智能制造背景下的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)課程建設(shè)實(shí)踐

靳江艷 方憶湘 劉文學(xué)

摘 要：中國(guó)制造2025規(guī)劃將智能制造作為兩化融合的主攻方向，對(duì)于高等教育的專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)和課程體系建設(shè)提出了新的要求。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）技術(shù)是智能制造技術(shù)的重要支撐技術(shù)之一。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)課程作為機(jī)械工程學(xué)科的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程之一，以學(xué)生為中心，圍繞未來(lái)智能制造技術(shù)的發(fā)展對(duì)學(xué)生掌握CAD技術(shù)提出的要求，明確以CAD技術(shù)相關(guān)基礎(chǔ)理論為重點(diǎn)授課內(nèi)容;并以學(xué)生學(xué)習(xí)成果為目標(biāo)，結(jié)合應(yīng)用實(shí)例、上機(jī)實(shí)驗(yàn)與課程作業(yè)，訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)理論熟練掌握相關(guān)CAD軟件工具的設(shè)計(jì)、分析、仿真等功能;同時(shí)，結(jié)合各類(lèi)文獻(xiàn)資料和授課教師的科研成果，不斷將CAD技術(shù)的最新發(fā)展引入課程教學(xué)環(huán)節(jié)，以持續(xù)改進(jìn)和完善課程教學(xué)內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì);課程建設(shè);智能制造;成果導(dǎo)向

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.3

1 緒論

隨著工業(yè)4.0概念的提出，中國(guó)制造2025規(guī)劃指出要加快“推進(jìn)新一代信息技術(shù)和制造技術(shù)融合發(fā)展”，并將智能制造作為信息化與工業(yè)化深度融合的主攻方向[1]。智能制造以產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造、分析、仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)、測(cè)試驗(yàn)證等技術(shù)為核心支撐，在機(jī)械、電子、建筑、航空航天、汽車(chē)等領(lǐng)域得到了進(jìn)一步的重視和更加廣泛的應(yīng)用，相關(guān)的理論研究和工程應(yīng)用水平已經(jīng)成為衡量一個(gè)企業(yè)乃至一個(gè)國(guó)家制造業(yè)整體水平和綜合競(jìng)爭(zhēng)力的重要標(biāo)志，同時(shí)也對(duì)相關(guān)從業(yè)人員提出了更高的要求。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD），是指利用計(jì)算機(jī)的軟、硬件系統(tǒng)輔助工程技術(shù)人員對(duì)產(chǎn)品或工程進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析、修改以及交互式顯示輸出的方法或手段，是一門(mén)多學(xué)科的綜合性應(yīng)用技術(shù)，是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和手段的綜合體現(xiàn)[2]。CAD技術(shù)是機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造、分析、仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)、測(cè)試驗(yàn)證等技術(shù)的核心和基礎(chǔ)技術(shù)，為二十世紀(jì)最重要的技術(shù)發(fā)展之一，也是近年來(lái)業(yè)界高度重視的工業(yè)4.0概念和智能制造技術(shù)的重要支撐技術(shù)之一。因此，掌握相關(guān)技術(shù)的基本概念、原理、方法和手段，具備運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)相關(guān)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)工具分析和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力是新技術(shù)、新經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)教育提出的現(xiàn)實(shí)要求。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)課程作為機(jī)械工程學(xué)科的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程之一，課程設(shè)置的目的，主要訓(xùn)練學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握CAD技術(shù)的基本原理、方法、手段和發(fā)展趨勢(shì)，并使學(xué)生全面學(xué)習(xí)和掌握CAD技術(shù)這一現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與手段，培養(yǎng)學(xué)生的現(xiàn)代產(chǎn)品和工程設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)能力，并為進(jìn)一步掌握相關(guān)的計(jì)算機(jī)輔助工具技術(shù)提供基礎(chǔ)理論支撐。授課內(nèi)容全面介紹和講述CAD技術(shù)的發(fā)展歷程、系統(tǒng)組成、相關(guān)接口技術(shù)和圖形標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)算機(jī)圖形處理的基本原理和關(guān)鍵技術(shù)、通用CAD應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和造型功能、自由曲線(xiàn)與自由曲面、CAD二次開(kāi)發(fā)技術(shù)、以及工程數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)處理等內(nèi)容，以使學(xué)生對(duì)CAD技術(shù)有一個(gè)全面的了解，同時(shí)，概要介紹CAM相關(guān)技術(shù)。

2 學(xué)期分析及教學(xué)目標(biāo)

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)課程的教學(xué)對(duì)象是機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)大學(xué)三年級(jí)下學(xué)期的學(xué)生。結(jié)合智能制造技術(shù)發(fā)展對(duì)人才發(fā)展的需求進(jìn)行學(xué)生及其學(xué)習(xí)情況進(jìn)行分析，主要包括以下三方面：

