創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育視閾下模具CAD/CAM課程改革探索與實踐

孫前江， 黃映霞， 李 寧， 姜麗紅

（南昌航空大學 航空制造工程學院，南昌 330063）

引言

美國創(chuàng)業(yè)教育先驅(qū)蒂蒙斯曾經(jīng)指出，21世紀是一個創(chuàng)業(yè)的時代，人類正面臨著一場無聲革命，即創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)精神在全世界取得偉大勝利的革命[1]。因此，一種新的教育理念—創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，引起各國政府和高校的高度關注。自2015年《國務院辦公廳關于深化高等學校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》[2-3]頒布實施以來，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育已經(jīng)成為我國高等學校教育的共識，是深化高等教育教學改革和培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和實踐能力的重要途徑[4]。目前，高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育課程體系、教學模式已逐步建立和完善，有力地推動了大學生就業(yè)和創(chuàng)業(yè)。然而，當前高校大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育仍存在許多不容忽視的問題，其中雙創(chuàng)教育和專業(yè)教育的有機融合是當前我國創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育必須解決的問題之一[5-6]。

1 模具CAD/CAM課程教學現(xiàn)狀及改革的必要性

模具CAD/CAM是改變傳統(tǒng)模具生產(chǎn)方式的關鍵技術，是一項集高效益、高科技和高效率于一體的系統(tǒng)工程，它以不同軟件的形式為企業(yè)提供一種有效的輔助設計及加工的工具[7-8]。工程技術人員能夠借助于計算機對零件的結(jié)構、模具結(jié)構、成型工藝、數(shù)控加工代碼及生產(chǎn)管理等進行設計和優(yōu)化，可以顯著縮短模具設計與制造周期，降低生產(chǎn)成本，提高成型零件的質(zhì)量。在過去的30多年中，CAD/CAM技術給塑性加工等行業(yè)帶來了許多深刻的變革。

模具CAD/CAM課程作為我校材料成型及控制工程專業(yè)(塑性成形與模具方向)的專業(yè)限選課進行開設，是一門實踐性很強的軟件應用型課程，課程的核心知識點是UG NX軟件建模及專業(yè)模具設計模塊，要求學生熟練掌握UG NX軟件的應用模塊并能進行產(chǎn)品建模和模具設計。然而，本門課程傳統(tǒng)教學模式中，網(wǎng)絡課程資源缺乏，主要以課堂講授為主，上機實驗為輔，受學時和教學場地的限制，學生上機軟件操作時間偏少；學生對模具CAD/CAM知識缺乏深入理解和掌握，軟件應用與專業(yè)模具設計知識脫節(jié)；課程考核缺乏有效的學習過程評價機制。因此，采用傳統(tǒng)的教學模式講授該門課程，學生被動地接受知識，難以激發(fā)學習興趣，課程教學效果不佳。此外，課程教學大綱、教學方法和課程實驗設置等方面對培養(yǎng)學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識方面亟待改進?？茖W技術日新月異，要讓學生了解和掌握先進CAD和CAM技術在現(xiàn)代模具設計中的應用，充分調(diào)動學生的學習興趣和積極性，激發(fā)和培養(yǎng)學生模具設計過程中的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識，針對本門課程傳統(tǒng)教學模式中存在的一些問題，迫切需要開展課程改革與建設。

2 模具CAD/CAM課程改革與探索

為培育學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識和提高解決問題的能力，模具CAD/CAM課程改革貫徹“以學生為主體，以培養(yǎng)學生工程創(chuàng)新能力為導向”的教學理念，根據(jù)學生應掌握的知識、具有的能力及素質(zhì)等，對課程內(nèi)容進行了整體規(guī)劃設計，積極融入創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，并建立了與其相匹配的網(wǎng)絡資源庫以及較完善的過程考評機制，充分調(diào)動學生對本門課程的學習興趣和主動性。

2.1 重新整合理論教學內(nèi)容，融入雙創(chuàng)教育理念

隨著計算機技術飛速發(fā)展，模具CAD/CAM技術也已達到較高的水平，軟件功能不斷更新。課程原來使用的教材《模具CAD— UG NX應用》是由我校教師早期基于UG NX4.0軟件平臺編寫，隨著軟件的不斷升級，教材已經(jīng)難以適應目前模具設計和制造行業(yè)的要求，并且教材的編寫也沒有融入創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的理念。

