機械“專業模塊設計+ CAD/CAM 實訓”綜合訓練模式的探索與實踐

李家學，伍先明，于兆勤，劉明迪

（廣東理工學院智能制造學院，廣東 肇慶 526000）

0 引言

機械CAD/CAM 技術作為杰出的工程技術成就，已被廣泛應用于工程設計及制造的各個領域，深刻影響了產品設計方法與生產制造模式[1]。在制造業數字化、網絡化和智能化背景下，高校需要完善多層次多類型人才培養體系與育人機制，從而培養我國制造業急需的技術技能型專業人才[2]?！癈AD/CAM 實訓”課程是機械設計類專業的一門校內實踐必修課，用以驗證、鞏固和補充課堂教授相關理論知識。目前，很多教學團隊針對“CAD/CAM 實訓”課程進行了教學改革研究。俞彥勤等提出模具CAD/CAE/CAM 一體化實驗教學體系，實現從沖壓件的數字模型到零件實物全過程的實驗教學[3]；夏紅梅等基于企業產品開發過程提出機械CAD/CAE/CAM綜合訓練方法，提高了學生的學習興趣[4]；耿冬妮等探索了3D 打印—鑄造模塊交叉融合開放實訓的教學模式，使用三維建模、3D 打印、熔模鑄造等技術進行金屬材質的產品制造[5]。

為了更好地提高學生的知識整合與實踐動手能力，培養學生的專業技能與綜合職業素質，加強學生的團隊協作意識和協調溝通能力，豐富CAD/CAM實訓教學模式，切實可行地讓學生綜合運用所學的理論知識和專項技能在校內集中進行實踐性、綜合性和系統化產品設計及加工訓練，本文探究了機械“專業模塊化設計+ CAD/CAM實訓” 的綜合訓練教學模式。

1 機械CAD/CAM 實訓教學存在的問題

“CAD/CAM實訓” 課程是機械設計類專業學生先修完“機械制圖”“機械設計基礎”“機械設計”等理論課程并完成“金工實習”“機械制圖與測繪”“機械制造工藝學課程設計”等實訓課程后開設的一門綜合性實訓課程。意圖通過該實訓課程使學生能綜合運用所學專業知識完成簡單產品從設計到零件加工、裝配的整體過程，鍛煉學生解決實際工程問題的能力。但在目前的教學過程中存在一定的不足，從時間、教師、學生和設備四方面進行分析如下。

（1）實訓時間短，任務重。目前，大部分院校開設為期1～2 周的“CAD/CAM 實訓”課程，由于時間較短，學生根據設計任務最大程度上僅能完成三維建模與裝配、二維圖紙繪制、零件虛擬加工和設計說明書撰寫，無法對所設計零件進行實際加工與裝配。導致實訓理論性強，實踐性較為薄弱，很難提高學生的知識整合與實踐動手能力，不利于培養學生的專業技能與綜合職業素質。

（2）教師教學方式單一。傳統的CAD/CAM實訓教學模式是以教師講解與輔導為中心，學生被動接受老師傳授的設計方法與所布置的設計任務，在整個設計過程中只有少數學生會積極主動向老師提出疑問，課堂氣氛較為沉悶，學生學習興趣不高，很難提出較有創新性的見解。

（3）學生知識體系碎片化、團隊意識薄弱[6]。學生在進行CAD/CAM實訓之前通過兩年半的時間學習了大量的本專業理論和實訓課程，受碎片化時代的影響，學生習慣碎片知識的學習，另外因學生個人喜好的影響，對感興趣的內容愿意學習和參與，不感興趣的內容選擇逃避，致使基礎知識不牢固，從而導致學生設計之初毫無思路，后期遞交設計資料錯誤較多。另外學生的協調能力相對較弱、團隊精神欠缺已經成為學生素質方面的短板。

