CAD/CAM技術(shù)課程案例庫的建設(shè)與應(yīng)用

褚忠 梁嘉強 普俊偉 石云霞 吳興農(nóng)

［摘 要］課程案例庫的建設(shè)，有利于促進研究生教學(xué)改革、提高研究生的綜合素養(yǎng)。文章基于綜合性、交互性和前沿性的原則，建立了包括汽車及摩托車行業(yè)零部件設(shè)計分析與解決方案、校企合作典型項目、企業(yè)工程技術(shù)人員成長典型案例和法律案例等12項CAD/CAM技術(shù)課程案例庫。實踐表明，案例庫的建設(shè)和應(yīng)用激發(fā)了研究生的學(xué)習(xí)興趣，改善了CAD/CAM課程課堂教學(xué)效果，培養(yǎng)了研究生分析問題和解決問題的能力，促使教師到企業(yè)一線生產(chǎn)中實踐，進一步完善了校企合作模式。

［關(guān)鍵詞］研究生培養(yǎng);案例庫建設(shè);CAD/CAM技術(shù)

［中圖分類號］ G643.2 ［文獻標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2022）11-0074-03

教學(xué)案例庫由具有與課程大綱緊密聯(lián)系、典型的知識點和豐富的思政元素的教學(xué)案例組成。教學(xué)案例來源于行業(yè)生產(chǎn)實際中，具有整合課程知識、啟發(fā)學(xué)生思考和增進師生互動的作用。教學(xué)案例要具有綜合性、交互性和前沿性，能反映CAD/CAM相關(guān)的綜合技術(shù)和前沿進展情況，能促進研究生教學(xué)改革，是理論和實際相結(jié)合、個體和團隊相結(jié)合、學(xué)校、企業(yè)和社會相結(jié)合的產(chǎn)物。

一、CAD/CAM技術(shù)課程簡介

CAD/CAM技術(shù)課程服務(wù)于整個產(chǎn)品生命周期與開發(fā)全過程，內(nèi)容包含三個主要部分：CAD、CAM和CAD/CAM系統(tǒng)的集成。課程重點講述CAD幾何建模的基本原理及方法、數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，CAM數(shù)控編程的原理及常用軟件、CAD/CAM/CAE系統(tǒng)的信息交換與系統(tǒng)集成以及3D打印技術(shù)和逆向工程技術(shù)。CAD/CAM技術(shù)課程的內(nèi)容設(shè)置本科和研究生階段有所區(qū)別：本科課程偏重于實體建模、裝配以及工程圖的基本原理學(xué)習(xí)和軟件操作，側(cè)重于基本知識的積累；而在研究生課程中增加了CAD、CAPP、CAM信息的集成，以及CAD/CAM技術(shù)在不同行業(yè)的實踐應(yīng)用，強調(diào)尋求知識的突破與創(chuàng)新，強調(diào)尋求真理、發(fā)現(xiàn)規(guī)律，從而培養(yǎng)研究生學(xué)會科學(xué)研究的方法，掌握科學(xué)研究的能力。

二、案例庫建設(shè)要求

隨著研究生招生規(guī)模的擴大，研究生的教學(xué)方式朝規(guī)范化、創(chuàng)新化方向發(fā)展。在課堂教學(xué)中，借助案例庫有助于研究生對理論知識的理解掌握，能幫助研究生將理論與工程實踐相結(jié)合。因此，研究生CAD/CAM技術(shù)課程的案例庫設(shè)計應(yīng)符合以下要求。

（一）綜合性

CAD/CAM技術(shù)課程涉及機械工程、計算機圖形學(xué)、數(shù)控機床和軟件等多學(xué)科的知識，與工程實踐緊密結(jié)合，案例庫中的案例應(yīng)具有創(chuàng)新性、典型性和客觀性。

（二）交互性

課程案例設(shè)計中增加的交互環(huán)節(jié)，能激發(fā)研究生思考和自主學(xué)習(xí)，給學(xué)生帶來更好的課堂體驗。交互方式可以是師生交互、學(xué)生之間的交互，通過“思”“辨”，碰撞新的思想火花。

（三）前瞻性

智能制造是多學(xué)科交叉產(chǎn)生的新技術(shù)。其中3D打印、逆向工程等技術(shù)與課程緊密相關(guān)，有助于學(xué)生開闊視野，了解國內(nèi)外行業(yè)發(fā)展的新技術(shù)、新材料等，為課題研究和將來進一步深造打好基礎(chǔ)。這些案例內(nèi)容與CAD/CAM課程大綱內(nèi)容相關(guān)，又是從實踐中總結(jié)提取形成，不僅有助于激發(fā)研究生在校學(xué)習(xí)理論課程的興趣，促進其創(chuàng)新思維的產(chǎn)生，而且有利于挖掘個人研究興趣、盡早定位個人職業(yè)導(dǎo)向，提高研究生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，讓研究生努力成為對社會有用的人才。

