材料成型CAD/CAE/CAM實(shí)驗(yàn)教學(xué)中任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的應(yīng)用

謝揚(yáng)球+雷聲遠(yuǎn)

【摘 要】本文分析材料成型CAD/CAE/CAM實(shí)驗(yàn)教學(xué)中任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的優(yōu)勢，通過闡述實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)的設(shè)計(jì)和任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的實(shí)施過程探討材料成型CAD/CAE/CAM實(shí)驗(yàn)教學(xué)中任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的具體應(yīng)用，并總結(jié)任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的實(shí)施效果。

【關(guān)鍵詞】材料成型CAD/CAE/CAM課程 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法 應(yīng)用

【中圖分類號(hào)】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2017）05C-0068-02

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，尤其是對(duì)于材料成型與控制工程這類具有很強(qiáng)實(shí)踐性的工科專業(yè)來說。作為材料成型與控制工程專業(yè)的一門主要課程，材料成型CAD/CAE/CAM課程主要培養(yǎng)學(xué)生掌握材料成型中的產(chǎn)品三維造型、材料成型的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、成型過程的計(jì)算機(jī)模擬、數(shù)控加工等現(xiàn)代化的成型技術(shù)和方法，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)在學(xué)生綜合能力培養(yǎng)及前沿應(yīng)用軟件及技術(shù)的掌握方面起著舉足輕重的作用。但由于該課程涉及的知識(shí)面廣，對(duì)數(shù)學(xué)、力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)等方面的理論知識(shí)要求較高，而且該課程一般安排在第五學(xué)期進(jìn)行授課，部分理論知識(shí)對(duì)本科生來說還很抽象和深?yuàn)W；同時(shí)，在前期的學(xué)習(xí)階段，學(xué)生對(duì)機(jī)械加工、工藝編排等實(shí)踐操作知識(shí)也掌握很少，因而傳統(tǒng)教學(xué)方法的教學(xué)效果不佳，尤其是學(xué)生無法將相關(guān)的理論知識(shí)和操作技能進(jìn)行有效的融會(huì)貫通。因此，探討該課程的新的教學(xué)方法顯得尤為重要。

一、材料成型CAD/CAE/CAM實(shí)驗(yàn)教學(xué)中任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的優(yōu)勢

材料成型CAD/CAE/CAM課程涉及材料成型工藝學(xué)、工程力學(xué)、計(jì)算機(jī)模擬、機(jī)械加工工藝等理論知識(shí)，以及三維造型、計(jì)算機(jī)仿真、數(shù)控加工編程、有限元分析等實(shí)際操作技能?？梢姡撜n程內(nèi)容寬泛、理論性強(qiáng)，對(duì)實(shí)踐操作能力的要求較高。材料成型CAD/CAE/CAM課程的教學(xué)要求為：根據(jù)相關(guān)的設(shè)計(jì)理論知識(shí)，熟練運(yùn)用UG軟件，對(duì)中等復(fù)雜程度的塑料、五金等產(chǎn)品的成型過程及其成型設(shè)備，熟練進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真、有限元分析、成型過程模擬、數(shù)控編程加工等操作。

材料成型行業(yè)由于其理論性和工程實(shí)踐性都較強(qiáng)，對(duì)于沒有生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的本科生來說，難以有效地將相關(guān)理論知識(shí)運(yùn)用在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程和生產(chǎn)過程中，這是導(dǎo)致學(xué)生就業(yè)能力差的主要原因之一。傳統(tǒng)的教學(xué)模式是圍繞教師展開的，以教師講授為主、學(xué)生學(xué)習(xí)和練習(xí)為輔，這種教學(xué)模式一般是針對(duì)以理論知識(shí)為主的課程而設(shè)計(jì)的。而材料成型CAD/CAE/CAM課程以教授UG軟件的操作技能為主，以講解材料成型的優(yōu)化設(shè)計(jì)和加工的理論知識(shí)為輔。可見，傳統(tǒng)的教學(xué)模式并不適應(yīng)該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。因此，探討新的教學(xué)方法是非常重要的。