（4）實訓人均設備不足[7]。受實訓設備和實訓空間所限，導致不能使每一個學生充分接觸實訓設備，從而減少了學生獨立操作時間，影響教學效果。

2 綜合訓練模式確立

基于以上CAD/CAM 實訓教學中存在的問題，廣東理工學院智能制造學院教師于2018 年開始結合現有教學實際情況，進行實訓教學改革和探究，提出將原實訓教學改成為期4 周的團隊式“專業模塊設計+CAD/CAM實訓” 綜合訓練?！皩I模塊設計”部分主要讓學生在明確設計任務的基礎上完成一套機械產品總體設計，并且完成技術文件的編寫，使學生掌握機械產品的正確設計方法和設計思路，提高工藝分析和制定能力，加強設計計算、三維建模、CAD 繪圖和編寫技術文件的能力?！癈AD/CAM實訓”部分是在專業模塊設計的基礎上進行所有待加工零件的虛擬加工，驗證加工工藝和程序的正確性，最后進入實訓車間完成零件加工與整機裝配，從而培養學生工程實踐能力，提高學生的專業技能與綜合職業素質。

3 綜合訓練模式教學體系與實踐

綜合訓練教學模式主要體現在團隊組建、訓練內容、考核方式和訓練拓展四個方面，如圖1 所示。學生依次通過團隊人員組合、團隊運作、專業模塊設計、CAD/CAM 實訓、自主學習、互動交流、獨立實訓操作、技術資料撰寫和產品實物加工等綜合訓練流程，在這個過程中不僅提高了學生的知識整合與實踐動手能力，培養學生的專業技能與綜合職業素質，而且強化了學生的自主學習與文獻閱讀及撰寫能力，加強了學生的團隊協作意識和協調溝通能力。挑選科技含量高且具有創新性的作品讓學生參加科技競賽，從而培養學生的創新精神及能力，開闊學生眼界。另外通過該綜合訓練可以為后期學生畢業設計的課題研究與論文撰寫打下良好的基礎。

圖1 綜合訓練的教學模式

3.1 團隊組建

團隊組建主要包括人員結構和團隊運作兩部分內容。合理的人員結構能夠使團隊成員之間取長補短且共同進步，有助于提高工作效率和工作質量，在綜合訓練之初學生按照以下原則進行自由組建團隊：（1）相同的設計目標，綜合訓練的設計任務具有多樣性，學生需基于同種類型的設計題目進行人員組合，保證設計目標一致；（2）考慮能力互補，該綜合訓練需要熟練掌握機械設計、技術文件撰寫、CAD 建模與繪圖、CAM 零件虛擬加工和零件加工與裝配的人員，組建團隊時應考慮人員知識、技能和經驗等方面互補，發揮出“1+1＞2”的協同效應；（3）分工明確，明確的分工使學生知道自己需要完成的工作內容及應當承擔的責任范圍，有助于提高學生的工作積極性，提高工作效率。

3.2 訓練內容

該綜合訓練內容主要包含專業模塊設計與CAD/CAM實訓兩部分，訓練周期為4 周，每一部分2 周時間。在保證整個綜合訓練連續進行的情況下，最大限度地讓學生完成從產品設計到最終實物裝配整個流程。實訓的具體步驟分為設計任務的確定、專業模塊設計、CAD/CAM 實訓和產品驗收四步，并且通過三審核制保證實訓任務的正確完成度，使得實訓順利進行，具體流程如圖2 所示。

圖2 綜合訓練具體流程

學生可以選擇教師擬定好的夾具類、模具類或教師科研類項目，還可以根據個人興趣自行擬定項目，通過教師審核后，確定設計任務。這樣既保證了設計任務的多樣性和創新性，利于學生選擇適合自己的題目，又通過教師的嚴格審核，保障學生所選任務的可行性，從而保證了綜合訓練的順利開展與進行。

設計任務確定后進行專業模塊設計，該內容主要包括方案設計、技術設計、CAD 三維建模與繪圖、編寫技術文件。方案設計對產品設計的成敗起關鍵作用，在處理好借鑒與創新關系的基礎上，首先對產品功能進行分析，確定出功能參數，其次提出多種不同的產品設計方案，在技術、經濟和環保等方面進行綜合評價，最后確定一個最優方案。技術設計階段的目標是設計總裝配草圖和部件裝配草圖，通過對產品的運動學設計、動力學計算、零件的工作能力設計確定產品零部件之間的連接方式，零部件的外形及基本參數，并完成主要零件的校核。然后對產品零件進行三維建模與裝配，并且生成二維工程圖，對設計階段進行充分的可行性分析與驗證。最后學生整理并編寫技術文件，并交予老師進行二次審核，確定設計方案的可行性與創新性，技術設計階段的理論計算結果和零部件的外形及基本參數的正確性，檢查三維模型與二維圖紙中可能隱藏的尺寸和結構錯誤。

