基于UGNX軟件的機械CAD應(yīng)用課程教學(xué)改革研究論文
1 引言
計算機輔助設(shè)計(Computer Aided Design，CAD)是指設(shè)計人員借助計算機進行設(shè)計的方法。CAD 技術(shù)能極大地提高設(shè)計質(zhì)量，減輕設(shè)計人員的勞動，縮短設(shè)計周期，降低產(chǎn)品成本，為開發(fā)新產(chǎn)品和新工藝創(chuàng)造了有利條件。同樣，CAD 應(yīng)用技術(shù)是數(shù)字化、信息化制造技術(shù)的基礎(chǔ)，是實現(xiàn)信息化和工業(yè)化融合的重要支撐技術(shù)。因此，通過課程改革和創(chuàng)新使學(xué)生更好地掌握CAD 技術(shù)，提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量，滿足行業(yè)和社會對人才的需要是目前機械工程專業(yè)亟需解決的問題之一。
2 傳統(tǒng)“機械CAD 應(yīng)用”課程授課現(xiàn)狀與教學(xué)改革的必要性
2.1 “機械CAD 應(yīng)用”課程授課現(xiàn)狀
目前很多高校的“機械CAD 應(yīng)用”課程教學(xué)還不能滿足企業(yè)對人才的需求。一方面企業(yè)需要能夠在生產(chǎn)一線從事設(shè)計、制造、檢測等的工程應(yīng)用型人才，具備應(yīng)用相關(guān)技術(shù)解決實際工程問題的動手能力;另一方面很多學(xué)校的“機械CAD 應(yīng)用”課程教學(xué)通常采用傳統(tǒng)的“以教師講授為主”的教學(xué)方式，缺少課堂教學(xué)理論與實踐相結(jié)合的機會，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，實踐能力較差。同時，學(xué)校教學(xué)內(nèi)容和企業(yè)需求有較大的脫節(jié)，“機械CAD 應(yīng)用”課程一直以來首選AUTOCAD 軟件講解機械制圖相關(guān)的知識，學(xué)習(xí)二維操作為主，應(yīng)用方向有局限。因此，如何在注重理論教學(xué)的基礎(chǔ)上對“機械CAD 應(yīng)用”課程進行改革，增加學(xué)生實踐機會和與企業(yè)接軌的項目鍛煉、提高動手能力是目前“機械CAD 應(yīng)用”課程教學(xué)中亟需解決的問題。無錫太湖學(xué)院在2010 年以前，“機械CAD 應(yīng)用”課程主要以AutoCAD 為主進行講解，以講解軟件命令的形式，上機練習(xí)抄不同難度的圖，這種教學(xué)方式勉強能夠提高學(xué)生的二維制圖能力，但是制圖規(guī)范、機械專業(yè)知識很難結(jié)合到教學(xué)中去，這導(dǎo)致學(xué)生會用軟件但不會機械設(shè)計。2012 年以后，該校為增加學(xué)生對繪圖軟件CAD 應(yīng)用的技能(二維和三維)，滿足大四學(xué)生畢業(yè)設(shè)計對軟件使用的需要，“機械CAD 應(yīng)用”課程除了講AutoCAD 平面部分以外，另外安排了一半時間用UG NX 軟件講解三維部分。這樣雖然學(xué)生學(xué)習(xí)了兩種軟件，但由于課時有限，不可能深入學(xué)習(xí)，導(dǎo)致平面和三維都會一點，但都不精。
2.2 傳統(tǒng)“機械CAD 應(yīng)用”教學(xué)改革的必要性
為解決上述問題，該校從2014 年開始用UG NX軟件來實施教學(xué)，不僅注重學(xué)生的三維建模能力，還注重其應(yīng)用能力的拓展。UG 軟件有非常完整的數(shù)字化設(shè)計模塊可以兼顧二維制圖要求，所以不存在不會設(shè)計二維圖紙的問題。近年來企業(yè)行業(yè)設(shè)計模式也發(fā)生變化，雖然中小企業(yè)還是以二維為主，但有不少大型公司已經(jīng)很少用或不用AutoCAD，如：中航工業(yè)集團副總工程師楊偉主持創(chuàng)立了全新的基于完全產(chǎn)品數(shù)字化定義的全數(shù)字化飛機研發(fā)體系，實現(xiàn)了飛機完全無紙化設(shè)計、完全無紙化制造、多屬性面向全生命周期的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、跨地域的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計環(huán)境等，徹底變革了飛機的研發(fā)模式、流程與體系，在國內(nèi)首次實現(xiàn)全三維數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)，將某新機的試制周期較殲10 和美國F-22 縮短了2/3。在實際教學(xué)中，要結(jié)合課程教學(xué)目的，圍繞提高學(xué)生實踐能力的目標，采用目前國際主流的高端軟件作為教學(xué)和實踐平臺，如：CAXA，UG NX，CATIA，Pro/E，Solidworks，MastCAM，ANSYS 等，使相關(guān)理論能夠以直觀的形式、簡單的操作及完整豐富的內(nèi)容展現(xiàn)給學(xué)生。
