基于UGNX軟件的機械CAD應用課程教學(xué)改革研究論文
1 引言
計算機輔助設計(Computer Aided Design，CAD)是指設計人員借助計算機進(jìn)行設計的方法。CAD 技術(shù)能極大地提高設計質(zhì)量，減輕設計人員的勞動(dòng)，縮短設計周期，降低產(chǎn)品成本，為開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品和新工藝創(chuàng )造了有利條件。同樣，CAD 應用技術(shù)是數字化、信息化制造技術(shù)的基礎，是實(shí)現信息化和工業(yè)化融合的重要支撐技術(shù)。因此，通過(guò)課程改革和創(chuàng )新使學(xué)生更好地掌握CAD 技術(shù)，提高人才培養的質(zhì)量，滿(mǎn)足行業(yè)和社會(huì )對人才的需要是目前機械工程專(zhuān)業(yè)亟需解決的問(wèn)題之一。
2 傳統“機械CAD 應用”課程授課現狀與教學(xué)改革的必要性
2.1 “機械CAD 應用”課程授課現狀
目前很多高校的“機械CAD 應用”課程教學(xué)還不能滿(mǎn)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(xiàn)從事設計、制造、檢測等的工程應用型人才，具備應用相關(guān)技術(shù)解決實(shí)際工程問(wèn)題的動(dòng)手能力;另一方面很多學(xué)校的“機械CAD 應用”課程教學(xué)通常采用傳統的“以教師講授為主”的教學(xué)方式，缺少課堂教學(xué)理論與實(shí)踐相結合的機會(huì )，導致學(xué)生學(xué)習興趣不高，實(shí)踐能力較差。同時(shí)，學(xué)校教學(xué)內容和企業(yè)需求有較大的脫節，“機械CAD 應用”課程一直以來(lái)首選AUTOCAD 軟件講解機械制圖相關(guān)的知識，學(xué)習二維操作為主，應用方向有局限。因此，如何在注重理論教學(xué)的基礎上對“機械CAD 應用”課程進(jìn)行改革，增加學(xué)生實(shí)踐機會(huì )和與企業(yè)接軌的項目鍛煉、提高動(dòng)手能力是目前“機械CAD 應用”課程教學(xué)中亟需解決的問(wèn)題。無(wú)錫太湖學(xué)院在2010 年以前，“機械CAD 應用”課程主要以AutoCAD 為主進(jìn)行講解，以講解軟件命令的形式，上機練習抄不同難度的圖，這種教學(xué)方式勉強能夠提高學(xué)生的二維制圖能力，但是制圖規范、機械專(zhuān)業(yè)知識很難結合到教學(xué)中去，這導致學(xué)生會(huì )用軟件但不會(huì )機械設計。2012 年以后，該校為增加學(xué)生對繪圖軟件CAD 應用的技能(二維和三維)，滿(mǎn)足大四學(xué)生畢業(yè)設計對軟件使用的需要，“機械CAD 應用”課程除了講AutoCAD 平面部分以外，另外安排了一半時(shí)間用UG NX 軟件講解三維部分。這樣雖然學(xué)生學(xué)習了兩種軟件，但由于課時(shí)有限，不可能深入學(xué)習，導致平面和三維都會(huì )一點(diǎn)，但都不精。
2.2 傳統“機械CAD 應用”教學(xué)改革的必要性
為解決上述問(wèn)題，該校從2014 年開(kāi)始用UG NX軟件來(lái)實(shí)施教學(xué)，不僅注重學(xué)生的三維建模能力，還注重其應用能力的拓展。UG 軟件有非常完整的數字化設計模塊可以兼顧二維制圖要求，所以不存在不會(huì )設計二維圖紙的問(wèn)題。近年來(lái)企業(yè)行業(yè)設計模式也發(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)品數字化定義的全數字化飛機研發(fā)體系，實(shí)現了飛機完全無(wú)紙化設計、完全無(wú)紙化制造、多屬性面向全生命周期的產(chǎn)品數據管理、跨地域的數字化協(xié)同設計環(huán)境等，徹底變革了飛機的研發(fā)模式、流程與體系，在國內首次實(shí)現全三維數字化設計制造技術(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(shí)際教學(xué)中，要結合課程教學(xué)目的，圍繞提高學(xué)生實(shí)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(shí)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(guān)的形式、簡(jiǎn)單的操作及完整豐富的內容展現給學(xué)生。
