以工程教育認(rèn)證為導(dǎo)向的材料成形CAD/CAE/CAM課程教學(xué)改革探索

汪炳叔+王晨+李強

摘要：以工程教育認(rèn)證為導(dǎo)向，文章分析了材料成形CAD/CAE/CAM課程的現(xiàn)狀及存在問題，結(jié)合課程自身特點，主要從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和考核方式三方面對課程進行初步改革探索，文章指出課程的教學(xué)改革要以學(xué)生為中心，充分考慮學(xué)生多樣化所帶來的個體差異性，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新實踐能力。

關(guān)鍵詞：材料成形CAD/CAE/CAM；工程教育認(rèn)證；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)方式

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-2909（2016）02-0040-04

計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助工程（CAE）和計算機輔助制造（CAM）是先進材料加工技術(shù)的重要組成部分。材料成形CAD/CAE/CAM是材料科學(xué)與工程學(xué)科的一門專業(yè)課，涉及計算機、機械、材料及數(shù)學(xué)、力學(xué)等多學(xué)科知識，是課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等后續(xù)課程的重要基礎(chǔ)，也是一門與工程實踐密切相關(guān)的課程。該課程具有較強的綜合性，不僅要有扎實的專業(yè)理論基礎(chǔ)，還要求有一定的計算機軟件運用能力，學(xué)習(xí)難度較大，此外，新時期工程教育認(rèn)證的實施，對培養(yǎng)計劃、課程體系構(gòu)建及課程建設(shè)提出了新的要求，材料成形CAD/CAE/CAM課程的教學(xué)也要與時俱進，因此，有必要對該課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和考核機制等環(huán)節(jié)進行改革探索，使之在工程教育認(rèn)證的導(dǎo)向下，適應(yīng)福州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（以下簡稱“我院”）的培養(yǎng)計劃和學(xué)科建設(shè)要求。

一、材料成形CAD/CAE/CAM課程改革的背景

（一）中國工程教育認(rèn)證

2013年6月我國成為國際工程教育互認(rèn)協(xié)議——《華盛頓協(xié)議》的預(yù)備會員，這是促進我國由工程教育大國向工程教育強國轉(zhuǎn)變的重要轉(zhuǎn)折點。該認(rèn)證旨在培養(yǎng)大量高素質(zhì)創(chuàng)新型工程技術(shù)人才，為國家在全球一體化發(fā)展趨勢下推進工業(yè)化進程，建設(shè)創(chuàng)新型國家服務(wù)[1-3]。工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心理念是以學(xué)生為中心，要求專業(yè)課程體系設(shè)置、師資隊伍配備、辦學(xué)條件配置等都圍繞學(xué)生能力培養(yǎng)這一核心任務(wù)展開[4]。福州大學(xué)是教育部首批“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的試點高校之一，也是國內(nèi)較早開始進行本科工程教育認(rèn)證的高校之一，在工程教育方面取得了一定的成果，具有較好的基礎(chǔ)條件。2014年以來，我院也積極開展工程教育認(rèn)證的申請工作，對培養(yǎng)計劃和學(xué)科建設(shè)進行了相應(yīng)的調(diào)整和改進，因此，對材料成形CAD/CAE/CAM課程建設(shè)也提出了新的要求。

（二）材料成形CAD/CAE/CAM課程現(xiàn)狀及改革需求

材料成形CAD/CAE/CAM課程是我院金屬方向的專業(yè)必修課之一，具有多學(xué)科交叉、實踐性和實用性強等特點，課程內(nèi)容主要介紹材料成形CAD/CAE/CAM技術(shù)的基本概念、原理和方法，掌握CAD三維造型技術(shù)和信息交換技術(shù)，CAE數(shù)學(xué)建模技術(shù)和有限元模擬仿真技術(shù)，以及CAM數(shù)控加工技術(shù)和數(shù)控編程技術(shù)等在材料成形過程中的具體運用。傳統(tǒng)的教學(xué)方式重理論輕實踐，課程內(nèi)容側(cè)重于介紹CAD/CAE/CAM的原理和方法，尤其是計算機的數(shù)據(jù)處理和數(shù)學(xué)建模及優(yōu)化理論等，而對使用具體的專業(yè)軟件進行計算機輔助設(shè)計和有限元模擬仿真分析的實踐偏少。對學(xué)生工程實踐能力和創(chuàng)新設(shè)計能力方面的培養(yǎng)效果不理想，解決實際工程問題的能力不夠。

