面向汽車數(shù)字化制造人才培養(yǎng)的汽車CAD/CAM課程建設(shè)

楊 敏，蔡隆玉，趙建平

（南京理工大學(xué)紫金學(xué)院，江蘇 南京210046）

汽車工業(yè)傳統(tǒng)上一直被人理解為機(jī)械工業(yè)、傳統(tǒng)工業(yè)，實(shí)際上不斷推陳出新的汽車產(chǎn)品一直是眾多高新技術(shù)的密集結(jié)晶。上世紀(jì)90年代中期以來(lái)，數(shù)字化設(shè)計(jì)與虛擬開發(fā)技術(shù)的應(yīng)用成為世界上各大汽車制造商開發(fā)技術(shù)的重要核心競(jìng)爭(zhēng)力之一。基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)仿真分析、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）及虛擬制造、虛擬樣機(jī)實(shí)驗(yàn)等汽車設(shè)計(jì)開發(fā)技術(shù)體系和流程，讓汽車產(chǎn)品從研發(fā)、工程設(shè)計(jì)、樣機(jī)試制到整車的工業(yè)化制造的產(chǎn)品生命周期都通過(guò)數(shù)字化的模型實(shí)現(xiàn)，節(jié)約了大量人力、物力成本，極大地縮短了研發(fā)周期。隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件水平的迅速提高，汽車的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)甚至虛擬制造都實(shí)現(xiàn)全面的數(shù)字化，汽車產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造過(guò)程積累的數(shù)據(jù)可以在很多車型開發(fā)過(guò)程中反復(fù)利用，成為整車開發(fā)知識(shí)工程的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的廣泛應(yīng)用迫切需要培養(yǎng)一批學(xué)習(xí)和掌握CAD/CAM技術(shù)原理、方法，并具有工程素養(yǎng)的技術(shù)人員，以適應(yīng)我國(guó)汽車工業(yè)向自主研發(fā)與創(chuàng)新方向發(fā)展的需求[1]。本文以培養(yǎng)數(shù)字化制造人才為出發(fā)點(diǎn)，分析了當(dāng)前課程中存在的問題，明確了課程目標(biāo)與定位，從教學(xué)內(nèi)容、課程群建設(shè)、師資配套、校企合作等多方面進(jìn)行了教學(xué)改革探索。

1 汽車CAD/CAM課程現(xiàn)狀

車輛工程專業(yè)面向汽車工業(yè)培養(yǎng)專業(yè)人才，但是作為機(jī)械工程專業(yè)的二級(jí)學(xué)科，其本科學(xué)生培養(yǎng)過(guò)程中仍然沿用工程制圖的平面圖設(shè)計(jì)體系作為基本技能。近年來(lái)為了適應(yīng)行業(yè)發(fā)展的需求，部分院校做出了一些相應(yīng)的改變，將CAD/CAM技術(shù)課程作為專業(yè)應(yīng)用技能列入專業(yè)選修課程。汽車工業(yè)的快速發(fā)展對(duì)數(shù)字化建模軟件技能型工程技術(shù)人員需求也不斷變化，課程的內(nèi)容也隨之發(fā)生變化，從將CAD/CAM技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)的概念講解逐步轉(zhuǎn)變到強(qiáng)調(diào)軟件應(yīng)用環(huán)節(jié)中。不少院校在該課程的教學(xué)內(nèi)容、方式等方面做了有益的改革和探索工作。通過(guò)這些教學(xué)改革探索，借助于軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)工程制圖課程中二維平面圖與三維空間實(shí)體之間的銜接[2，3]；在側(cè)重于計(jì)算機(jī)輔助制造的教學(xué)改革中，一些高等職業(yè)院校借助軟件實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品數(shù)字模型與數(shù)控編程的結(jié)合[4]；有些課程改革則強(qiáng)調(diào)先進(jìn)制造技術(shù)理論，引入工程項(xiàng)目背景作為演示案例，為學(xué)生建立了良好的理論基礎(chǔ)；還有一些強(qiáng)調(diào)應(yīng)用的本科院校，注重校企合作，形成以企業(yè)為主體、市場(chǎng)為導(dǎo)向、校企合作的CAD/CAM技術(shù)課程實(shí)踐創(chuàng)新體系[5]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)學(xué)生專業(yè)技能與企業(yè)需求的對(duì)接。課程內(nèi)容和授課形式的不斷改革與豐富，讓這門課成為一門綜合性課程[6]。