3 “機械CAD 應(yīng)用”課程教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容探討
3.1 “機械CAD 應(yīng)用”課程教學(xué)方法探討
傳統(tǒng)的“機械CAD 應(yīng)用”的教學(xué)通常以灌輸式的講授為主，內(nèi)容主要是用AutoCAD 完成工程制圖、講解制圖規(guī)范和簡單的機械零件設(shè)計舉例，學(xué)生不可避免地感到枯燥。根據(jù)筆者的教學(xué)經(jīng)驗，結(jié)合學(xué)生的特點，為提高本科學(xué)生各種CAD 應(yīng)用能力，需進行教學(xué)方法的改革和創(chuàng)新，突出學(xué)生的主體意識和個性，培養(yǎng)學(xué)生的參與意識，具體方法如下。
(1)講課時盡量避免填鴨式的命令講解，防止出現(xiàn)學(xué)生精通軟件操作，但專業(yè)知識缺乏的現(xiàn)象。故要做到理論知識夠用，突出動手操作環(huán)節(jié)，以提高學(xué)生的成就感和學(xué)習(xí)興趣。所有案例演示實時進行，即老師演示時，學(xué)生同步看到老師的操作步驟，這樣可以實時溝通、講解疑難問題。
(2)使用項目教學(xué)方式教學(xué)，針對不同CAD 應(yīng)用目的，設(shè)置有特色的項目。由于在整個課程前期的教學(xué)主要目標是精通軟件的各個模塊，所以應(yīng)針對不同的應(yīng)用模塊設(shè)置對應(yīng)的項目。課程中后期主要是培養(yǎng)學(xué)生獨立完成項目的能力，所以根據(jù)產(chǎn)品的難易程度，設(shè)置由簡到繁的主題，讓學(xué)生參與項目制作過程，逐漸增強學(xué)生的自主創(chuàng)新意識。通過這樣的方法，學(xué)生對軟件操作的學(xué)習(xí)比灌輸式的講授更加扎實，在自主創(chuàng)新的過程中，學(xué)生更有成就，而且涌現(xiàn)了一批非常好的作品。
(3)項目實施時采用分組教學(xué)的方法。首先，由于該校一個教學(xué)班一般由兩個班一起上課，人數(shù)在55~65 人左右，布置項目練習(xí)很難做到一人一題。其次，一般項目練習(xí)一個人獨自實施很難在課堂上完成，通過分組細分任務(wù)可以保證在課堂中看到完成后的效果，這樣老師可以實時給出評價并提出問題和建議。所以考慮分組進行，使用這個方法后，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果有明顯提高，而且還帶動了一部分基礎(chǔ)差的學(xué)生。
(4)增加課外互動環(huán)節(jié)。除了課堂以外，還要重視課外時間的.交流和協(xié)調(diào)。如：建立QQ 群、微信群，在群里布置作業(yè)，溝通問題，了解學(xué)生學(xué)習(xí)情況等。這不僅增強了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也提高了學(xué)生做作業(yè)的效率和學(xué)生團隊合作的默契度。而且學(xué)生畢業(yè)后，老師還可以在群里了解學(xué)生畢業(yè)后主要從事哪些CAD 應(yīng)用相關(guān)的工作，對以后的教學(xué)改革、教學(xué)內(nèi)容更新提供一些參考。
3.2 “機械CAD 應(yīng)用”課程教學(xué)內(nèi)容的探討
從《中國制造2025》的路線圖中可以看到中國現(xiàn)在還處于工業(yè)2.X，還沒達到工業(yè)3.0，與德國工業(yè)4.0的差距相當大，所以中國要在2025 年之前走“工業(yè)2.0補課、工業(yè)3.0 普及、工業(yè)4.0 目標”這樣的路線。從中可以發(fā)現(xiàn)“機械CAD 應(yīng)用”這門課程，最需要做的就是從傳統(tǒng)的二維到未來的全三維數(shù)字化設(shè)計，這是當前和今后重點需要發(fā)展的方向。所以作為應(yīng)用型本科也要在《中國制造2025》發(fā)展中，找到自己的定位，抓住主流方向，把數(shù)字化設(shè)計這個重點在“機械CAD 應(yīng)用”課程中體現(xiàn)出來。NX 軟件的數(shù)字化設(shè)計功能非常強大，它提供了在設(shè)計和制造的不同階段之間無縫移動的工具，并且將整個周期整合起來。設(shè)計師可以借助無縫交換功能來選擇線框、曲面、實體參數(shù)或直接建模技術(shù)。