以工程教育認證為導向的材料成形CAD-CAE-CAM課程教學改革探索

1、    以工程教育認證為導向的材料成形cad/cae/cam課程教學改革探索    汪炳叔+王晨+李強摘要：以工程教育認證為導向，文章分析了材料成形cad/cae/cam課程的現(xiàn)狀及存在問題，結(jié)合課程自身特點，主要從教學內(nèi)容、教學方式和考核方式三方面對課程進行初步改革探索，文章指出課程的教學改革要以學生為中心，充分考慮學生多樣化所帶來的個體差異性，培養(yǎng)學生的自主學習能力和創(chuàng)新實踐能力。關(guān)鍵詞：材料成形cad/cae/cam；工程教育認證；教學內(nèi)容；教學方式：g642.0 文獻標志碼：a ：1005-2909（2016）02-0040-04計算機輔助設(shè)計（

2、cad）、計算機輔助工程（cae）和計算機輔助制造（cam）是先進材料加工技術(shù)的重要組成部分。材料成形cad/cae/cam是材料科學與工程學科的一門專業(yè)課，涉及計算機、機械、材料及數(shù)學、力學等多學科知識，是課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等后續(xù)課程的重要基礎(chǔ)，也是一門與工程實踐密切相關(guān)的課程。該課程具有較強的綜合性，不僅要有扎實的專業(yè)理論基礎(chǔ)，還要求有一定的計算機軟件運用能力，學習難度較大，此外，新時期工程教育認證的實施，對培養(yǎng)計劃、課程體系構(gòu)建及課程建設(shè)提出了新的要求，材料成形cad/cae/cam課程的教學也要與時俱進，因此，有必要對該課程的教學內(nèi)容、教學方式和考核機制等環(huán)節(jié)進行改革探索，使之在工程教

3、育認證的導向下，適應(yīng)福州大學材料科學與工程學院（以下簡稱“我院”）的培養(yǎng)計劃和學科建設(shè)要求。一、材料成形cad/cae/cam課程改革的背景（一）中國工程教育認證2013年6月我國成為國際工程教育互認協(xié)議華盛頓協(xié)議的預備會員，這是促進我國由工程教育大國向工程教育強國轉(zhuǎn)變的重要轉(zhuǎn)折點。該認證旨在培養(yǎng)大量高素質(zhì)創(chuàng)新型工程技術(shù)人才，為國家在全球一體化發(fā)展趨勢下推進工業(yè)化進程，建設(shè)創(chuàng)新型國家服務(wù)1-3。工程教育專業(yè)認證的核心理念是以學生為中心，要求專業(yè)課程體系設(shè)置、師資隊伍配備、辦學條件配置等都圍繞學生能力培養(yǎng)這一核心任務(wù)展開4。福州大學是教育部首批“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的試點高校之一，也是國內(nèi)較

4、早開始進行本科工程教育認證的高校之一，在工程教育方面取得了一定的成果，具有較好的基礎(chǔ)條件。2014年以來，我院也積極開展工程教育認證的申請工作，對培養(yǎng)計劃和學科建設(shè)進行了相應(yīng)的調(diào)整和改進，因此，對材料成形cad/cae/cam課程建設(shè)也提出了新的要求。（二）材料成形cad/cae/cam課程現(xiàn)狀及改革需求材料成形cad/cae/cam課程是我院金屬方向的專業(yè)必修課之一，具有多學科交叉、實踐性和實用性強等特點，課程內(nèi)容主要介紹材料成形cad/cae/cam技術(shù)的基本概念、原理和方法，掌握cad三維造型技術(shù)和信息交換技術(shù)，cae數(shù)學建模技術(shù)和有限元模擬仿真技術(shù)，以及cam數(shù)控加工技術(shù)和數(shù)控編程技術(shù)

5、等在材料成形過程中的具體運用。傳統(tǒng)的教學方式重理論輕實踐，課程內(nèi)容側(cè)重于介紹cad/cae/cam的原理和方法，尤其是計算機的數(shù)據(jù)處理和數(shù)學建模及優(yōu)化理論等，而對使用具體的專業(yè)軟件進行計算機輔助設(shè)計和有限元模擬仿真分析的實踐偏少。對學生工程實踐能力和創(chuàng)新設(shè)計能力方面的培養(yǎng)效果不理想，解決實際工程問題的能力不夠。目前我院在工程教育認證導向下材料成形cad/cae/cam課程的建設(shè)目標為：培養(yǎng)學生運用cad/cae/cam技術(shù)解決實際工程問題的能力，使學生能綜合運用所學的基本理論分析問題、解決問題，將理論分析與工程實踐緊密聯(lián)系。對學生的培養(yǎng)目標具體而言有以下三點：（1）掌握數(shù)據(jù)分析軟件的使用，掌握