三、案例庫建設(shè)方案

CAD/CAM課程案例庫依托校企聯(lián)合“3D打印裝備與制造”實驗室開展，所有案例的素材取自工程實際和生產(chǎn)管理。案例內(nèi)容以汽車、模具等行業(yè)中涉及的工程技術(shù)為主，兼有管理人才培養(yǎng)、技術(shù)開發(fā)引發(fā)的法律糾紛等案例，原創(chuàng)性案例達(dá)60％以上。

（一）案例庫來源

案例庫的建設(shè)是由教學(xué)、科研以及生產(chǎn)實踐中的項目開發(fā)、人才成長、法律糾紛等案例的匯總提煉形成的。案例來源于不同行業(yè)，包括汽車、通用機械、模具、物流等，這些案例具有好的前沿性和集成性，能通過圖片、動畫、音頻、視頻甚至VR的形式進行展示。

1.校企合作項目。參加案例庫建設(shè)的團隊成員由在校教師與企業(yè)工程師組成，校企合作致力于精密模具及3D打印技術(shù)跨學(xué)科的開發(fā)和應(yīng)用。團隊成員將合作過程中產(chǎn)生的新技術(shù)、新材料和新方法進行篩選整理，按照規(guī)定的格式整理成案例庫。

2.工程領(lǐng)域案例。模具是制造行業(yè)的核心技術(shù)，模具企業(yè)被定位為人才、技術(shù)和設(shè)備密集型企業(yè)，目前模具工業(yè)正在朝著投資密集型的產(chǎn)業(yè)方向前進。因此，工程實際中可以編制案例的素材極其廣泛，如模具爆裂、模具表面疲勞受損、材料選擇、模具數(shù)控加工、金屬3D打印模具等。

3.前沿性案例。汽車、電子及模具是新材料、新技術(shù)集成應(yīng)用較多的行業(yè)。專業(yè)學(xué)位研究生了解這些技術(shù)的最新動態(tài)能給自己的就業(yè)帶來幫助，也有利于盡早確定自己的發(fā)展方向，早日為社會做出貢獻。

（二）案例庫內(nèi)容構(gòu)成

CAD/CAM技術(shù)案例庫主要應(yīng)用于機械制造、機電一體化、汽車與軌道交通等專業(yè)的碩士研究生專業(yè)課程教學(xué)，包括12個具體案例，其中工程案例5項、校企合作案例4項、人才成長案例2項、知識產(chǎn)權(quán)糾紛法律案例１項。表１為該案例庫的案例清單。

1.汽車及摩托車行業(yè)零部件設(shè)計分析與解決方案（4例）。此類案例通常與汽車及摩托車零部件逆向設(shè)計、輕量化設(shè)計、在線監(jiān)測技術(shù)、加工設(shè)備密切相關(guān)。通過對此類針對產(chǎn)品設(shè)計方法及車間管理案例的講解，使研究生結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計方法、數(shù)值模擬、在線監(jiān)測等專業(yè)理論知識及分析手段，深刻理解企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)及關(guān)鍵問題，促進研究生利用理論知識解決工程實際問題、提高工程素養(yǎng)和解決復(fù)雜工程問題的能力。

在CAD/CAM課程中，將逆向工程知識點融入案例“汽車零部件逆向設(shè)計與工藝庫建立”。該案例的主要內(nèi)容是上海某企業(yè)開展乘用車競品逆向建模，選擇市場認(rèn)可度高的車型，進行零部件的反求測量，具體包括覆蓋件建模、汽車車門焊接工藝數(shù)據(jù)庫建立、后視鏡建模、儀表盤等內(nèi)飾件的建模等。該案例涵蓋了外觀設(shè)計、零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計、焊接工藝設(shè)計等知識點。其建立的數(shù)據(jù)庫將成為汽車新車型設(shè)計的參考依據(jù)，向各汽車制造公司推廣。在案例中，研究生要思考激光、白光等不同掃描儀的原理、使用場合、掃描精度以及逆向建模軟件的選擇、曲面擬合的方法和精度，同時要理解車門焊接工藝的重要性，及其對外觀和質(zhì)量的影響。

