培養(yǎng)創(chuàng)新人才 探索“數(shù)字化設(shè)計與制造”教學(xué)改革

徐 巍

(上海交通大學(xué) 工程訓(xùn)練中心， 上海 200240)

0 引 言

近年來，隨著計算機、信息處理、圖形圖像和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，以設(shè)計數(shù)字化、制造裝備數(shù)字化、生產(chǎn)過程數(shù)字化、管理數(shù)字化和企業(yè)數(shù)字化為主要內(nèi)容的數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)逐步滲透到各領(lǐng)域中，熟練應(yīng)用數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)是現(xiàn)代大學(xué)生必須具備的能力[1-3]。

在創(chuàng)新人才的培養(yǎng)過程中，理論學(xué)習(xí)是基礎(chǔ)，思維是關(guān)鍵，實踐是根本。實踐教學(xué)的目的是培養(yǎng)學(xué)生的實際操作能力、工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新思維能力[4]。加強實踐教學(xué)的改革與創(chuàng)新，需要把握實踐教學(xué)的特征，改革實踐教學(xué)的模式，構(gòu)建系統(tǒng)性的實踐教學(xué)體系[5]。我們進行的“數(shù)字化設(shè)計與制造”的教學(xué)改革探索就是要建立一個綜合性實踐教學(xué)課程體系，注重學(xué)生的實際操作能力和思維能力，以數(shù)字化設(shè)計技術(shù)為引導(dǎo)，以學(xué)生為中心，以任務(wù)形式串聯(lián)起與數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)、快速成形技術(shù)之間的聯(lián)系，強調(diào)知識的實用性和實踐性，對培養(yǎng)學(xué)生的實際操作能力和工程應(yīng)用能力具有重要的意義[6-7]。

2 以CAD/CAM技術(shù)為引導(dǎo)，構(gòu)建“數(shù)字化設(shè)計與制造”的教學(xué)體系

2.1 傳統(tǒng)教學(xué)體系的局限性

工程訓(xùn)練中心經(jīng)過多年的實踐教學(xué)建設(shè)，在機械制造基礎(chǔ)實踐課程中已經(jīng)開設(shè)了CAD/CAM技術(shù)、數(shù)控車床、數(shù)控銑床、激光加工、快速成形、測量技術(shù)等多個實踐教學(xué)項目。傳統(tǒng)的實踐教學(xué)方式多以驗證性為主，實習(xí)時以教師指導(dǎo)為中心，學(xué)生只是被動地操作、驗證，滿足于完成實習(xí)報告，各項目實習(xí)之間相對獨立，在知識的銜接上容易出現(xiàn)死角，這種現(xiàn)象在國內(nèi)高等院校實踐教學(xué)中普遍存在。

2.2 “數(shù)字化設(shè)計與制造”教學(xué)體系

針對傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題，我們提出了“數(shù)字化設(shè)計結(jié)合制造技術(shù)”的指導(dǎo)思想，并在理論與實踐教學(xué)體系、創(chuàng)新能力與工程應(yīng)用能力培養(yǎng)等方面開展了系統(tǒng)、全面地探索與研究[8]。以CAD/CAM技術(shù)為引導(dǎo)，分別將二維CAD技術(shù)與激光技術(shù)，三維CAD技術(shù)與快速成形技術(shù)，CAM技術(shù)與數(shù)控技術(shù)相串聯(lián)，突出項目之間的關(guān)聯(lián)性、系統(tǒng)性。在整個教學(xué)過程中，不是以老師為中心，而是要發(fā)揮學(xué)生的獨立思考和創(chuàng)造性，學(xué)生帶著任務(wù)和問題來進行實踐學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)更有目的性[9-10]。

2.2.1二維模型設(shè)計與激光加工技術(shù)

通過實踐教學(xué)將二維模型設(shè)計與激光加工技術(shù)結(jié)合起來，整個教學(xué)過程中學(xué)生首先應(yīng)該掌握二維模型設(shè)計的方法和技巧、激光加工的原理和特點以及激光設(shè)備的使用方法等理論知識，然后學(xué)生以組隊形式構(gòu)思作品，分組討論方案，通過CAD軟件對確定好的構(gòu)思進行二維數(shù)字化設(shè)計，再使用激光加工制作，最后組裝完成作品，通過實物模型來檢查構(gòu)思設(shè)計的合理性，將CAD技術(shù)與激光加工這兩個獨立的實習(xí)模塊串聯(lián)起來，實踐學(xué)習(xí)更有目的性和應(yīng)用性，增強學(xué)生的團隊協(xié)作和動手能力，圖1為激光加工作品。