汽車CAD/CAM的課程面向具體的汽車工業(yè)產(chǎn)品，其所涉及的產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計(jì)與制造的全過(guò)程是數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的典型應(yīng)用，課程建設(shè)與教學(xué)過(guò)程中如何充分利用這一領(lǐng)域的特點(diǎn)值得教學(xué)工作者深入思考與探討。第一，汽車CAD/CAM技術(shù)的課程教學(xué)目標(biāo)需要明確，要把握“服務(wù)于提升教學(xué)質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)”這一戰(zhàn)略方向[7]，才能明確課程建設(shè)的內(nèi)容和教學(xué)的具體方法；第二，汽車工業(yè)是不斷發(fā)展的行業(yè)，因此對(duì)工具的應(yīng)用呈現(xiàn)多元化和集成化的趨勢(shì)。如何通過(guò)該課程教學(xué)過(guò)程讓學(xué)生理解和掌握CAD/CAM技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的作用及其蘊(yùn)含的工程思想，值得深入思考；第三，CAD/CAM技術(shù)的綜合性導(dǎo)致該課程教學(xué)實(shí)施過(guò)程中普遍出現(xiàn)課程的課時(shí)并不能滿足理論和實(shí)踐教學(xué)的需求；最后，工業(yè)技術(shù)與信息技術(shù)的融合使其內(nèi)涵和運(yùn)用的領(lǐng)域也不斷豐富，如何能夠做到讓課程教學(xué)符合汽車工業(yè)技術(shù)發(fā)展的需求，這也對(duì)課程建設(shè)提出了更高的要求。

2 汽車CAD/CAM課程的目標(biāo)與定位

2.1 課程目標(biāo)和主要任務(wù)

汽車CAD/CAM課程的教學(xué)改革，首先需要明確該門課程的目標(biāo)、主要任務(wù)和定位。CAD/CAM技術(shù)的特點(diǎn)在于借助計(jì)算機(jī)的圖形運(yùn)算實(shí)現(xiàn)了圖形的可視化、程序化和動(dòng)態(tài)化，其技術(shù)基礎(chǔ)是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和工程圖形學(xué)，課程承接了工程制圖的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)結(jié)果的數(shù)字化表達(dá)。課程的設(shè)置不僅應(yīng)當(dāng)“承前”更應(yīng)“啟后”。所謂“啟后”就是教學(xué)目的要關(guān)注與后續(xù)課程的銜接，甚至影響學(xué)生對(duì)專業(yè)方向的選擇。數(shù)字化制造是智能制造的核心，是產(chǎn)品生命周期管理中的重要環(huán)節(jié)。要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化制造在工程學(xué)科之間有效的、協(xié)同的支持作用，數(shù)字化模型成為了數(shù)字化制造的重中之重。數(shù)字化的產(chǎn)品模型是計(jì)算機(jī)輔助工程分析（CAE）和計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）的基礎(chǔ)，汽車工業(yè)的特點(diǎn)要求數(shù)字化模型的具有嚴(yán)格的規(guī)范性要求，借助完善的建模標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的物理系統(tǒng)信息化[8]。因此，課程的目標(biāo)和主要任務(wù)是為學(xué)生傳授運(yùn)用軟件準(zhǔn)確表達(dá)設(shè)計(jì)信息的思路和方法，培養(yǎng)適用于汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)的圖形數(shù)據(jù)運(yùn)用和管理的工程化設(shè)計(jì)的思想。

2.2 明確課程定位

課程的定位反映在專業(yè)知識(shí)體系中與其它課程的聯(lián)系。注重?cái)?shù)字化的CAD/CAM工具在汽車產(chǎn)品制造過(guò)程中發(fā)揮的作用，進(jìn)而明確課程的定位及其在培養(yǎng)方案中起到的作用，也就確定了與基礎(chǔ)課程和專業(yè)方向課程之間的關(guān)系。