2.模具行業(yè)典型案例分析（3例）。CAD/CAM應(yīng)用軟件離不開數(shù)據(jù)庫，此處案例講解“NX軟件標(biāo)準(zhǔn)件庫建立與維護”。該案例取自西門子工業(yè)軟件（上海）有限公司，在NX軟件注塑?；蚣夁M模模塊中，定制開發(fā)模具標(biāo)準(zhǔn)件庫。標(biāo)準(zhǔn)件庫的內(nèi)容可以是國標(biāo)、行標(biāo)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)件在動車、汽車等行業(yè)廣泛使用，可以極大提高工程師設(shè)計進度，降低重復(fù)勞動強度。通過這些案例，引導(dǎo)學(xué)生建立“標(biāo)準(zhǔn)化”的設(shè)計理念。在模具行業(yè)中，標(biāo)準(zhǔn)化有助于提高效率，同時，模具標(biāo)準(zhǔn)件公司（例如香港的龍記集團）制定模架、頂桿、水道等標(biāo)準(zhǔn)件，便于行業(yè)內(nèi)模具公司采購和使用。另外，如果高科技企業(yè)建立行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化，將引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展，比如我國的華為技術(shù)有限公司，在“5G”領(lǐng)域建立標(biāo)準(zhǔn)，并使之成為國際標(biāo)準(zhǔn)，真正成為“超一流”企業(yè)。

較大的模具公司的模具加工刀具將占據(jù)較大的成本。如何降低刀具購買、保管、領(lǐng)用等成本，涉及公司內(nèi)部合理的管理措施。青島海爾模具有限公司建立了“刀具超市”，大大降低了這方面的成本。其具體做法是：首先，與目前的刀具供應(yīng)商溝通，確定3～5家規(guī)模大、質(zhì)量好的公司，然后讓這些公司進駐青島海爾模具有限公司，并至少保證2～3天所需的刀具庫存量；其次，車間機床、刀具管理團隊，每日統(tǒng)計第二天所需刀具的種類、數(shù)量，在操作員上班之前，從刀具超市“購買”刀具，并將所用刀具放置在各自工位；最后，青島海爾模具有限公司定期與刀具供應(yīng)商結(jié)清刀具費用。實踐證明，這種創(chuàng)新的“刀具超市”模式，降低了公司運行成本（提前購買刀具）、管理成本（刀具保管）和使用成本。該案例在于引導(dǎo)學(xué)生建立創(chuàng)新的管理方法，促進公司“開源節(jié)流”，提高企業(yè)經(jīng)濟效益。

3.校企合作典型項目分析（4例）。校企合作不僅是學(xué)校與企業(yè)之間的合作，也是學(xué)生與教師、企業(yè)工程師之間的合作。據(jù)統(tǒng)計，80％以上的碩士研究生畢業(yè)后會進入企業(yè)工作。一方面，通過這些案例的學(xué)習(xí)，可以使研究生在校時學(xué)會團隊協(xié)作，畢業(yè)后可很快地融入企業(yè)的工作團隊中。同時，研究生經(jīng)過實踐鍛煉，各方面的能力得到提高，可反哺母校，繼續(xù)與母校合作，形成傳幫帶的良性循環(huán)。校企合作的目的是多贏，學(xué)生（校友）在此過程中將獲得更多鍛煉與發(fā)展的機會，學(xué)校、企業(yè)及學(xué)生本人都將受益。此類案例涉及工程技術(shù)、政府政策、項目管理、交流溝通等多方面的問題，是培養(yǎng)研究生宏觀管理和適應(yīng)社會能力的有效措施。

上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)與上海存知光電科技有限公司建立校企合作，成立了“3D打印裝備與制造技術(shù)”聯(lián)合實驗室，開展3D打印新材料開發(fā)，在實驗室制備夜光絲材、香味絲材，經(jīng)過一系列的實驗分析（力學(xué)性能、微觀組織等），下一步將進入量產(chǎn)階段。研究生在這個新材料開發(fā)過程中起到了至關(guān)重要的作用，他們通過跨學(xué)科知識的學(xué)習(xí)、校內(nèi)外實驗及結(jié)果分析、3D打印材料市場調(diào)研，經(jīng)歷了新產(chǎn)品的開發(fā)、生產(chǎn)過程，真正實現(xiàn)了自身綜合能力的提升。

4.企業(yè)工程技術(shù)人員成長典型案例（2例）。杰出校友是學(xué)校的寶貴資源。可以邀請這些校友為師弟師妹做講座，引導(dǎo)在校學(xué)生扎根企業(yè)生產(chǎn)一線，從而讓他們形成腳踏實地的工作作風(fēng)；杰出校友的工作成就和社會貢獻也將激勵研究生投身科技工作，擔(dān)當(dāng)社會建設(shè)的使命。