（1）學(xué)生已經(jīng)完成了專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)，能夠較熟練地使用二維計(jì)算機(jī)輔助繪圖工具，部分學(xué)生自學(xué)了三維造型軟件，但是由于對(duì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的內(nèi)涵和基礎(chǔ)理論缺乏系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，制約了學(xué)生對(duì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)工具高級(jí)功能的掌握和深入應(yīng)用。

（2）大三年級(jí)是形成工程思維和科學(xué)思維方式的關(guān)鍵時(shí)期，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)課程多學(xué)科交叉的特點(diǎn)，加強(qiáng)工程思維和科學(xué)思維能力的培養(yǎng)。

（3）多數(shù)學(xué)生對(duì)國(guó)際和國(guó)內(nèi)制造業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)、對(duì)智能制造涉及的各種先進(jìn)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)、對(duì)計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)對(duì)整個(gè)制造業(yè)的影響認(rèn)識(shí)不足，對(duì)我國(guó)目前智能制造技術(shù)的應(yīng)用水平、優(yōu)勢(shì)和不足缺乏了解，不利于學(xué)生把國(guó)家建設(shè)、行業(yè)發(fā)展和自身學(xué)習(xí)建立緊密聯(lián)系。

針對(duì)上述問(wèn)題，通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的內(nèi)涵和基礎(chǔ)理論，具備應(yīng)用相關(guān)技術(shù)工具進(jìn)行復(fù)雜機(jī)械工程問(wèn)題的表達(dá)、建模、零部件設(shè)計(jì)、仿真等技術(shù)應(yīng)用的能力基礎(chǔ)，培養(yǎng)綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)解決復(fù)雜機(jī)械工程問(wèn)題的能力，以及專(zhuān)業(yè)溝通與交流能力。

3 成果導(dǎo)向的課程建設(shè)

1981年，Spady率先提出了成果導(dǎo)向教育（Outcome-Based Education，OBE）理念，OBE是指教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施的目標(biāo)是學(xué)生通過(guò)教育過(guò)程最后所取得的學(xué)習(xí)成果[3]。成果的分析歸結(jié)為：學(xué)習(xí)者在完成學(xué)習(xí)后所應(yīng)知道的、理解的和具備的能力水平，其核心是學(xué)生完成學(xué)業(yè)后可以帶得走的能力[4]。成果導(dǎo)向教育打破傳統(tǒng)的“以教師為中心”的教學(xué)模式，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體地位[5]，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)課程建設(shè)從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等方面開(kāi)展以學(xué)生為中心的教學(xué)活動(dòng)，注重學(xué)生學(xué)習(xí)成效，將知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)和素質(zhì)教育融為一體。

課程教學(xué)多年來(lái)一直秉承基礎(chǔ)理論講授與專(zhuān)業(yè)工具應(yīng)用訓(xùn)練并重的教學(xué)理念，強(qiáng)調(diào)對(duì)技術(shù)原理的掌握是熟練應(yīng)用技術(shù)工具的前提。課程教學(xué)圍繞未來(lái)智能制造技術(shù)的發(fā)展對(duì)學(xué)生掌握CAD技術(shù)提出的要求，明確以CAD技術(shù)相關(guān)基礎(chǔ)理論為重點(diǎn)授課內(nèi)容;并以學(xué)習(xí)成果為目標(biāo)，結(jié)合應(yīng)用實(shí)例、上機(jī)實(shí)驗(yàn)與課程作業(yè)，訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)理論熟練掌握相關(guān)CAD軟件工具的設(shè)計(jì)、分析、仿真等功能;同時(shí)，課程建設(shè)緊跟智能制造技術(shù)發(fā)展需要，結(jié)合各類(lèi)文獻(xiàn)資料和授課教師的科研成果，不斷將CAD技術(shù)的最新發(fā)展引入課程教學(xué)的不同環(huán)節(jié)，以持續(xù)改進(jìn)和完善課程教學(xué)內(nèi)容。另外，綜合運(yùn)用各類(lèi)教學(xué)方法和教學(xué)手段，組織教學(xué)內(nèi)容，開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，主要包括三方面的內(nèi)容。

3.1 與CAD技術(shù)相關(guān)的基本概念、發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)的知識(shí)

這部分內(nèi)容僅依靠課堂講授是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要學(xué)生利用課余時(shí)間，通過(guò)圖書(shū)館或網(wǎng)絡(luò)查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)資料才能夠充分了解。采用講授法和討論法相結(jié)合的教學(xué)方式，教學(xué)重點(diǎn)在于理清知識(shí)脈絡(luò)，一方面結(jié)合教師科研課題，使學(xué)生深入了解相關(guān)技術(shù)產(chǎn)生、發(fā)展、更新的過(guò)程，學(xué)習(xí)前人提出、分析以及解決問(wèn)題的思路和方法，為形成科學(xué)的工程思維方式奠定基礎(chǔ);另一方面，通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展過(guò)程，認(rèn)識(shí)到我國(guó)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)發(fā)展中的優(yōu)勢(shì)和不足，明確新時(shí)代的大學(xué)生對(duì)于國(guó)家建設(shè)和行業(yè)發(fā)展的所應(yīng)承擔(dān)責(zé)任和義務(wù)。