借助NX 中的同步建模技術(shù)，在創(chuàng)建和編輯幾何體時能夠享受無與倫比的速度和易用性，甚至可以使用在其他CAD 系統(tǒng)上創(chuàng)建的模型。NX 包含強大的裝配體設(shè)計工具，其卓越的性能和能力使用戶能夠在完整的裝配體環(huán)境中進行交互式操作，即使是最復(fù)雜的模型也能勝任。集成式工業(yè)設(shè)計借助高級自由曲面建模、形狀分析、渲染和可視化工具，NX 能夠交付專用工業(yè)設(shè)計系統(tǒng)的全部功能，還可提供與NX 設(shè)計、仿真和制造功能的完整集成等功能。所以UG NX 與傳統(tǒng)AutoCAD 相比有相當多的優(yōu)勢：將設(shè)計時間縮短30%以上;推出更多新產(chǎn)品;通過重用提高團隊生產(chǎn)效率;無縫處理來自其他CAD 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。
下面探討的教學(xué)內(nèi)容也是基于NX 軟件平臺進行的。在UG NX 平臺，結(jié)合數(shù)字化設(shè)計思路及現(xiàn)代企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計流程來設(shè)置內(nèi)容，盡量做到讓學(xué)生能學(xué)到實用的技能，滿足企業(yè)的要求。
(1)扎實基礎(chǔ)。選取典型零件將其草圖設(shè)計、三維建模及工程圖設(shè)計三者結(jié)合到一起，以提高軟件的基本操作和培養(yǎng)全三維軟件實施工程圖為目標設(shè)置教學(xué)項目。具體步驟為：軟件介紹、三維建模思維、流程介紹、項目演示和學(xué)生練習(xí)，通過5~6 周的實戰(zhàn)，實現(xiàn)從有參考圖紙時，精確繪圖，到無參考圖紙，概念設(shè)計和簡單產(chǎn)品設(shè)計。
(2)加強與企業(yè)接軌，設(shè)置適合企業(yè)設(shè)計流程的項目。選取典型機器或部件，將所學(xué)的基礎(chǔ)知識和裝配設(shè)計結(jié)合起來，通過2~3 周的實戰(zhàn)，提高學(xué)生對一個完整機器的功能分析、裝配關(guān)系分析，了解零件設(shè)計與裝配之間的協(xié)作關(guān)系，鍛煉學(xué)生綜合運用機械專業(yè)知識的能力，將理論知識有用武之地及獲得成就感。
(3)加強零件或裝配的后處理能力。選取典型機構(gòu)將裝配與運動仿真、有限元分析等結(jié)合起來設(shè)置教學(xué)項目，通過1~2 周的實戰(zhàn)，鍛煉學(xué)生的科學(xué)研究和分析問題的能力。
(4)設(shè)置主題形式的產(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計任務(wù)，制定產(chǎn)品設(shè)計要求與考核指標點，學(xué)生開放式設(shè)計，自己找資料、構(gòu)思并完成作品，通過2~3 周的實戰(zhàn)，加強學(xué)生的創(chuàng)新和獨立思考能力。同時，老師可在所有作品中挑選比較優(yōu)秀的作品，由院團委以比賽的形式專門組織現(xiàn)場比賽，并由專家、老師和學(xué)生對作品進行評選，此方法可以明顯提高學(xué)生的積極性。最后以這些作品作為評定學(xué)生期末成績的一部分。為了鼓勵學(xué)生參加比賽，從一開始就宣傳和指導(dǎo)，以準確挑選出優(yōu)秀的學(xué)生參加全國3D 大賽等相關(guān)比賽，以賽促學(xué)。綜合上述可以看出，機械工程專業(yè)的學(xué)生在課程設(shè)計、實習(xí)、畢業(yè)設(shè)計等實踐中所需的CAD 應(yīng)用知識和技能都可以在以上四點中體現(xiàn)出來。通過這兩年的教學(xué)實踐，效果明顯，當然還要繼續(xù)努力，在不斷改進和更新項目中，積累經(jīng)驗，形成與企業(yè)行業(yè)接軌的案例庫。
4 結(jié)語
通過幾年的實踐，從該校的實際教學(xué)效果看，明顯提高了學(xué)生的機械CAD 應(yīng)用能力，比以前用AutoCAD學(xué)習(xí)更有興趣、理論與動手兼顧的更好。這對培養(yǎng)學(xué)生的機械CAD 設(shè)計能力和解決實際問題的能力起到了積極作用，為學(xué)生學(xué)好后續(xù)課程、從事工程設(shè)計工作打下了良好的基礎(chǔ)。但是教學(xué)改革涉及面很廣，社會的發(fā)展需要改革，科技的發(fā)展和學(xué)科的建設(shè)需要改革，老師的知識也要更新和改革，而且教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容和實踐教學(xué)的改革是相互聯(lián)系的，因此教學(xué)改革不會一蹴而就，它是一個逐步深化的長期過程。
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