3 “機械CAD 應用”課程教學(xué)方法和教學(xué)內容探討
3.1 “機械CAD 應用”課程教學(xué)方法探討
傳統的“機械CAD 應用”的教學(xué)通常以灌輸式的講授為主，內容主要是用AutoCAD 完成工程制圖、講解制圖規范和簡(jiǎn)單的機械零件設計舉例，學(xué)生不可避免地感到枯燥。根據筆者的教學(xué)經(jīng)驗，結合學(xué)生的特點(diǎn)，為提高本科學(xué)生各種CAD 應用能力，需進(jìn)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(gè)性，培養學(xué)生的參與意識，具體方法如下。
(1)講課時(shí)盡量避免填鴨式的命令講解，防止出現學(xué)生精通軟件操作，但專(zhuān)業(yè)知識缺乏的現象。故要做到理論知識夠用，突出動(dòng)手操作環(huán)節，以提高學(xué)生的成就感和學(xué)習興趣。所有案例演示實(shí)時(shí)進(jìn)行，即老師演示時(shí)，學(xué)生同步看到老師的操作步驟，這樣可以實(shí)時(shí)溝通、講解疑難問(wèn)題。
(2)使用項目教學(xué)方式教學(xué)，針對不同CAD 應用目的，設置有特色的項目。由于在整個(gè)課程前期的教學(xué)主要目標是精通軟件的各個(gè)模塊，所以應針對不同的應用模塊設置對應的項目。課程中后期主要是培養學(xué)生獨立完成項目的能力，所以根據產(chǎn)品的難易程度，設置由簡(jiǎn)到繁的主題，讓學(xué)生參與項目制作過(guò)程，逐漸增強學(xué)生的自主創(chuàng )新意識。通過(guò)這樣的方法，學(xué)生對軟件操作的學(xué)習比灌輸式的講授更加扎實(shí)，在自主創(chuàng )新的過(guò)程中，學(xué)生更有成就，而且涌現了一批非常好的作品。
(3)項目實(shí)施時(shí)采用分組教學(xué)的方法。首先，由于該校一個(gè)教學(xué)班一般由兩個(gè)班一起上課，人數在55~65 人左右，布置項目練習很難做到一人一題。其次，一般項目練習一個(gè)人獨自實(shí)施很難在課堂上完成，通過(guò)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(shí)時(shí)給出評價(jià)并提出問(wèn)題和建議。所以考慮分組進(jìn)行，使用這個(gè)方法后，學(xué)生的學(xué)習效果有明顯提高，而且還帶動(dòng)了一部分基礎差的學(xué)生。
(4)增加課外互動(dòng)環(huán)節。除了課堂以外，還要重視課外時(shí)間的.交流和協(xié)調。如：建立QQ 群、微信群，在群里布置作業(yè)，溝通問(wèn)題，了解學(xué)生學(xué)習情況等。這不僅增強了學(xué)生的學(xué)習興趣，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 應用相關(guān)的工作，對以后的教學(xué)改革、教學(xué)內容更新提供一些參考。
3.2 “機械CAD 應用”課程教學(xué)內容的探討
從《中國制造2025》的路線(xiàn)圖中可以看到中國現在還處于工業(yè)2.X，還沒(méi)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(xiàn)。從中可以發(fā)現“機械CAD 應用”這門(mén)課程，最需要做的就是從傳統的二維到未來(lái)的全三維數字化設計，這是當前和今后重點(diǎn)需要發(fā)展的方向。所以作為應用型本科也要在《中國制造2025》發(fā)展中，找到自己的定位，抓住主流方向，把數字化設計這個(gè)重點(diǎn)在“機械CAD 應用”課程中體現出來(lái)。NX 軟件的數字化設計功能非常強大，它提供了在設計和制造的不同階段之間無(wú)縫移動(dòng)的工具，并且將整個(gè)周期整合起來(lái)。設計師可以借助無(wú)縫交換功能來(lái)選擇線(xiàn)框、曲面、實(shí)體參數或直接建模技術(shù)。借助NX 中的同步建模技術(shù)，在創(chuàng )建和編輯幾何體時(shí)能夠享受無(wú)與倫比的速度和易用性，甚至可以使用在其他CAD 系統上創(chuàng )建的模型。NX 包含強大的裝配體設計工具，其卓越的性能和能力使用戶(hù)能夠在完整的裝配體環(huán)境中進(jìn)行交互式操作，即使是最復雜的模型也能勝任。集成式工業(yè)設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(zhuān)用工業(yè)設計系統的全部功能，還可提供與NX 設計、仿真和制造功能的完整集成等功能。所以UG NX 與傳統AutoCAD 相比有相當多的優(yōu)勢：將設計時(shí)間縮短30%以上;推出更多新產(chǎn)品;通過(guò)重用提高團隊生產(chǎn)效率;無(wú)縫處理來(lái)自其他CAD 系統的數據。