通過(guò)文獻(xiàn)綜述寫(xiě)作訓(xùn)練與匯報(bào)，訓(xùn)練學(xué)生專(zhuān)業(yè)文獻(xiàn)檢索、溝通與交流的能力。考慮到學(xué)生數(shù)量較多（2—3個(gè)自然班），為了使每個(gè)學(xué)生都能夠進(jìn)行匯報(bào)和交流，將學(xué)生以5—6人為單位分成若干小組，首先進(jìn)行小組匯報(bào)與交流，選出小組優(yōu)秀文稿，再進(jìn)行班級(jí)匯報(bào)與交流。通過(guò)文獻(xiàn)綜述寫(xiě)作與匯報(bào)，鍛煉學(xué)生的科技寫(xiě)作與溝通能力的同時(shí)，擴(kuò)大了學(xué)生的知識(shí)面，使學(xué)生從不同側(cè)面了解相關(guān)技術(shù)的起源、發(fā)展現(xiàn)狀、應(yīng)用概況和發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)在班級(jí)內(nèi)形成互相學(xué)習(xí)的氛圍。

3.2 與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)，需要運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行分析和計(jì)算的內(nèi)容

這部分知識(shí)分為兩部分內(nèi)容涉及較為復(fù)雜的數(shù)學(xué)知識(shí)在計(jì)算機(jī)圖形處理中的應(yīng)用，需要通過(guò)分析各種不同案例，強(qiáng)化基礎(chǔ)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)靈活運(yùn)用。采用講授法與案例法相結(jié)合的教學(xué)方式，講授重點(diǎn)在于介紹計(jì)算機(jī)圖形處理的基本原理。學(xué)生在掌握計(jì)算機(jī)圖形處理理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析復(fù)雜圖形處理案例，進(jìn)一步夯實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)，獲得處理復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

3.3 與CAD工具使用相關(guān)的繪圖、造型、數(shù)據(jù)交換和二次開(kāi)發(fā)相關(guān)的內(nèi)容

這部分內(nèi)容應(yīng)用型較強(qiáng)，學(xué)生不僅要掌握工具軟件繪圖和造型的基本原理，還要熟練掌握相關(guān)設(shè)計(jì)工具。因此，將教師講授、學(xué)生實(shí)踐與自主學(xué)習(xí)相結(jié)合，在掌握幾何繪圖和造型技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)教師引導(dǎo)和自主學(xué)習(xí)，能夠熟練使用兩種以上CAD工具。并且，通過(guò)對(duì)比不同設(shè)計(jì)工具提供的原理相同、形式不同的設(shè)計(jì)工具，分析不同工具相關(guān)設(shè)計(jì)功能的優(yōu)勢(shì)和局限性;特別關(guān)注國(guó)產(chǎn)軟件解決方案的相關(guān)功能，認(rèn)識(shí)到我國(guó)在工業(yè)軟件供應(yīng)方面與國(guó)外的差距，樹(shù)立為中華崛起而讀書(shū)的決心。

同時(shí)，針對(duì)CAD工具的使用，引導(dǎo)學(xué)生從辯證的觀點(diǎn)認(rèn)識(shí)CAD設(shè)計(jì)工具在產(chǎn)品研制過(guò)程中優(yōu)勢(shì)和局限，正確看待CAD設(shè)計(jì)工具、傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法以及人在設(shè)計(jì)中的作用等工程倫理問(wèn)題。同時(shí)，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到以電子形式存儲(chǔ)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造結(jié)果使剽竊行為更容易發(fā)生，CAD工具在帶來(lái)極大便利的同時(shí)，也會(huì)引發(fā)道德和法律問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

智能制造技術(shù)的發(fā)展對(duì)高等教育人才培養(yǎng)和課程體系建設(shè)提出了新的要求，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)課程作為與智能制造技術(shù)緊密相關(guān)的課程，課程建設(shè)以成果導(dǎo)向教育理論為指導(dǎo)，組織課程內(nèi)容，綜合運(yùn)用多種教學(xué)手段和方法，開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，通過(guò)小組討論、文獻(xiàn)綜述與匯報(bào)、案例分析與應(yīng)用等教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生針對(duì)相關(guān)技術(shù)和工具“知其然，亦知其所以然”，使學(xué)生在獲得知識(shí)的同時(shí)，具備獨(dú)立分析、解決工程問(wèn)題的能力及自主學(xué)習(xí)能力，能夠認(rèn)識(shí)到相關(guān)技術(shù)應(yīng)用中涉及倫理、道德和法制問(wèn)題，為成為社會(huì)主義新時(shí)代的合格建設(shè)者和可靠接班人奠定基礎(chǔ)。

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基金項(xiàng)目：河北省高等教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目（2021年度）

作者簡(jiǎn)介：靳江艷（1977— ），女，漢族，博士，講師，研究方向：數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造。