將杰出校友的成長歷程匯總形成案例，講述他們從技術(shù)崗位到管理崗位、從工程師到創(chuàng)業(yè)當(dāng)老板、或是從政過程的酸甜苦辣，樹立在校學(xué)生為企業(yè)、為行業(yè)、為社會做貢獻的抱負(fù)，以科技工作者腳踏實地的工作作風(fēng)和團結(jié)協(xié)作的工作態(tài)度，實現(xiàn)個人價值到社會價值的轉(zhuǎn)變。在課程教學(xué)中，教師可以通過這種典型人才的成長案例，激發(fā)學(xué)生的奮斗意志，讓學(xué)生樹立對專業(yè)和工程技術(shù)的信心，努力將自己逐步培養(yǎng)成卓越工程師。

5.典型法律案例分析（１例）。本案例講述了一個模具公司由于技術(shù)問題引發(fā)的法律糾紛案件。公司購買標(biāo)準(zhǔn)的注塑模熱流道系統(tǒng)，后因試模過程反復(fù)修改流道結(jié)構(gòu)，而最終延誤交貨日期，產(chǎn)生了合同逾期賠款。該案例不僅涉及企業(yè)管理與法律問題，同時涉及多方面的技術(shù)問題。該案件為研究生展示了模具行業(yè)上下游供應(yīng)鏈的組成及相互協(xié)作過程。通過分析該案例可以教育研究生如何合理協(xié)調(diào)生產(chǎn)過程的技術(shù)問題與企業(yè)契約的關(guān)系，以及出現(xiàn)問題后的最優(yōu)解決方案，以免“贏了官司、丟了客戶”。

以上這些案例既與CAD/CAM技術(shù)課程的重點內(nèi)容緊密關(guān)聯(lián)，又是工程實際的延展，將為什么要學(xué)、學(xué)什么和怎么學(xué)統(tǒng)一起來。案例庫中每個案例各有側(cè)重點，可滿足案例與教材內(nèi)容間關(guān)聯(lián)性的要求，使各知識點在實踐中得到應(yīng)用，在應(yīng)用中得到升華。

四、案例呈現(xiàn)形式

將CAD/CAM技術(shù)案例庫中的每個案例整理成三個個文件：案例描述、案例講義和案例使用說明，案例以文本方式為主，穿插圖片、數(shù)據(jù)、視頻錄像等，甚至嵌入AR/VR形式的內(nèi)容。

教師在授課過程中可以通過學(xué)習(xí)通、雨課堂等教學(xué)平臺直接使用這些案例，也可將案例內(nèi)容重新整理形成具有自己風(fēng)格的講義或PPT課件，授課方式可通過線上/線下混合模式，授課教師講授重點知識和邏輯步驟，學(xué)生進行閱讀、問題分析和討論。

五、教學(xué)實施方法

通過將不同的案例庫素材與CAD/CAM技術(shù)課程內(nèi)容結(jié)合應(yīng)用，強化單一知識點的掌握，利用綜合案例促進學(xué)生綜合能力的提高。

（一）知識點案例與課程章節(jié)相結(jié)合

CAD部分的幾何建模是后續(xù)環(huán)節(jié)（有限元分析、CAPP、數(shù)控加工等）的基礎(chǔ)，在講述這部分內(nèi)容時，將逆向工程、輕量化設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)件庫等單一知識點案例穿插其中，讓學(xué)生樹立產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計、正逆向混合設(shè)計、拓?fù)鋬?yōu)化輕量化設(shè)計等理念，將軟件工具與現(xiàn)代設(shè)計方法相結(jié)合，提高自身的產(chǎn)品設(shè)計綜合能力。

（二）以PBL+案例庫模式開展綜合型案例分析

PBL教學(xué)模式將提出問題、分析問題、解決問題整個教學(xué)過程置于具有實際背景的情境中，將綜合案例庫素材應(yīng)用在CAM部分，通過3D打印工藝、新材料開發(fā)與應(yīng)用，促進學(xué)生對智能制造系統(tǒng)的理解。

（三）強調(diào)學(xué)生在教學(xué)過程的主體作用

教學(xué)過程中應(yīng)發(fā)揮研究生的主體作用，有效提升學(xué)生運用知識、獨立分析問題和合作解決問題的能力，通過分析、交流討論，提高CAD/CAM技術(shù)課程的教學(xué)質(zhì)量，使案例化、項目化教學(xué)法發(fā)揮其應(yīng)有的價值。

六、結(jié)論

案例庫的建設(shè)和應(yīng)用，改善了CAD/CAM課程的課堂教學(xué)效果，激發(fā)了研究生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了研究生分析問題和解決問題的能力。同時，案例庫的建設(shè)，也使校企合作模式得到進一步完善，促使教師到企業(yè)一線生產(chǎn)中實踐，有利于校企合作項目的升華。

［ 參 考 文 獻 ］

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［責(zé)任編輯：陳 明］