目前我院在工程教育認(rèn)證導(dǎo)向下材料成形CAD/CAE/CAM課程的建設(shè)目標(biāo)為：培養(yǎng)學(xué)生運用CAD/CAE/CAM技術(shù)解決實際工程問題的能力，使學(xué)生能綜合運用所學(xué)的基本理論分析問題、解決問題，將理論分析與工程實踐緊密聯(lián)系。對學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)具體而言有以下三點：

（1）掌握數(shù)據(jù)分析軟件的使用，掌握材料模擬方法的原理和模擬軟件的使用，能對研究數(shù)據(jù)進行分析并得到合理有效的結(jié)論。

（2）能利用本專業(yè)所需的現(xiàn)代工具對材料復(fù)雜工程問題進行綜合分析、預(yù)測與模擬、制定解決方案并開展實施。

（3）掌握基本的創(chuàng)新方法，具有較強的知識遷移能力，能將材料專業(yè)知識應(yīng)用于工程實踐進行創(chuàng)新研究。

在工程教育認(rèn)證導(dǎo)向下，對課程內(nèi)容的建設(shè)不僅要圍繞課程本身的性質(zhì)要求，也要結(jié)合學(xué)院的發(fā)展方向，這樣才能使材料成形CAD/CAE/CAM課程在內(nèi)容建設(shè)和學(xué)生培養(yǎng)上更具特色和競爭力。此外，學(xué)院目前的本科畢業(yè)論文選題主要還是以實驗為主，而與工程實踐相關(guān)的設(shè)計類畢業(yè)設(shè)計較少，在新時期工程教育認(rèn)證導(dǎo)向下，“材料成形CAD/CAE/CAM”課程定位就是為了提高學(xué)生的設(shè)計能力和實踐能力，可以為課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計打下良好基礎(chǔ)。基于此，筆者認(rèn)為有必要從課程的知識框架、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和考試評價制度等方向進行相應(yīng)的調(diào)整和探索，期望能進一步提高學(xué)生的動手能力，培養(yǎng)具有工程素養(yǎng)的創(chuàng)新型人才。

二、教學(xué)內(nèi)容的探索

教學(xué)內(nèi)容的把握應(yīng)建立在我院培養(yǎng)計劃和課程教學(xué)目標(biāo)的基礎(chǔ)上。隨著工程教育認(rèn)證的實施以及專業(yè)培養(yǎng)計劃和目標(biāo)的調(diào)整，課程學(xué)習(xí)重點不僅是學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的CAD/CAE/CAM知識，更在于將CAD/CAE/CAM技術(shù)應(yīng)用于具體的材料成形工藝中。如何把CAD/CAE/CAM技術(shù)的基礎(chǔ)知識和材料成形的具體工藝有機結(jié)合成為本課程教學(xué)的一個關(guān)鍵所在。原有的課程教學(xué)內(nèi)容已無法滿足新時期培養(yǎng)具有工程素養(yǎng)的創(chuàng)新型人才的要求，因此需要對原有的教學(xué)內(nèi)容進行調(diào)整和優(yōu)化，具體從以下幾方面進行探索。

