巴斯大学和德国斯图加特大学关于STEP-NC的CAM/CNC技术成果，美国法如、API等测量仪器公司的新研发的便携式测量系统等），使学生不仅掌握了经典的数控加工和检测的理论知识，而且了解了当今最新成果及未来发展趋势。

在制造系统环节上，突出了几种典型的制造自动化系统的教学，具体表现在以下4个知识点：单台数控机床（CNC）、柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）和集成制造系统（CIMS）。该环节四个知识点的理论教学内容参考了国际精品教材Automation， Production System and Computer Integrated Manufacturing（美国）的核心内容，实践教学结合了微型CIMS教学实验系统、我校创新实验基地的制造系统以及工业界实际投产的制造系统（录像和电影）的现场教学，让学生对各种制造系统有了更直观、更准确的系统认识。

2.课堂教学方法

围绕关键知识点，将项目教学与论题教学贯穿始终，形成教师“主讲、主持、指导”与学生“主动、互动、独立”的教与学关系。

教师在学生学习中起引导、启发和指导作用是非常重要的。在教学过程中，一方面，教师以“主讲人”角色系统地讲授课程内容，保证教学内容的完整性和逻辑性并符合教学大纲要求。以“导师”角色个性化地指导学生选择自己感兴趣的技术论题进行深入学习和研究实践（课余时间进行）。当学生在完成任务的过程中碰到困难时，还需要给予具体的帮助；以课堂“主持人”角色安排部分学生展示自己独立完成的课程论文或作品，并进行点评，其他同学可以提问交流（约占10%学时，2次课）。教师主要是创设课程论文交流学习情境，组织和引导教学过程，就像访谈类电视节目“主持人”，学生与学生之间充分互动起来。另一方面，学生的“主动、独立”学习方式主要体现在课程论文教学环节，该环节要让学生有更充裕的时间开展自主探究、实践和讨论等活动，而学生的“互动”学习方式体现在课堂上回答教师的提问、辅助教师演示教学内容。学生的“互动”学习方式还体现在课程进行中，教师按课程内容分阶段征求学生对教师的教学内容和方法的反馈意见和建议，以便及时加强学生提出需要的重点教学内容，弱化学生普遍反映已掌握或学过的内容。

项目教学是将一个相对独立的任务交予学生独立完成，从信息的收集、方案的设计与实施，到完成后的评价，都由学生具体负责，独立完成，教师主要起指导作用。通过项目教学的实施，使学生能够了解和把握完成项目的每一环节的基本要求与整个过程的重点和难点，并强化了教师的“指导”和学生“独立”的教与学的关系。

3.课程实验安排

通过课程实验和现场教学，使学生巩固和掌握关键知识点的理论与方法，增强工程实践及应用能力。

工程实践是工程教育的重要环节。实践能力严重不够是造成创新能力缺失、人才培养千人一面的根源。不管哪种培养模式，都必须强化实践环节训练[2，4]。在我们的CAM课程教学中，主要安排了以下实践环节的实验：

针对“几何建模”论题，设置了三维几何建模实验，训练学生掌握用CAD系统建立三维零件模型并产生工程图的方法。具体内容是针对一个典型零件，使用主流CAD/CAM系统（如UG 、Pro/E、或CATIA 或Solidworks），完成该零件的三维造型、三视图的生成和输出，使学生巩固和掌握CAD三维造型和工程图处理中的基本概念、原理与方法，同时使学生对一个零件的计算机辅助设计的主要过程有较完整的认识。

针对“工艺设计/数控编程”论题，安排了手工编程和试切实验，训练学生掌握平面轮廓零件数控编程的方法和步骤，了解机床数控系统的基本组成、功能及实际操作。通过实际平面轮廓零件的结构工艺分析、规划加工工艺过程、编制数控程序，通过输入并验证自己所编程序、划线试切等环节，使学生掌握工艺规划及手工编程步骤和方法，加深对标准数控指令（ISO代码）理解，并通过对机床的实际操作，了解现代数控机床的加工方式。

针对“数控加工及测量”论题，分别安排了现场教学与课程实验。现场教学中，利用教师的最新科研成果，在复杂产品先进制造创新实践基地进行叶片类复杂零件的五坐标数控加工及在机测量（通过红外激光测头）的现场教学，使学生加深了解曲面类零件的多坐标数控加工与测量的工作原理和过程。此外，还安排学生到实验室参观学习三坐标测量机原理、结构及演示；课程实验中，从2012年开始，开设了“数控加工在机测量”实验。该实验是在数控加工实验的基础上进行，主要目的是要求学生掌握数控加工完成后对加工零件（选择平面立体零件和曲面类零件）的精度检测以及质量分析的基本方法。该实验可以直接利用数控机床对加工完成后的零件通过接触式测头进行数据采集以及精度分析，延续了数控机床的使用功能，使数控加工、测量、数据采集、精度分析融为一体，既开阔了学生关于数控加工及测量技术的视野，也促进了实验平台及条件的建设。

针对“制造系统”论题，如前所述，安排美国科仪公司的组合式微型CIMS教学实验系统、校创新实验基地的柔性制造单元以及工业界实际的制造系统的现场教学，使学生对各种制造系统有更直观、更准确的全面认识。特别是通过参观与分析微型CIMS教学系统的运行，学生更好地理解了CIMS系统的组成和工作原理。