6、材料模擬方法的原理和模擬軟件的使用，能對研究數(shù)據(jù)進行分析并得到合理有效的結(jié)論。（2）能利用本專業(yè)所需的現(xiàn)代工具對材料復雜工程問題進行綜合分析、預測與模擬、制定解決方案并開展實施。（3）掌握基本的創(chuàng)新方法，具有較強的知識遷移能力，能將材料專業(yè)知識應(yīng)用于工程實踐進行創(chuàng)新研究。在工程教育認證導向下，對課程內(nèi)容的建設(shè)不僅要圍繞課程本身的性質(zhì)要求，也要結(jié)合學院的發(fā)展方向，這樣才能使材料成形cad/cae/cam課程在內(nèi)容建設(shè)和學生培養(yǎng)上更具特色和競爭力。此外，學院目前的本科畢業(yè)論文選題主要還是以實驗為主，而與工程實踐相關(guān)的設(shè)計類畢業(yè)設(shè)計較少，在新時期工程教育認證導向下，“材料成形cad/cae/cam”

7、課程定位就是為了提高學生的設(shè)計能力和實踐能力，可以為課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計打下良好基礎(chǔ)?；诖?，筆者認為有必要從課程的知識框架、教學內(nèi)容、教學手段和考試評價制度等方向進行相應(yīng)的調(diào)整和探索，期望能進一步提高學生的動手能力，培養(yǎng)具有工程素養(yǎng)的創(chuàng)新型人才。二、教學內(nèi)容的探索教學內(nèi)容的把握應(yīng)建立在我院培養(yǎng)計劃和課程教學目標的基礎(chǔ)上。隨著工程教育認證的實施以及專業(yè)培養(yǎng)計劃和目標的調(diào)整，課程學習重點不僅是學習基礎(chǔ)的cad/cae/cam知識，更在于將cad/cae/cam技術(shù)應(yīng)用于具體的材料成形工藝中。如何把cad/cae/cam技術(shù)的基礎(chǔ)知識和材料成形的具體工藝有機結(jié)合成為本課程教學的一個關(guān)鍵所在。原有的課

8、程教學內(nèi)容已無法滿足新時期培養(yǎng)具有工程素養(yǎng)的創(chuàng)新型人才的要求，因此需要對原有的教學內(nèi)容進行調(diào)整和優(yōu)化，具體從以下幾方面進行探索。（1）結(jié)合先修課程引入教學內(nèi)容。目前“材料成形cad/cae/cam”在大三下學期開設(shè)，此前學生已學習了材料科學基礎(chǔ)、機械設(shè)計原理和實踐、材料制備加工、材料力學性能、材料物理性能等課程，已具備了較為扎實的專業(yè)背景知識。然而，我院學生在數(shù)學建模、有限元模擬仿真等方面的知識有所欠缺，對如何把專業(yè)理論知識和現(xiàn)代工程設(shè)計理念結(jié)合，并通過相應(yīng)專業(yè)輔助軟件實施感到迷茫。因此，在教學時需增加有限元模擬仿真原理及方法，并結(jié)合已學習的專業(yè)基礎(chǔ)理論，使抽象的專業(yè)問題具體化、工程化。（2）

9、結(jié)合課時調(diào)整教學內(nèi)容。本課程原來的學時數(shù)為32學時，培養(yǎng)計劃調(diào)整后的學時數(shù)為40學時。教學內(nèi)容的調(diào)整既要突出課程要點又要易于學生理解和掌握。首先對以往的課程內(nèi)容進行補充和擴展，加強對材料成形cad技術(shù)在三維造型和建模方面的理論和工程應(yīng)用的介紹，加強材料成形cae技術(shù)在實際工程案例中的應(yīng)用。其次對教學內(nèi)容的框架進行整合，根據(jù)實際的工程應(yīng)用案例，闡述cad/cae/cam技術(shù)在材料成形中的典型應(yīng)用，包括液態(tài)成形、軋制成形、鍛造成形、熱處理、焊接、表面技術(shù)等工程應(yīng)用，將材料成形cad、材料成形cae與材料成形cam相銜接，形成一個有機的知識結(jié)構(gòu)體，更具邏輯性和工程實踐性。 （3）結(jié)合科研特色優(yōu)化教學

10、內(nèi)容。目前我院金屬方向的科研工作主要集中在高性能金屬結(jié)構(gòu)材料的制備、加工和表面處理方面，這些方向涉及凝固、塑性加工、焊接和表面處理等課程內(nèi)容。在教學內(nèi)容中將增加和擴展我院教師在基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用研究中的最新研究成果，介紹cad/cae/cam技術(shù)在材料成形中的新應(yīng)用。如在講授表面技術(shù)cae時，以李強老師研究的等離子噴涂課題為例，向?qū)W生講解等離子噴槍電弧、射流的非穩(wěn)態(tài)模擬，以及等離子噴涂涂層沉積過程累積應(yīng)力的數(shù)值模擬等。通過在教學內(nèi)容中結(jié)合我院教師的科研進展，可開闊學生視野，培養(yǎng)學生的專業(yè)興趣，達到了極好的教學效果。（4）結(jié)合工程教育特點加強軟件實踐教學。在教學內(nèi)容中，大幅增加專業(yè)軟件的實踐教學