（1）結(jié)合先修課程引入教學(xué)內(nèi)容。目前“材料成形CAD/CAE/CAM”在大三下學(xué)期開設(shè)，此前學(xué)生已學(xué)習(xí)了材料科學(xué)基礎(chǔ)、機械設(shè)計原理和實踐、材料制備加工、材料力學(xué)性能、材料物理性能等課程，已具備了較為扎實的專業(yè)背景知識。然而，我院學(xué)生在數(shù)學(xué)建模、有限元模擬仿真等方面的知識有所欠缺，對如何把專業(yè)理論知識和現(xiàn)代工程設(shè)計理念結(jié)合，并通過相應(yīng)專業(yè)輔助軟件實施感到迷茫。因此，在教學(xué)時需增加有限元模擬仿真原理及方法，并結(jié)合已學(xué)習(xí)的專業(yè)基礎(chǔ)理論，使抽象的專業(yè)問題具體化、工程化。

（2）結(jié)合課時調(diào)整教學(xué)內(nèi)容。本課程原來的學(xué)時數(shù)為32學(xué)時，培養(yǎng)計劃調(diào)整后的學(xué)時數(shù)為40學(xué)時。教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整既要突出課程要點又要易于學(xué)生理解和掌握。首先對以往的課程內(nèi)容進行補充和擴展，加強對材料成形CAD技術(shù)在三維造型和建模方面的理論和工程應(yīng)用的介紹，加強材料成形CAE技術(shù)在實際工程案例中的應(yīng)用。其次對教學(xué)內(nèi)容的框架進行整合，根據(jù)實際的工程應(yīng)用案例，闡述CAD/CAE/CAM技術(shù)在材料成形中的典型應(yīng)用，包括液態(tài)成形、軋制成形、鍛造成形、熱處理、焊接、表面技術(shù)等工程應(yīng)用，將材料成形CAD、材料成形CAE與材料成形CAM相銜接，形成一個有機的知識結(jié)構(gòu)體，更具邏輯性和工程實踐性。

（3）結(jié)合科研特色優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。目前我院金屬方向的科研工作主要集中在高性能金屬結(jié)構(gòu)材料的制備、加工和表面處理方面，這些方向涉及凝固、塑性加工、焊接和表面處理等課程內(nèi)容。在教學(xué)內(nèi)容中將增加和擴展我院教師在基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用研究中的最新研究成果，介紹CAD/CAE/CAM技術(shù)在材料成形中的新應(yīng)用。如在講授表面技術(shù)CAE時，以李強老師研究的等離子噴涂課題為例，向?qū)W生講解等離子噴槍電弧、射流的非穩(wěn)態(tài)模擬，以及等離子噴涂涂層沉積過程累積應(yīng)力的數(shù)值模擬等。通過在教學(xué)內(nèi)容中結(jié)合我院教師的科研進展，可開闊學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)興趣，達到了極好的教學(xué)效果。

（4）結(jié)合工程教育特點加強軟件實踐教學(xué)。在教學(xué)內(nèi)容中，大幅增加專業(yè)軟件的實踐教學(xué)，CAD軟件主要以Pro/E為主，CAE軟件主要以Ansys和MSC.Marc軟件為主，介紹CAD和CAE軟件在材料加工中的應(yīng)用，突出在工程問題中的軟件應(yīng)用能力培養(yǎng)。

三、教學(xué)方式的探索

材料成形CAD/CAE/CAM課程涉及計算機、機械、材料等多學(xué)科知識交叉、滲透和融合，是實踐性較強的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，傳統(tǒng)的灌輸式、填鴨式教學(xué)方法無法達到預(yù)期的教學(xué)效果。此外，工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的核心理念首先是要以學(xué)生為中心，在課堂內(nèi)外給學(xué)生有力的引導(dǎo)，讓學(xué)生獲得較好的學(xué)習(xí)感受?；诖?，筆者認(rèn)為課程教學(xué)方式改革可從以下幾方面進行探索。

1.利用現(xiàn)代多媒體教學(xué)手段闡述學(xué)習(xí)難點和重點

課程涉及大量的軟件操作和模擬結(jié)果分析，傳統(tǒng)的板書式或PPT教學(xué)無法清晰生動地講解材料成形計算機模擬仿真實施過程。因此，課堂設(shè)置在學(xué)院的機房教室，保證學(xué)生每人都有一臺計算機進行操作和實踐。此外，在教學(xué)過程中，我們還收集大量的圖像、視頻、動畫等資源，將這些資源進行綜合運用，從而將復(fù)雜抽象的數(shù)學(xué)建模和有限元模擬等內(nèi)容形象生動地展現(xiàn)出來，有助于提高學(xué)生理解知識的效率。