專業模塊設計完成后開始進行CAD/CAM 實訓，該內容包括零件及裝配工藝的設計、CAM零件虛擬加工、機械零件加工及產品裝配。零件加工工藝的內容主要包括：選擇毛坯，擬定加工路線，確定各工序加工余量，計算工序尺寸及公差等。裝配工藝的制定對產品生產率和生產成本有著重要的影響，首先確定裝配方法與裝配組織形式，其次劃分裝配單元和確定裝配順序，最后設計與劃分裝配工序并制定裝配工藝文件。工藝完成后采用CAM 計算機輔助制造軟件進行零件虛擬加工并生成復雜零件加工程序。此時，老師進行三次審核，檢驗學生制定的零件加工及裝配工藝的合理性與可行性，確定學生編寫程序的正確性。在零件加工前由實訓教師對學生進行安全培訓，學生牢記在整個加工過程中需要注意事項，然后學生在實訓教師的指導與幫助下進行零件加工與產品裝配。

最后，由指導教師與實訓教師共同進行產品驗收與點評。按照機械產品驗收標準，主要檢驗產品外觀是否整潔、美觀，產品結構是否完好齊全，工作裝置是否運轉靈活，安全防護裝置是否安全可靠，技術資料是否齊全。針對產品的功能性、創新性、產品完成度、技術資料的撰寫，依次進行點評，在肯定學生辛勤工作和產品優點的基礎上，提出產品的不足和改進方法，讓學生得到肯定的同時，能夠在本次綜合實訓發現自己的不足，及時進行自我改善。

3.3 考核方式與評價標準

結合成果導向OBE 教育理念制定綜合訓練考核辦法，考慮過程型、形成型產出，從團隊結構合理性、設計任務的難易程度、創新性、計算結果正確性、結構的復雜性、零件加工質量、技術資料完整規范性等多個角度評定學生的學習效果，制定多維度評價標準，如表1 所示。

表1 綜合訓練多維度評價標準

另外，為了促進成果交流，以班級為單位進行作品公開展示與現場答辯，規定一人主講，其余人員進行補充。規定每組答辯時間為20 分鐘，1～5 分鐘介紹團隊成員及分工，產品設計背景及意義，工作原理與設計思路，演示產品各項功能；6～10 分鐘闡述方案及技術設計重點內容，展示三維模型、設計說明書、工程圖紙、零件加工與裝配工藝文件；11～15 分鐘分享心得體會，進行技術交流；16～20分鐘老師與其他學生對答辯內容進行提問。最后由指導老師和實訓教師根據多維度評價標準為每一組同學的綜合訓練成果進行打分。

3.4 訓練拓展及成果

該綜合訓練通過6 年的實踐，約有800 名學生參與，共生產出198 件產品，其中夾具類86 件，模具63 件，其他產品49 件。通過機械“專業模塊設計+CAD/CAM實訓”綜合訓練不僅提高學生的知識整合與實踐動手能力，培養學生的專業技能與綜合職業素質，加強了學生的團隊協作意識和協調溝通能力，而且對學生參加科技競賽、畢業設計和企業綜合實習均起到非常重要的促進作用。通過對14 級至19 級學生的追蹤調查，發現近幾年參加科技競賽的人數及作品質量均有提高，學生畢業論文撰寫水平與論文質量均有提升，很多同學表示該綜合訓練對自己的企業綜合實習與目前工作均有幫助。

4 結束語

通過機械 “專業模塊設計+CAD/CAM實訓”綜合訓練模式的探索與實踐，實現了從產品設計到零件加工與裝配的全過程實訓教學，讓學生在真實情境中解決實際問題，提高了學生的專業技能與職業素養，為國家培養了大批的創新型、復合型、應用技術技能型人才。

整個實訓過程以學生為中心，教師輔助性指導，充分發揮了學生的主觀能動性。實訓內容工程性、實踐性強，實訓步驟編排合理，提高了學生的學習效率。該訓練教學模式對機械設計類綜合實訓教學具有一定的借鑒意義與參考價值。