為適應創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的特點和軟件不斷升級的要求，結(jié)合現(xiàn)階段社會對人才的知識結(jié)構和能力素質(zhì)等方面的全新要求以及模具設計行業(yè)的特點，對本門課程理論授課內(nèi)容進行了更新和優(yōu)化，為了與模具設計專業(yè)知識緊密結(jié)合，授課內(nèi)容中增加相關模具設計的專業(yè)基礎知識，有助于學生在學習模具CAD/CAM軟件的同時，加深對已學過的模具設計專業(yè)知識的理解和掌握，實現(xiàn)軟件應用與專業(yè)知識的深度融合，解決學習過程中軟件應用與專業(yè)知識脫節(jié)的問題。為此，課程組教師聯(lián)合省內(nèi)外多所高校教師共同編寫了新版教材《模具CAD/CAM—NX應用》，新版教材基于UG NX 10軟件平臺編寫。與原教材相比，增加了塑料、沖壓和鍛造模具設計的基礎內(nèi)容，設計案例更豐富且貼近實際生產(chǎn)和研究，部分案例如圖1所示。此外，新版教材更加注重材料成形及控制工程專業(yè)(塑性成形與模具方向)學生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)，使學生在專業(yè)課程理論的基礎上，靈活運用模具CAD/CAM軟件，解決模具設計和制造中的具體問題，不斷提升工程素養(yǎng)和設計能力。

另外，根據(jù)模具CAD/CAM課程的特點和教學目標，對課程內(nèi)容進行模塊化設計，總共劃分為實體零件造型、零件裝配、工程圖、模具設計和數(shù)控加工五個主要模塊，再根據(jù)各個模塊的知識點進一步細分為若干個子模塊和微單元。例如，零件裝配模塊分為自底向上裝配和自頂向下裝配兩個子模塊，其中自底向上裝配子模塊進一步細分為裝配約束、引用集、組件陣列裝配和鏡像裝配等微單元；自頂向下裝配子模塊劃分為新建組件和Wave幾何鏈接器兩個微單元。UG NX軟件輔助模具設計模塊劃分為沖壓模具設計、注塑模具設計和鍛造模具設計3個子模塊及若干個微單元，例如沖壓模具設計子模塊的微單元構成如圖2所示。課程內(nèi)容模塊化處理后，再根據(jù)各個模塊的知識點創(chuàng)建教學視頻并上傳至網(wǎng)絡課程中，便于學生在線學習和復習。通過課程內(nèi)容模塊化處理，可以將整個課程的學習目標進行分解，使學生能夠了解各個模塊和微單元的學習目標并明確各個模塊知識點的相關性，學習目的性加強，同時也提高了教學的有效性。此外，通過各個模塊網(wǎng)絡課程視頻資源的創(chuàng)建，消除了傳統(tǒng)課程教學資源單一的問題，有利于學生自主學習能力的培養(yǎng)，鍛煉他們在自主學習過程中對課程知識的歸納和提煉能力，學會提出問題并對問題進行剖析和探討，從而達到自我學習、自我探討和自我提高的過程。

圖2 UG NX軟件輔助沖壓模具設計微單元構成

2.2 構建“理論+實驗+課外實踐”課程體系，培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力

模具CAD/CAM課程的實踐性非常強，為了提高學生的創(chuàng)新實踐能力，實踐教學除教學計劃內(nèi)的上機實驗以外，增加2～3個綜合性實踐訓練。對于上機實驗，根據(jù)理論授課內(nèi)容，編寫模具CAD/CAM創(chuàng)新設計性實驗指導書，實驗指導書中科學合理地設立創(chuàng)新設計性實驗。通過完成創(chuàng)新性實驗，不僅加強了學生對課程理論知識的掌握，而且培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新精神。培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，讓學生擁有創(chuàng)業(yè)意識非常重要，為此課程額外設置了綜合性實踐訓練。綜合性實踐訓練內(nèi)容主要涵蓋零件三維造型、模具設計和工程圖創(chuàng)建，除了授課教師指定任務外，也鼓勵學生以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的理念去自由選題和自主設計，并以項目的形式分組進行開展，每組指定負責人并定期匯報項目研究進展，最終提交零件和模具三維數(shù)字化模型、模具零件工程圖紙和實踐訓練報告。通過讓每位同學分工協(xié)作來完成整個綜合實踐訓練項目，不僅鍛煉了學生與人溝通和合作的能力，而且也形成了一種競爭意識，讓他們意識到這種團結(jié)協(xié)作精神是創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的重要精神力量，沒有團隊協(xié)作的精神，僅憑一個人的力量無論如何也達不到理想的工作效果，只有通過集體的力量，充分發(fā)揮團隊精神才能使工作更出色。因此，通過綜合性實踐訓練項目對學生進行了多維度的鍛煉，學生能結(jié)合專業(yè)課把所學知識點融會貫通，提高了設計能力、創(chuàng)新能力和創(chuàng)業(yè)意識。

