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基于CDIO的模具CAD/CAE/CAM实验教学体系的构建

范文

俞彦勤　廖敦明　樊自田

摘 ?要：通过分析现有模具计算机辅助设计（CAD）、模具计算机辅助工程（CAE）、模具计算机辅助制造（CAM）实验教学中存在的问题，根据CDIO工程教育模式，以材料成形件从数字模型到成形件实物的整个过程为载体，构建了一体化的模具CAD/CAE/CAM综合实验教学体系。依据工程教育认证对学生的要求，制订了实验课程的教學目标，并对实验教学方式、成绩考核评估等方面进行了分析与探讨。该实验课程对于探索实验教学的新模式、新方法，培养学生解决复杂工程问题及综合创新能力等方面具有推广应用价值。

关键词：CDIO;模具;计算机辅助设计（CAD）;计算机辅助工程（CAE）;计算机辅助制造（CAM）

中图分类号：G642 ? ? ? ? 文献标志码：A ? ? ? ? 文章编号：2096-000X（2019）17-0107-03

Abstract： By analyzing the existing problems in the computer-aided design （CAD）， mold computer-aided engineering （CAE）， and mold-assisted manufacturing （CAM） experiment teaching， according to the CDIO engineering education model， the material forming parts from the digital model to the forming parts The whole process of the physical object is the carrier， and an integrated CAD/CAE/CAM integrated experimental teaching system is constructed. According to the requirements of engineering education certification for students， the teaching objectives of the experimental course were formulated， and the experimental teaching methods and performance evaluation were analyzed and discussed. The experimental course has the promotion and application value for exploring new modes and methods of experimental teaching， cultivating students to solve complex engineering problems and comprehensive innovation ability.

Keywords： CDIO（conceive-design-implement-operate）; mold; computer aided design（CAD）; computer aided engineering （CAE）; computer aided manufacturing（CAM）

模具计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）、计算机辅助制造（CAM）是材料成型及控制工程专业的主干核心课程，长期以来，这三门实验课程在运行中存在以下问题：首先，因教学方法缺乏创新，导致学生学习主动性不够。其次，因实验教学手段方式落后而存在重理论轻实践的现象。第三，各门课程实验教学独立封闭进行，造成了实验内容零碎，综合性程度不高。第四，实验课程内容及其软、硬件更新慢，严重滞后于当前社会生产实际，导致教学与行业发展脱节。第五，实验课程在整个专业培养体系中的地位与作用、对达成学生培养目标的能力要求不明确。鉴于以上问题，必须对现有模具CAD、模具CAE、模具CAM实验课程，从课程培养目标、课程内容、教学方式等诸方面进行改革与创新，以构建体系完备、实验内容充实、教学方式多样化的“模具CAD/CAE/CAM综合实验”。

一、基于CDIO的实验课程体系构建

（一）CDIO教育模式

CDIO（构思conceive、设计design、实施implement、运作operate）是国际工程教育人才培养的创新模式，旨在关注工程实践，加强培养学生实践能力、综合创新能力以及与社会协调发展等问题。CDIO是由MIT（麻省理工学院）等几所大学经过多年探索而创立的工程教育模式，它以产品从研发到产品运行结果的整个生命周期为载体，通过建立一体化的相互支撑和有机联系的课程体系，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式进行工程教育训练[1]。迄今为止，这一国际工程教育的最新成果已被几十所世界知名大学所采用，并逐步引入我国，成为国内高校众多工程类专业课程改革与创新的有力工具[2-5]。

（二）实验课程设计

基于CDIO的理念，将模具CAD、模具CAE、模具CAM三门课程融合打通，设置为一门独立于理论课的一体化的综合实验课程。梳理三者之间的层次关系，依据课程的逻辑关系建立三者之间相互支撑和有机联系的课程体系。

构思（conceive）材料成形件，它可以是冲压件、或注塑件、或铸件、或3D打印件。它可以是课程给定，如给出的二维图，也可以是来自于社会（企业）需要的产品，也可以是学生自己设计的模型。对于以上给出的各种成形件，运用三维CAD软件，完成其数字化，得到成形件的三维数字化模型。