三、面向论题的课程教学方法

面向论题的CAM教学方法是指，学生选取计算机辅助制造过程中某环节的知识点（一个或多个相结合）为论题，主动、独立地进行较系统深入的学习和实践，并总结撰写一篇课程论文或报告，包括选题、实践、撰写、汇报等环节。论题的选择根据学生自己的兴趣和需求自主确定，但必须是计算机辅助制造相关知识点的范围。论题及论文形式丰富多彩，可以充分满足各种学生的需要。

鼓励学生选择自主科研实践类论题，以加强对CAM软硬件系统的认识和应用，提高动手能力。课程论文的实践工作可以借助科研课题组和实验基地条件或学生自身的条件进行，由学生独立完成，老师提供咨询、答疑、质量把关，使论文工作顺利进行。

经过多年的实践，建立了较完善的面向论题的课程论文教学、交流方法，取得了明显效果，受到学生的欢迎。大部分学生的论题选择紧密结合了自己的兴趣、未来研究和工作方向。具体表现在：有效调动了学生积极性，变被动应试为主动思考；增加了实践环节和个人综合素质的培养和锻炼机会；特别是为优秀学生提供了很好的锻炼机会，为今后毕业设计、研究生科研工作储备了必要的科研素养。

四、面向项目的课程教学方法

以美国麻省理工学院为首的一大批世界著名工科院校20世纪末提出“回归工程”的口号，研究实施了将工程项目生命全周期作为工科学生学习环境的工程教育新模式，以把工程职场的环境特征引入到学校作为工程教育的环境特征，这就是在世界产生巨大影响的CDIO（构思、设计、实施、运作）工程教育模式[3]。

广义上讲，项目教学是指师生通过共同实施一个“项目”工作而进行的教学活动，项目贯穿在整个课程的教学中。师生以完成项目为目的，应用课程所需知识完成项目，并达到项目所设定的目标。

面向项目的CAM教学方法是指，以统一的零件为对象，将几何建模、工艺设计和数控编程、数控加工和检测、制造系统四大环节的重要论题知识点有效串联起来，包含计算辅助制造的全过程。一方面，基于主流CAD/CAM软件（如Pro/Engineering、CATIA、UG）和辅助检测软件（如PowerInspect、PC-DIMS等）将上述环节知识通过课堂软件演示表现出来，再现零件设计制造信息流的产生过程。这个过程中，若课堂教室条件具备，每个学生可在自己的计算机上同步进行操作。另一方面，在实验室数控加工及检测设备上对上述产生的制造信息进行物理再现，即通过实际操作完成加工与检测。在本课程教学中，统一的零件对象选取了有代表性的包含孔、轮廓加工的平面立体零件，其形状复杂程度适中；在课堂教学（包括软件演示）有限课时内可以比较准确体现几何模型的建模方法和数据结构、工艺设计和数控编程、加工和检测轨迹仿真等多个知识点的内容。在这种教学方法中，教师的角色是主讲内容和演示，学生的角色是主动参与、反馈互动。

这种面向项目的教学方法取得效果有：建立了较为完善的论题知识点的串联方法，知识点独立却不孤立，学生对CAM的全过程知识有系统性的掌握；学生能够了解和基本熟悉用主流CAD/CAM完成计算机辅助制造的过程，调动了系统地学习某种CAD/CAM系统的兴趣和积极性；统一的零件对象易于学生加深对其结构特征、基准、加工和检测工序/工步、刀具和测头、切削参数、CNC加工程序、CMM检测程序等的分析和理解。这种教学方法对学生能力培养的效果明显，使学生在后续实践教学环节中更能胜任综合实验、毕业设计中实际零件的CAM任务，也能胜任科研和生产中的CAM课题和任务。

通过以典型零件项目为载体，以关键知识点论题为核心，基于“制造信息流”传递过程，突出和强化了CAM课程教学内容并贯穿全教学过程，建立了适合于高年级教学特点的教师“主讲、主持、指导”与学生“主动、互动、独立”的教与学关系，从而形成了一套项目与论题相结合的CAM课程教学法。该方法在多年的教学实践中得以应用，取得了预期成效，有效促进了教学质量的提高，有利于机械制造类专业学生的素质教育，并促进了计算机辅助制造课程的师资、教材和教学条件的建设。

参考文献：

[1] 国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020 年）[EB/OL]. ，2010-07-29.

[2] 查建中.工程教育改革的三大战略[M].北京： 北京理工大学出版社，2009.

[3] 姜大源.当代德国职业教育主流教学思想研究[M].北京：清华大学出版社，2007（4）.

[4]孙康宁，傅水根，梁延德，王仁卿.浅论工程实践教育中的问题、对策及通识教育属性[J].中国大学教学，2011（9）.

[5] 杜平安，高涛，黎业飞.《CAD /CAE /CAM 技术》教学与实践探索[J].实验科学与技术，2010，8（1）：103-105.

[6]唐娟. “计算机辅助制造”课程教学探索[J].职业与教育，2009（11）.