經(jīng)過(guò)對(duì)車輛工程畢業(yè)生多年的跟蹤調(diào)查和對(duì)行業(yè)應(yīng)用與發(fā)展的調(diào)研，得出近年來(lái)在汽車設(shè)計(jì)與制造業(yè)需要掌握CAD/CAM技術(shù)的本科畢業(yè)生所參與的工程應(yīng)用領(lǐng)域，并據(jù)此建立工程應(yīng)用與基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程之間的聯(lián)系，如圖1所示。從圖中看出從工程制圖開始引入CAD技術(shù)建立數(shù)字化的產(chǎn)品模型；借助集成的軟件工具，結(jié)合專業(yè)基礎(chǔ)課程建立數(shù)字化的模型與制造工藝之間聯(lián)系；延伸公差與測(cè)量，通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量與反求的實(shí)踐課程建立逆向設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)；車身覆蓋件的數(shù)字化設(shè)計(jì)與工程材料、模具設(shè)計(jì)等課程有著緊密的聯(lián)系。為了滿足汽車工業(yè)的需求，專業(yè)軟件的集成度越來(lái)越高，甚至提供了產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)管理和基于知識(shí)工程的工具。顯然，這樣的專業(yè)軟件為專業(yè)課程的應(yīng)用實(shí)踐提供了良好工具基礎(chǔ)。

圖1 汽車CAD/CAM工程應(yīng)用與課程的聯(lián)系

作為將基礎(chǔ)課程與專業(yè)課程的理論用于應(yīng)用實(shí)踐的工具，僅靠一門課程的講授并不能面面俱到。因此，CAD/CAM課程應(yīng)該定位于作為應(yīng)用能力培養(yǎng)過(guò)程中承上啟下的綜合性專業(yè)基礎(chǔ)課程，引導(dǎo)學(xué)生掌握軟件的基本操作，明確課程要掌握的知識(shí)點(diǎn)與專業(yè)課程實(shí)踐應(yīng)用的關(guān)系。

3 汽車CAD/CAM教學(xué)改革措施

3.1 改革教學(xué)內(nèi)容

課程教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該根據(jù)課程目標(biāo)和定位，結(jié)合實(shí)踐環(huán)節(jié)應(yīng)用需求與專業(yè)知識(shí)體系進(jìn)行合理設(shè)置與整合，將CAD/CAM技術(shù)設(shè)計(jì)到的軟件使用的理論基礎(chǔ)與專業(yè)應(yīng)用相銜接，明確軟件只是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造性思想的技術(shù)工具的定位。具體課程模塊如圖2所示。

圖2 汽車CAD/CAM課程模塊

汽車CAD/CAM面向汽車數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域，首先應(yīng)該讓學(xué)生了解現(xiàn)代工業(yè)體系下汽車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造的過(guò)程，結(jié)合汽車工業(yè)CATIA軟件的功能模塊與應(yīng)用領(lǐng)域，讓學(xué)生了解軟件與行業(yè)應(yīng)用技能的關(guān)系；其次，結(jié)合基礎(chǔ)課程如機(jī)械設(shè)計(jì)，機(jī)械原理以及理論力學(xué)，材料力學(xué)的案例，將軟件的基本操作與基礎(chǔ)課程實(shí)例有機(jī)結(jié)合，給學(xué)生傳授通過(guò)圖形編程實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品數(shù)字化模型的建模方法和思想；第三，汽車工業(yè)已經(jīng)將數(shù)字化模型作為管理和生產(chǎn)組織的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，因此有必要結(jié)合行業(yè)應(yīng)用背景介紹先進(jìn)制造技術(shù)的哲理，為進(jìn)一步探索CAD/CAM的工程應(yīng)用建立全局概念和數(shù)據(jù)知識(shí)基礎(chǔ)；最后，引入工程案例中軟件的綜合應(yīng)用演示，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課程和動(dòng)手參與項(xiàng)目實(shí)踐的興趣。

3.2 圍繞課程建立課程群

CAD/CAM技術(shù)在汽車工業(yè)中的集成運(yùn)用突顯出數(shù)字化樣機(jī)在行業(yè)應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)，同樣與造就了業(yè)界對(duì)數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)人員的需求。