设计（design），根据“构思”阶段成形件的数字化模型，进行模具计算机辅助设计（CAD），完成该成形件所需要模具的设计。

实施（implement），根据“设计”阶段所设计的模具，对成形件的成形工艺及模具进行计算机分析（CAE），检验其设计的合理性，根据检验的结果，对模具进行优化和修改，再对模具零部件进行制造（CAM）。

运作（operate），根据“实施”阶段制造的模具，在材料成形设备上，加工出“构思”阶段所指定的成形件实物。

（三）实验课程流程

根据CDIO工程教育模式，以材料成形件从数字模型到最终成形实物的整个生命周期（PLA）为载体，构建出一体化的《模具CAD/CAE/CAM综合实验》教学体系见图1。

图1中，依据成形件的成形方式不同，可分别构成“冲压实验模块”、“注塑实验模块”、“铸造实验模块”、“3D打印实验模块”等四个材料成形实验模块，学生自主依兴趣选择其中之一模块进行实验，按实验流程依次进行“三维造型技术实验”，从而建立成形件的三维数字模型;进行“模具计算机辅助设计实验”，设计出完成成形件加工所需要的模具;进行“模具计算机辅助工程实验”，对所设计的模具进行分析，修改、优化所设计的模具;进行“模具计算机辅助制造实验”，用数控加工机床等，对所设计的模具零件进行加工;进行“成形工艺物理模拟实验”，通过采用范例模具分别在材料成型设备（数控冲床、注塑机、离心铸造机、3D打印机）上加工出成形件的实物产品。整个实验过程以成形件数据流瀑布式逐层推进，来完成模具CAD/CAE/CAM一体化综合实验的各个实验环节[6]。

二、实验课程目标

《模具CAD/CAE/CAM综合实验》课程是一门多学科交叉、综合性强的应用课程。它反应了材料成型基本理论与模具技术的实践、传统材料成形工艺与先进数字化技术、材料加工基本知识与前沿智能制造技术的高度融合。依据这些特点来确立该课程在整个专业培养体系中的地位与作用，并明确对达成学生培养目标的能力要求。根据工程教育专业认证（华盛顿协议）对学生素质的12点要求[7]，结合本实验课程的特点，设计制定课程目标如下：

课程目标1——系统掌握模具CAD/CAE/CAM方向的专业知识，具备应用这些知识分析、解决实际模具CAD/CAE/CAM复杂问题的技能。

课程目标2——掌握常用材料成型及控制工程装备、实验仪器的工作原理、操作方法，具备调控装备及仪器参数的能力，合理实施成型零件及模具设计的研究方案。

课程目标3——能够应用材料成型基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，获得有效的结论。比如板料弯曲塑性力学分析、板料弯曲回弹产生的原因等。

课程目标4——掌握模具CAD/CAE/CAM方向重要资料来源及获取方法（文献检索、资料查询、现代网络搜索工具的使用等）;具备应用各类文献、信息及资料进行模具CAD/CAE/CAM方向问题分析的能力;应用现代计算机技术，掌握材料成型及控制复杂工程的主流软件进行建模、预测、模拟与优化方法，并理解其局限性。

课程目标5——了解模具CAD/CAE/CAM方向的国内外的技术现状，具备一定的国际视野;能够应用现代工具撰写实验设计文稿、实验报告。表1为课程目标与毕业要求对应矩阵图。

三、教学方式

从开始自主选择成形件的实验模块开始，直至实验结束的整个过程，学生是教学的主体及主要参入者，教师作为引导者，引导学生在“做中学”，这种以学生为中心的教育理念，不仅极大地激发了学生的学习热情，而且使其知识、技能内化，有利于学生创造能力的培养。鉴于《模具CAD/CAE/CAM综合实验》课程所涉及的知识综合性强，知识密集，学时少，训练量大等特点，可利用师生个人通讯终端，采用翻转课堂的教学方法[8-9]，即由任课教师提供以视频为主要形式的学习资源，把知识的传授过程从课堂翻转到课下，课堂大部分时间用于教学答疑、学生与学生的交流、学生与教师的交流、学生实验小组的协调合作等。