2.3 改革教學方法，激發(fā)學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)興趣

隨著創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育深入推進，將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育理念融入到課堂教學過程中至關重要。模具CAD/CAM課程基于UG NX軟件進行講授，軟件操作命令非常多，教學方法應注重全面性、實踐性和創(chuàng)新性，如何提高學生學習興趣以及提升教學效果一直令授課教師非常困惑。為激發(fā)學生學習積極性，培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和創(chuàng)業(yè)意識，針對課程實踐性強的特點，課程組教師采用主題項目教學法、任務驅(qū)動教學法和科研驅(qū)動式教學法進行課堂教學。

2.3.1 主題項目教學法

主題項目教學法是通過實施一個完整的項目而進行的教學活動，其目的是在課堂教學中把理論與實踐教學有機地結(jié)合起來，充分挖掘?qū)W生的創(chuàng)新潛能，提高學生解決實際問題的綜合能力[9-11]。在主題項目教學法實施過程中，緊扣課程教學大綱和教學目標，精心設計出若干個典型零件的建模及其模具設計過程作為主題項目進行講授，力求使大綱要求的知識點都融合到這些主題項目中，這樣可以把軟件命令融入到具體項目中進行講解，把相關的命令操作過程都串聯(lián)起來。例如將某型發(fā)動機葉片建模及鍛造模具設計作為一個主題項目進行教學，由于葉片形狀非常復雜，呈扭曲狀，各個截面均不相同(如圖3)，建模涉及較多的曲線創(chuàng)建和曲面造型命令，如過曲線組曲面、掃略、修剪片體、面倒圓角等。葉片鍛造模具設計時，模具分型難度較大，需要進行曲面分型(如圖4)，其中涉及到分型曲面造型、縮放體、拔模和布爾運算命令等。此外，塑料模具設計和沖壓模具設計主題項目中除建模的相關命令外，還涉及專業(yè)模具設計應用模塊。通過這些主題項目教學，把UG NX軟件建模命令、模具設計應用模塊和專業(yè)知識進行了深度的融合，有利于學生熟練掌握應用UG NX軟件進行建模和模具設計，提高他們對專業(yè)知識的應用能力和工程實踐能力。

圖3 葉片

圖4 葉片鍛造模具

2.3.2 任務驅(qū)動教學法

由于創(chuàng)建了便于操作、易于自我學習的網(wǎng)絡課程資源，學生的課程學習可由課內(nèi)延伸至課外，每次理論課前均布置在線學習任務，要求在課程網(wǎng)絡中提前下載資料學習和觀看視頻，并且網(wǎng)絡任務點學習情況作為平時成績的一部分。同樣，上機實驗課和綜合性實踐項目均有具體的任務安排和要求，如查閱文獻資料、模具設計手冊和技術標準等。因此，通過布置具體的課程學習任務，學生會在實踐中產(chǎn)生知識需求，從而圍繞任務積極主動地去學習和思考每一個任務細節(jié)涉及的知識點，認真準備并掌握相關理論和操作方法，這個過程使得學生真正能夠感受到學習帶來的成就感，從而調(diào)動學生對模具CAD/CAM知識學習的積極性及對所學知識的靈活應用，讓學生真正實現(xiàn)從“學會”向“會學”轉(zhuǎn)變，從而為未來創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)過程中不斷地學習各類新知識打下堅實的基礎。

2.3.3 科研驅(qū)動式教學法

科研與教學是辯證的統(tǒng)一體，科研驅(qū)動式教學是提高理工科院校學生創(chuàng)新能力的有效途徑[12-13]。通過科研驅(qū)動式教學，可以不斷更新教學內(nèi)容使學生始終獲取本課程的前沿進展，有利于實現(xiàn)教師教學與科研的有機結(jié)合，促進教師與學生之間的良性互動。為此，在本課程實際教學過程中，除采用前述兩種方法講授課程內(nèi)容外，授課教師向?qū)W生講授科研項目中與課程相關的研究內(nèi)容與研究方法，尤其是與企業(yè)合作的項目，引導學生掌握項目研究路徑與方法，激發(fā)學生的創(chuàng)新靈感，培育基于專業(yè)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識。例如在講授利用UG NX軟件設計鍛模時，向?qū)W生介紹與某企業(yè)合作的飛機座艙骨架整體成形的項目案例，由于整體座艙骨架尺寸較大(如圖5)，相應的成形模具尺寸也大，最初的方案是將模具設計為整體式結(jié)構，然而整體式結(jié)構鍛模既浪費模具材料，也不利于模具熱處理和加工。通過反復的優(yōu)化設計，創(chuàng)新性地將鍛模設計為如圖6所示的組合式結(jié)構，這種結(jié)構便可以解決整體式結(jié)構帶來的問題，最終企業(yè)采納了這種優(yōu)化結(jié)構方案并順利生產(chǎn)出合格的鍛件。通過講授這些實際的科研案例，理論緊密聯(lián)系實踐，不僅加深了學生對專業(yè)課程知識點的理解和掌握，也讓學生了解到科研項目的研究方法和實施步驟，有利于激發(fā)學生研究興趣和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識，提升創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