11、，cad軟件主要以pro/e為主，cae軟件主要以ansys和msc.marc軟件為主，介紹cad和cae軟件在材料加工中的應(yīng)用，突出在工程問題中的軟件應(yīng)用能力培養(yǎng)。三、教學方式的探索材料成形cad/cae/cam課程涉及計算機、機械、材料等多學科知識交叉、滲透和融合，是實踐性較強的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，傳統(tǒng)的灌輸式、填鴨式教學方法無法達到預期的教學效果。此外，工程教育認證標準的核心理念首先是要以學生為中心，在課堂內(nèi)外給學生有力的引導，讓學生獲得較好的學習感受?；诖?，筆者認為課程教學方式改革可從以下幾方面進行探索。1.利用現(xiàn)代多媒體教學手段闡述學習難點和重點課程涉及大量的軟件操作和模擬結(jié)果分析，

12、傳統(tǒng)的板書式或ppt教學無法清晰生動地講解材料成形計算機模擬仿真實施過程。因此，課堂設(shè)置在學院的機房教室，保證學生每人都有一臺計算機進行操作和實踐。此外，在教學過程中，我們還收集大量的圖像、視頻、動畫等資源，將這些資源進行綜合運用，從而將復雜抽象的數(shù)學建模和有限元模擬等內(nèi)容形象生動地展現(xiàn)出來，有助于提高學生理解知識的效率。2.搭建網(wǎng)絡(luò)教學平臺，提高學生自主學習能力本課程內(nèi)容多，實踐性強，在有限的課堂學習時間內(nèi)很難掌握各種計算機輔助成形技術(shù)的方法和實踐。因此，本課程在福州大學現(xiàn)代教育技術(shù)中心搭建網(wǎng)絡(luò)教學平臺，方便學生在課堂之外進行自主學習，擴展知識。在該平臺上，設(shè)置了課程通知、答疑討論、作業(yè)在線

13、批改、教學課件、教學素材、視頻動畫等功能。此外，還將課程涉及的二維、三維模型構(gòu)建和材料成形有限元模擬仿真的實例放入該平臺，便于學生課后自主學習。3.采用互動式教學，關(guān)注學生差異性學生的知識累積程度和學習新知識的能力不同，有些學生理論知識水平較高，而有些學生實際計算機軟件操作能力較強。如何協(xié)調(diào)和關(guān)注學生學習的差異性是教學的難點。工程教育認證標準考慮的也是學生作為個體“人”的發(fā)展需要，重視學生的個體差異性。這就要求在教學時，采用互動式教學，多關(guān)注學習困難的學生。尤其是在軟件操作的環(huán)節(jié)，三維造型軟件的功能強大，造型方式多樣，可以針對學生的掌握情況進行差異性指導，而有限元模擬軟件在進行材料成形仿真模擬

14、時，因涉及的材料參數(shù)較多，有些還涉及原有的專業(yè)理論知識，不同學生理解的程度不同，需要教師在教學時，多跟學生進行互動，及時了解學生的掌握情況和存在的問題，提高班級整體學習效果?？傊剿黛`活多樣的教學方式，充分考慮學生個體的差異性，使教學從灌輸式轉(zhuǎn)向?qū)υ捠剑瑥姆忾]式走向開放式，從傳授知識轉(zhuǎn)變?yōu)榕囵B(yǎng)能力，從而提高整體教學質(zhì)量。四、考核方式的探索目前高校大部分課程對學生的評價辦法還是以期末閉卷或開卷理論考試為主，重理論、輕實踐，實踐能力是學生的薄弱環(huán)節(jié)。針對本課程的特點，搜集材料成形過程的實際問題建立案例庫，每道試題都以一個實際的案例來進行考核。試題的設(shè)置要按照課程建設(shè)所要求的標準進行，包括試題的

15、類型、內(nèi)容、難易程度、學生能力等方面。此外，因課程偏向于實踐教學，總成績由平時成績和期末成績構(gòu)成，平時成績占總成績的50%，包括作業(yè)、課堂討論、案例分析和課堂軟件實踐等成績。期末成績主要由大型綜合案例作業(yè)來評定。這樣既減輕了學生期末考試的負擔，又調(diào)動了學生平時學習的積極性，切實提高學生的實際動手能力。五、結(jié)語工程教育認證要求以學生為中心，通過評價所有學生的學習成果達成度來評價課程建設(shè)的有效性。在工程教育認證標準的導向下，我們對材料成形cad/cae/cam課程的教學內(nèi)容、教學方式和考核機制進行了探索，在培養(yǎng)學生自主獲得知識和應(yīng)用知識的實踐能力方面取得了較好的效果。但目前仍處于探索階段，在課程教學中還需進一步探索針對學生個體差異性的多樣化授課方式。參考文獻：1 王孫禺，