四、学业评价

学生的实验课程考核评价是教学活动的重要环节，作为学生实验过程的导向，不仅可以检验、监督大型综合实验的过程及其执行情况，而且也是衡量教学目标是否达到的重要依据，同时还应兼顾对学生整体水平与个体差异、个人能力锻炼与团队精神方面的考查。依据实验内容、实验教学效果以及多个实验环节上学生的表现，实验课程考核及评价细则如下：

（一）实验预习

按教学目标1要求，依据学生实验预习情况，按10%计入课程总成绩。

（二）上课表现

按教学目标2要求，根据学生实验预约出勤率、实验纪律及互动情况，视其对课程学习的态度及积极程度，按10%计入课程总成绩。

（三）操作能力

按教学目标3要求，根据学生在实验中现场操作技能水平表现，是否违章操作等，按15%计入课程总成绩。

（四）数据记录

按教学目标4要求，根据学生实验过程中记录实验数据的完整程度、数据的真实性、规范性、合理性等，按15%计入课程总成绩。

（五）实验报告

按教学目标5要求，根据学生的实验报告完成情况及质量，视其对课程知识理解、掌握情况，按50%计入总成绩。

五、结束语

基于CDIO工程教育模式所构建的“模具CAD/CAE/CAM综合实验”，以从成形件的数字模型到成形件实物的全过程为载体，实现了材料成形件的三维造型、模具CAD/CAE/CAM、成形件的物理模拟等一体化的教学实验，既提高了实验的综合程度，又提高了教学实验效率。

整个实验教学环节，以学生为中心，讓学生“做中学”，极大地激发了学生的学习热情，使其学习知识、技能内化，也培养了学生自主学习、自主管理、自主服务的意识与能力。

该课程的实施，加强了实验教学软、硬条件建设，推进了信息技术与材料成形课程的深度融合，优化了课程教学内容，促进了教学手段和方法的现代化。

该课程的实施，解决了华中科技大学材料成型及控制工程专业2015年工程教育专业第一次论证中存在的“实

验综合性不够，对学生综合运用所学知识解决实际问题能力训练偏弱”的问题，在2018年6月进行的该专业工程教育专业第二次论证中，该课程成为综合性实验教学的一大亮点，受到专家组好评。该实验课程对于探索实验教学的新机制、新模式、新方法，培养学生解决复杂工程问题能力及综合创新能力等方面具有推广应用价值。

参考文献：

[1]顾佩华，沈民奋，李升平，等.从CDIO到EIP-CDIO：汕头大学工程教育与人才培养模式探索[J].高等工程教育研究，2008（1）：12-19.

[2]郭瑞波，王梦菊.基于CDIO理念的数据结构课程体系研究与实践[J].实验技术与管理，2016（10）：213-215.

[3]檀盼龙，邵欣，张建新，等.基于CBE+CDIO理念的工业机器人技术实训项目设计[J].实验技术与管理，2018（11）：189-193.

[4]张磊，王辉，冯文龙，等.EC-CDIO电子商务人才培养模式的构建[J].高等工程教育研究，2019（1）：196-199.

[5]段庆茹，阚连宝，吴国忠.CDIO教育模式中国化研究述评[J].黑龙江高教研究，2012（10）：33-37.

[6]俞彦勤，刘辉，邹佳鹏.模具CAD/CAE/CAM一体化教学实验研究[J].实验技术与管理，2019（3）：210-213.

[7]王孙禺，孔钢城，雷环.《华盛顿协议》及其对我国工程教育的借鉴意义[J].高等工程教育研究，2007（1）：10-15.

[8]孙肖霞，唐友亮.翻转课堂模式下的模具CAD/CAE/CAM教学研究及应用[J].高教学刊，2017（7）：45-47.

[9]潘炳超.翻转课堂模式应用于高校教学的实验研究[J].电化教育研究，2015（3）：83-87.

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