根據(jù)多年以來的實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，并結(jié)合具體的課程要求和實(shí)際情況，本文提出采用基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)法來進(jìn)行材料成型CAD/CAE/CAM的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法最初出現(xiàn)形式是德國工科院校的“雙元制”教學(xué)模式的行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)方法。與我國的教學(xué)情況不同，德國的工科院校同時(shí)兼具職業(yè)教育的功能，對(duì)學(xué)生同時(shí)教授理論知識(shí)和操作技能，培養(yǎng)目標(biāo)是高級(jí)工程師。為了適應(yīng)智能制造的需要，我國當(dāng)前的工科教學(xué)改革目標(biāo)也逐漸向這個(gè)方向靠攏。

一般來說，任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式是一種探究式的教學(xué)方法，主要以適當(dāng)?shù)膶?shí)際項(xiàng)目例子為先導(dǎo)，將相關(guān)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)為不同的任務(wù)，并將其作為驅(qū)動(dòng)，通過引導(dǎo)和幫助學(xué)生解決對(duì)應(yīng)的任務(wù)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生用理論分析問題和實(shí)際解決問題的能力，從而在完成相關(guān)任務(wù)過程中同時(shí)掌握理論知識(shí)和操作技能。此外，通過正確的引導(dǎo)和分組教學(xué)，還能培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、抽象總結(jié)和團(tuán)隊(duì)合作等能力。

二、材料成型CAD/CAE/CAM實(shí)驗(yàn)教學(xué)中任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的具體應(yīng)用

（一）實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)的設(shè)計(jì)

根據(jù)教學(xué)大綱，材料成型CAD/CAE/CAM課程的培養(yǎng)目標(biāo)是：培養(yǎng)并行設(shè)計(jì)的思想，在成型產(chǎn)品定型生產(chǎn)之前，運(yùn)用高性能的計(jì)算機(jī)和相關(guān)軟件，對(duì)材料成型的全過程進(jìn)行模擬和分析，并根據(jù)分析結(jié)果不斷進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，確定最優(yōu)的成型加工過程，從而大大縮短設(shè)計(jì)過程和提高設(shè)計(jì)效率，并預(yù)先解決實(shí)際生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的各種缺陷和難題。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的任務(wù)是：學(xué)生熟練運(yùn)用UG軟件，對(duì)塑料制件、五金制品、鋁合金產(chǎn)品的成型過程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和模擬，確定合理的成型方案。本文主要以塑料制件為例來進(jìn)行闡述，其他類型產(chǎn)品的教學(xué)過程類似。

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)過程，首先確定塑料制件的成型過程主要包括：產(chǎn)品設(shè)計(jì)、成型性能分析、注射模具設(shè)計(jì)、零件加工、模具裝配、注塑生產(chǎn)。于是，可以將教學(xué)任務(wù)劃分為6個(gè)任務(wù)，分別涉及和覆蓋不同的知識(shí)點(diǎn)。任務(wù)1：利用UG軟件的三維造型功能，完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)的任務(wù)。這主要涉及力學(xué)分析、曲面設(shè)計(jì)等課程的理論知識(shí)。任務(wù)2：利用UG軟件的有限元分析功能，完成成型性能分析的任務(wù)。這主要涉及熱力學(xué)分析、塑料成型工藝等課程的理論知識(shí)。任務(wù)3：利用UG軟件的三維造型功能，完成注射模具設(shè)計(jì)的任務(wù)。這主要涉及塑料模具設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)等課程的理論知識(shí)。任務(wù)4：利用UG軟件的數(shù)控編程功能，完成零件加工的任務(wù)。這主要涉及模具制造工藝、機(jī)械制造基礎(chǔ)、數(shù)控機(jī)床等課程的理論知識(shí)。任務(wù)5：利用UG軟件的三維裝配功能，完成模具裝配的任務(wù)。這主要涉及機(jī)械制造基礎(chǔ)、公差與互換性等課程的理論知識(shí)。任務(wù)6：利用UG軟件的運(yùn)動(dòng)仿真功能，完成注塑生產(chǎn)的任務(wù)。這主要涉及成型設(shè)備與操作、生產(chǎn)管理等課程的理論知識(shí)。