圖5 座艙骨架零件

圖6 座艙骨架鍛造模具

2.4 加強過程考核，培育創(chuàng)新思維

考試是檢查學習情況和教學效果的一種重要方法，然而在當前創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育背景下，僅僅將考試成績作為教學效果的主要評價指標過于單一，其只能評價學生的學習結(jié)果，無法考查學生的學習過程和態(tài)度，不利于學生創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的提升[14-15]。為此，課程改革引入了學習過程考核，考核方式改革前后成績構成對比情況如圖7所示。考核方式改革后，課程考核成績主要由平時成績、實驗成績、綜合實踐項目成績和期末考試成績四部分構成，每項均采用百分制計分，最后按比例加權計算，由圖中可知期末考試成績占比大幅度降低，僅占35%。各單項成績中，平時成績主要構成為考勤10%、課堂回答問題30%和網(wǎng)絡課程任務點學習60%；實驗成績通過上機實驗任務完成情況進行評定；課外綜合實踐作業(yè)成績首先由各小組負責人根據(jù)成員貢獻大小和實踐態(tài)度評定每位成員的成績，占比30%，教師再根據(jù)實踐報告中方案的可行性、模具結(jié)構的正確性以及撰寫格式等方面進行成績評定，占比70%。課程通過考核方式的改革，更注重學習全周期的管理和實踐性考核，建立了以能力為本位的理念，從“知識與設計技能”、“過程與方法設計”和“實踐態(tài)度”三個方面進行全方位立體評價學生。

圖7 考核方式改革前后成績構成對比

3 課程改革成效

將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育融入到課程教學整個環(huán)節(jié)的近3年來，通過授課內(nèi)容的優(yōu)化及模塊化設計、實踐性課程體系構建、教學方法和考核方式改革方面進行了探索和嘗試，逐步改變了學生學習態(tài)度和學習方法，提升了學生學習興趣，增加了學習氛圍，更多的學生積極參與課堂教學，課程改革成效顯著，課程考核平均分由73.9逐步提高至82.7，優(yōu)秀率也由8.7%提升到了14.4%。此外，課程改革實踐過程中，教學效果獲得了學生們的一致好評和肯定，學生的滿意度較高，學生評教分數(shù)均在95分以上，在每年的課程設計和畢業(yè)設計實踐環(huán)節(jié)，絕大多數(shù)學生能夠熟練運用模具CAD/CAM軟件完成相關模具的設計。另外，每年材料成型及控制工程專業(yè)(塑性成形方向)卓越工程師班學生在企業(yè)實習期間，他們模具CAD/CAM軟件應用能力均獲得了實習企業(yè)的一致好評。

4 結(jié)束語

隨著社會和企業(yè)對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才需求的不斷提高，高校需順應這個需求不斷整合專業(yè)教育和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，培養(yǎng)善于用創(chuàng)意性思維解決問題和富有創(chuàng)造力的創(chuàng)新型專業(yè)人才。將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育融入到專業(yè)課程教學中是一個長期的系統(tǒng)工程，需要根據(jù)社會及企業(yè)對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的需求，不斷對教學內(nèi)容、教學環(huán)節(jié)和教學方法進行改革和調(diào)整，從而提高教學質(zhì)量和教學效果。與此同時，也要求專業(yè)教師加強創(chuàng)新實踐培訓、創(chuàng)業(yè)教育理論和實踐培訓以拓展視野，提高自身的職業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)業(yè)能力，從而不斷提升教學水平。通過《模具CAD/CAM》課程教學改革，在課程教學中融入創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育理念與實踐，不僅提升了學生對課程的學習興趣，而且分析和解決問題的能力也得到了顯著的提高，雖然有點成效，但仍有很多不足之處有待繼續(xù)完善。本研究成果對其他專業(yè)課程的建設與管理具有良好的輻射和示范作用，預期研究成果也可以推廣應用于材料成型及控制工程專業(yè)其他專業(yè)課程中，進一步提高本專業(yè)的人才培養(yǎng)質(zhì)量。