2.搭建網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力

本課程內(nèi)容多，實踐性強，在有限的課堂學(xué)習(xí)時間內(nèi)很難掌握各種計算機輔助成形技術(shù)的方法和實踐。因此，本課程在福州大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心搭建網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，方便學(xué)生在課堂之外進行自主學(xué)習(xí)，擴展知識。在該平臺上，設(shè)置了課程通知、答疑討論、作業(yè)在線批改、教學(xué)課件、教學(xué)素材、視頻動畫等功能。此外，還將課程涉及的二維、三維模型構(gòu)建和材料成形有限元模擬仿真的實例放入該平臺，便于學(xué)生課后自主學(xué)習(xí)。

3.采用互動式教學(xué)，關(guān)注學(xué)生差異性

學(xué)生的知識累積程度和學(xué)習(xí)新知識的能力不同，有些學(xué)生理論知識水平較高，而有些學(xué)生實際計算機軟件操作能力較強。如何協(xié)調(diào)和關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)的差異性是教學(xué)的難點。工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)考慮的也是學(xué)生作為個體“人”的發(fā)展需要，重視學(xué)生的個體差異性。這就要求在教學(xué)時，采用互動式教學(xué)，多關(guān)注學(xué)習(xí)困難的學(xué)生。尤其是在軟件操作的環(huán)節(jié)，三維造型軟件的功能強大，造型方式多樣，可以針對學(xué)生的掌握情況進行差異性指導(dǎo)，而有限元模擬軟件在進行材料成形仿真模擬時，因涉及的材料參數(shù)較多，有些還涉及原有的專業(yè)理論知識，不同學(xué)生理解的程度不同，需要教師在教學(xué)時，多跟學(xué)生進行互動，及時了解學(xué)生的掌握情況和存在的問題，提高班級整體學(xué)習(xí)效果。

總之，要探索靈活多樣的教學(xué)方式，充分考慮學(xué)生個體的差異性，使教學(xué)從灌輸式轉(zhuǎn)向?qū)υ捠?，從封閉式走向開放式，從傳授知識轉(zhuǎn)變?yōu)榕囵B(yǎng)能力，從而提高整體教學(xué)質(zhì)量。

四、考核方式的探索

目前高校大部分課程對學(xué)生的評價辦法還是以期末閉卷或開卷理論考試為主，重理論、輕實踐，實踐能力是學(xué)生的薄弱環(huán)節(jié)。針對本課程的特點，搜集材料成形過程的實際問題建立案例庫，每道試題都以一個實際的案例來進行考核。試題的設(shè)置要按照課程建設(shè)所要求的標(biāo)準(zhǔn)進行，包括試題的類型、內(nèi)容、難易程度、學(xué)生能力等方面。此外，因課程偏向于實踐教學(xué)，總成績由平時成績和期末成績構(gòu)成，平時成績占總成績的50%，包括作業(yè)、課堂討論、案例分析和課堂軟件實踐等成績。期末成績主要由大型綜合案例作業(yè)來評定。這樣既減輕了學(xué)生期末考試的負(fù)擔(dān)，又調(diào)動了學(xué)生平時學(xué)習(xí)的積極性，切實提高學(xué)生的實際動手能力。

五、結(jié)語

工程教育認(rèn)證要求以學(xué)生為中心，通過評價所有學(xué)生的學(xué)習(xí)成果達成度來評價課程建設(shè)的有效性。在工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)向下，我們對材料成形CAD/CAE/CAM課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和考核機制進行了探索，在培養(yǎng)學(xué)生自主獲得知識和應(yīng)用知識的實踐能力方面取得了較好的效果。但目前仍處于探索階段，在課程教學(xué)中還需進一步探索針對學(xué)生個體差異性的多樣化授課方式。

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（編輯 周 沫）