以上劃分的6個(gè)教學(xué)任務(wù)，完全覆蓋了塑料制件注射成型的全過程，同時(shí)也涉及材料成型與控制工程專業(yè)大部分專業(yè)基礎(chǔ)課程的理論知識(shí)。通過操作演示、分組討論、講解輔導(dǎo)等方式，幫助和引導(dǎo)學(xué)生在計(jì)算機(jī)上獨(dú)立完成對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作，并要求學(xué)生正確撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，讓學(xué)生在熟練掌握UG軟件操作技能的基礎(chǔ)上，將理論知識(shí)融會(huì)貫通并應(yīng)用于實(shí)際設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程。而且，通過上述的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)分析問題、解決問題以及實(shí)際操作的能力，能夠同時(shí)具備熟練的操作技能和扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，真正適應(yīng)社會(huì)和科技發(fā)展需要。

（二）任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的實(shí)施過程

任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法是圍繞實(shí)際任務(wù)而展開的，以學(xué)生的實(shí)際練習(xí)和討論為主，教師主要擔(dān)當(dāng)組織和引導(dǎo)工作。主要實(shí)施過程為：

第一，為了滿足相關(guān)教學(xué)的要求，配備有高性能計(jì)算機(jī)（i5-6500的CPU、8G內(nèi)存、專業(yè)繪圖顯卡）的實(shí)驗(yàn)室，并安裝UG8.5、Office2010、AutoCAD2010等軟件。每一位學(xué)生都有一臺(tái)單獨(dú)的計(jì)算機(jī)，可以獨(dú)自進(jìn)行相關(guān)的操作；并與教師計(jì)算機(jī)構(gòu)成一個(gè)主從局域網(wǎng)絡(luò)，以便教師進(jìn)行講解和輔導(dǎo)，以及進(jìn)行分組討論和操作演示。

第二，合理選擇實(shí)際塑料制件。選擇復(fù)雜程度適宜的制件是執(zhí)行本教學(xué)法的關(guān)鍵因素之一，合理的制件使得教學(xué)過程可以涉及預(yù)期的理論知識(shí)和操作技能，并控制教學(xué)進(jìn)度。實(shí)際教學(xué)中，選擇中等復(fù)雜程度的制件：具有多個(gè)不同類型的形體結(jié)構(gòu)或簡單曲面，具備側(cè)抽芯的結(jié)構(gòu)。為了避免學(xué)生抄襲，應(yīng)確保每個(gè)學(xué)生的制件都是不同的；同時(shí)，為了培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作和溝通協(xié)調(diào)能力，同組學(xué)生的制件也不能差別過大。因此，在實(shí)際教學(xué)中，同組學(xué)生一般選擇同系列或相近規(guī)格的產(chǎn)品，不同組之間的產(chǎn)品具有較大的差別。

第三，在每個(gè)任務(wù)開始之前，集中向?qū)W生講授或復(fù)習(xí)所涉及理論知識(shí)。一般來說，理論教學(xué)所占用時(shí)間較少，只需學(xué)生能夠正確地找到相關(guān)知識(shí)即可，具體的學(xué)習(xí)過程需要學(xué)生獨(dú)立完成。此外，還需要講授相關(guān)的UG軟件的操作命令、操作過程、注意事項(xiàng)等技能，從而使得學(xué)生具備獨(dú)立完成教學(xué)任務(wù)的實(shí)際操作能力。