下面探討的教學(xué)內容也是基于NX 軟件平臺進(jìn)行的。在UG NX 平臺，結合數字化設計思路及現代企業(yè)產(chǎn)品設計流程來(lái)設置內容，盡量做到讓學(xué)生能學(xué)到實(shí)用的技能，滿(mǎn)足企業(yè)的要求。
(1)扎實(shí)基礎。選取典型零件將其草圖設計、三維建模及工程圖設計三者結合到一起，以提高軟件的基本操作和培養全三維軟件實(shí)施工程圖為目標設置教學(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，通過(guò)5~6 周的實(shí)戰，實(shí)現從有參考圖紙時(shí)，精確繪圖，到無(wú)參考圖紙，概念設計和簡(jiǎn)單產(chǎn)品設計。
(2)加強與企業(yè)接軌，設置適合企業(yè)設計流程的項目。選取典型機器或部件，將所學(xué)的基礎知識和裝配設計結合起來(lái)，通過(guò)2~3 周的實(shí)戰，提高學(xué)生對一個(gè)完整機器的功能分析、裝配關(guān)系分析，了解零件設計與裝配之間的協(xié)作關(guān)系，鍛煉學(xué)生綜合運用機械專(zhuān)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。選取典型機構將裝配與運動(dòng)仿真、有限元分析等結合起來(lái)設置教學(xué)項目，通過(guò)1~2 周的實(shí)戰，鍛煉學(xué)生的科學(xué)研究和分析問(wèn)題的能力。
(4)設置主題形式的產(chǎn)品創(chuàng )意設計任務(wù)，制定產(chǎn)品設計要求與考核指標點(diǎn)，學(xué)生開(kāi)放式設計，自己找資料、構思并完成作品，通過(guò)2~3 周的實(shí)戰，加強學(xué)生的創(chuàng )新和獨立思考能力。同時(shí)，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(zhuān)門(mén)組織現場(chǎng)比賽，并由專(zhuān)家、老師和學(xué)生對作品進(jìn)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(jì)的一部分。為了鼓勵學(xué)生參加比賽，從一開(kāi)始就宣傳和指導，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(zhuān)業(yè)的學(xué)生在課程設計、實(shí)習、畢業(yè)設計等實(shí)踐中所需的CAD 應用知識和技能都可以在以上四點(diǎn)中體現出來(lái)。通過(guò)這兩年的教學(xué)實(shí)踐，效果明顯，當然還要繼續努力，在不斷改進(jìn)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 結語(yǔ)
通過(guò)幾年的實(shí)踐，從該校的實(shí)際教學(xué)效果看，明顯提高了學(xué)生的機械CAD 應用能力，比以前用AutoCAD學(xué)習更有興趣、理論與動(dòng)手兼顧的更好。這對培養學(xué)生的機械CAD 設計能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力起到了積極作用，為學(xué)生學(xué)好后續課程、從事工程設計工作打下了良好的基礎。但是教學(xué)改革涉及面很廣，社會(huì )的發(fā)展需要改革，科技的發(fā)展和學(xué)科的建設需要改革，老師的知識也要更新和改革，而且教學(xué)方法、教學(xué)內容和實(shí)踐教學(xué)的改革是相互聯(lián)系的，因此教學(xué)改革不會(huì )一蹴而就，它是一個(gè)逐步深化的長(cháng)期過(guò)程。
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