圖1 激光加工作品(馬車)

2.2.2三維模型設(shè)計與快速成形技術(shù)

理論知識是基礎(chǔ)，創(chuàng)新思維是關(guān)鍵，實踐是保障。隨著快速成形技術(shù)的日益普及，把夢想轉(zhuǎn)變成現(xiàn)實也越來越方便了。在整個教學(xué)過程中學(xué)生首先應(yīng)該掌握三維數(shù)字化建模方法和技巧、快速成形技術(shù)原理和特點、分層參數(shù)的意義、設(shè)備操作等理論知識，然后學(xué)生以分組討論形式完成模型的構(gòu)思、數(shù)字化建模和成形制作，最后組裝完成作品，通過實物模型對結(jié)構(gòu)設(shè)計、造型設(shè)計和基本功能要求進行驗證。通過實踐學(xué)習(xí)，將單一的三維模型設(shè)計與實際的成形制作結(jié)合起來，學(xué)生能夠獨立完成模型產(chǎn)品的構(gòu)思—應(yīng)用開發(fā)—設(shè)計—制作—成品的完整過程，圖2所示為快速成形作品。

圖2 快速成形作品(小車)

2.2.3CAM技術(shù)與數(shù)控技術(shù)

很多院校都開設(shè)了數(shù)控技術(shù)、切削機床與刀具、CAM實習(xí)項目，但由于帶教老師都針對各自的實習(xí)內(nèi)容制訂教學(xué)計劃，造成各項目之間相互獨立。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生在使用CAM軟件進行編程時根本不考慮數(shù)控加工工藝，造成知識銜接上存在死角[11]。因此，我們將兩者串聯(lián)起來，整個教學(xué)過程中首先講解CAM軟件的操作方法和技巧、數(shù)控加工原理和特點，著重講解數(shù)控加工的工藝性，掌握理論知識后分組對圖紙進行工藝分析，通過電腦進行自動編程，模擬仿真，生成指令代碼，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給數(shù)控機床，加工出符合精度要求的零件，圖3為數(shù)控加工零件。通過2個零件之間的配合來互相檢測加工的正確性，整個教學(xué)過程弱化了數(shù)控指令的講解，更注重學(xué)生數(shù)控加工工藝的正確理解，以及實際操作中如何設(shè)置刀補對精度的控制，有利于學(xué)生今后能夠獨立完成數(shù)控加工任務(wù)，更突出實踐教學(xué)的應(yīng)用性。

3 教學(xué)改革效果

實踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和實踐能力的重要平臺，通過“數(shù)字化設(shè)計與制造”教學(xué)改革的探索，建立了系統(tǒng)化的實踐課程體系，將多學(xué)科項目串聯(lián)起來，顯示出該實踐教學(xué)體系的綜合性和高度交叉性。學(xué)生在項目實習(xí)過程中更有目的性，加強了學(xué)習(xí)的主動性，充分體現(xiàn)了學(xué)生在實習(xí)過程中的主體地位和教師的啟發(fā)式引導(dǎo)作用，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)和應(yīng)用知識的綜合能力，對學(xué)生今后的學(xué)科實踐活動打下扎實的基礎(chǔ)[12-13]。根據(jù)學(xué)生的專業(yè)以及自身學(xué)習(xí)能力，組織不同的實驗?zāi)K來培養(yǎng)學(xué)生，盡可能做到有的放矢，避免傳統(tǒng)的單一實驗?zāi)Ｊ綄虒W(xué)資源的浪費[14]。經(jīng)過1年左右學(xué)生的實踐教學(xué)積累，效果還是十分明顯的，大大提高了學(xué)生實踐學(xué)習(xí)的熱情和興趣，全面提升了學(xué)生的綜合素質(zhì)。

圖3 數(shù)控加工零件(配合件)

4 結(jié) 語

高等教育的工程實踐教學(xué)建設(shè)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要不斷深化教學(xué)改革，面向工程，理論實踐并蓄，加強實驗設(shè)施的建設(shè)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實踐意識[15-16]?！皵?shù)字化設(shè)計與制造”的實踐教學(xué)改革，符合工程訓(xùn)練中心的培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的教學(xué)改革思路，促進實踐教學(xué)改革的深入發(fā)展，意在加強培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、工程綜合素質(zhì)與工程實踐能力。

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