第四，在理論教學(xué)之后，要求學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行任務(wù)操作；同時(shí)，以小組為單位進(jìn)行討論。對(duì)于在完成任務(wù)過程中出現(xiàn)的問題，首先要求學(xué)生自行解決，其次要求在小組內(nèi)解決，最后才通過教師進(jìn)行解答。這種方式可以培養(yǎng)學(xué)生正確的設(shè)計(jì)習(xí)慣、更快的學(xué)習(xí)速度、更良好的發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力。在教學(xué)過程中，通常是完成一個(gè)任務(wù)之后，再進(jìn)入下一個(gè)任務(wù)。

第五，教師根據(jù)在實(shí)際教學(xué)過程中和巡視過程中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行集中總結(jié)和分析，指出解決方法和途徑，并要求學(xué)生在課后進(jìn)行充分的練習(xí)。同時(shí)，還需要設(shè)定和把握好任務(wù)進(jìn)度，對(duì)于完成任務(wù)較快的學(xué)生，可以額外增加一些更深層次的子任務(wù)或要求。最后，在每個(gè)任務(wù)完成之后，進(jìn)行講評(píng)和成績判斷，并指出存在的問題。

三、材料成型CAD/CAE/CAM實(shí)驗(yàn)教學(xué)中任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的實(shí)施效果

為了驗(yàn)證所提出實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案的效果，筆者在某校三屆學(xué)生的材料成型CAD/CAE/CAM課程教學(xué)中實(shí)施了任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，取得了良好的效果：

首先，該方案能夠進(jìn)行實(shí)際的設(shè)計(jì)操作，教學(xué)過程不再是枯燥的理論講解和簡單的演示，有效地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

其次，該方法圍繞實(shí)際產(chǎn)品的真實(shí)設(shè)計(jì)過程而展開，并且通過學(xué)生獨(dú)立完成相關(guān)任務(wù)，使得學(xué)生能夠?qū)⒗碚撝R(shí)和實(shí)際操作融會(huì)貫通，有效地提高了發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。由于在教學(xué)中接觸到真實(shí)的材料成型設(shè)計(jì)過程，學(xué)生在第四學(xué)年的工作面試的成功率較高，而且還能在畢業(yè)后更好、更快地適應(yīng)新工作。此外，該方案還提高了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作和分工協(xié)作能力，這對(duì)學(xué)生將來的工作是很有幫助的。

最后，學(xué)生由于對(duì)實(shí)際產(chǎn)品的真實(shí)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了學(xué)習(xí)，較好地掌握了實(shí)際操作技能和理論知識(shí)，后續(xù)的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)的質(zhì)量得到了較大的提高。

綜上所述，本文在總結(jié)已有實(shí)驗(yàn)教學(xué)成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合材料成型與控制專業(yè)的具體特點(diǎn)、專業(yè)要求和實(shí)際教學(xué)條件，提出將任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法實(shí)際應(yīng)用于材料成型CAD/CAE/CAM課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，通過圍繞實(shí)際產(chǎn)品的材料成型過程展開實(shí)驗(yàn)教學(xué)。教學(xué)實(shí)踐證明，該方案有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高理論知識(shí)和實(shí)際操作技能的相互融會(huì)貫通能力。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王夢寒，李玉鳳.網(wǎng)絡(luò)教學(xué)在“材料成形CAD/CAE/CAM”課程中的應(yīng)用[J].中國電力教育，2012（2）

[2]余世浩，黃尚宇，等.材料成形CAD/CAM綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究與實(shí)踐[J].理工高教研究，2008（2）

[3]袁福華，田振清.任務(wù)驅(qū)動(dòng)在AutoCAD教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)教學(xué)，2014（1）

[4]唐田秋，張蓉.任務(wù)驅(qū)動(dòng)在“模具制造工藝學(xué)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國電力教育，2012（2）

[5]李海，方必軍，等.任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式在材料工藝學(xué)課程中的教學(xué)實(shí)踐[J].淮北師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014（1）

【作者簡介】謝揚(yáng)球（1979— ），男，廣西賀州人，廣西大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院講師，博士，研究方向：3D超精密打印技術(shù)、材料精密成型技術(shù)。

（責(zé)編 蘇 洋）