汽車數(shù)字化樣機(jī)的關(guān)鍵是準(zhǔn)確的數(shù)字化建模，使用的CAD/CAM工具必須能夠表達(dá)廣義的數(shù)字化樣機(jī)的含義[9]，因此對(duì)數(shù)字化模型的數(shù)據(jù)要求更為嚴(yán)格規(guī)范，而課程學(xué)時(shí)數(shù)量的限制并不能詳細(xì)講解數(shù)字化模型的所有的專業(yè)應(yīng)用，需要強(qiáng)化與專業(yè)課程實(shí)踐內(nèi)容的聯(lián)系，注重專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。首先，課程應(yīng)該注重與汽車數(shù)字化設(shè)計(jì)課程的聯(lián)系，增加建模標(biāo)準(zhǔn)的解讀和準(zhǔn)確規(guī)范的信息表達(dá)方式；其次，為了適應(yīng)汽車工業(yè)對(duì)數(shù)字模型的建模方法要求，后續(xù)開設(shè)三坐標(biāo)測(cè)量及反求的集中實(shí)踐環(huán)節(jié)，強(qiáng)化對(duì)CATIA中曲面逆向設(shè)計(jì)相關(guān)的功能模塊的綜合應(yīng)用能力；第三，在數(shù)字化建模的基礎(chǔ)上，開設(shè)工程分析課程，結(jié)合軟件工具的運(yùn)動(dòng)仿真、有限元分析等模塊的應(yīng)用，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)數(shù)字化模型的理解和運(yùn)用層次；最后，鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用專業(yè)軟件完成專業(yè)課程的課程設(shè)計(jì)和課外創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)等方式，強(qiáng)化課程的教學(xué)效果。

結(jié)合專業(yè)課程形成的課程體系拓展了課程的內(nèi)涵，彌補(bǔ)了課程實(shí)施過(guò)程中學(xué)時(shí)不足的缺點(diǎn)，也符合圍繞課程改革為核心實(shí)現(xiàn)教學(xué)改革方法。課程教學(xué)改革實(shí)施近十年來(lái)學(xué)生的軟件應(yīng)用能力和畢業(yè)生的行業(yè)認(rèn)可度得到提高，圍繞汽車CAD/CAM形成了課程群（如圖3所示），并確立了面向汽車數(shù)字化設(shè)計(jì)的專業(yè)方向。

圖3 圍繞汽車CAD/CAM課程的汽車數(shù)字化設(shè)計(jì)課程群

3.3 課程實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)改革

課程涉及的CAD/CAM工具需要通過(guò)大量的實(shí)踐才能熟練掌握，只有通過(guò)實(shí)踐才能真正理解行業(yè)應(yīng)用的具體要求，提升培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)能力。課程內(nèi)的實(shí)踐環(huán)節(jié)與理論授課的比例為1∶1.在安排教學(xué)實(shí)施計(jì)劃時(shí)，將理論教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)交錯(cuò)開展教學(xué)，理論授課內(nèi)容與實(shí)踐講解相互呼應(yīng)，有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，并進(jìn)一步用理論指導(dǎo)實(shí)踐。課程考核采用筆試與實(shí)踐操作各占50%的評(píng)價(jià)方式，理論考試側(cè)重考核學(xué)生對(duì)CAD/CAM技術(shù)系統(tǒng)的理解；實(shí)踐考核注重工作過(guò)程的系統(tǒng)化，在課程授課之初便提出需要借助CAD/CAM工具解決的實(shí)際問題，整個(gè)授課過(guò)程圍繞著解決問題的方式展開，學(xué)生可以選擇組成團(tuán)隊(duì)完成相應(yīng)的作業(yè)，實(shí)踐的考核采取答辯的方式，通過(guò)綜合應(yīng)用的問題促使學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)去解決問題。最終將理論考試成績(jī)與實(shí)踐考試成績(jī)相結(jié)合，重視解決問題的思維能力，引導(dǎo)學(xué)生注重對(duì)自身分析問題，解決問題能力的培養(yǎng)。除此之外，學(xué)生也可以通過(guò)參加CAD/CAM相關(guān)的認(rèn)證考核獲取實(shí)踐環(huán)節(jié)成績(jī)。由于專業(yè)的認(rèn)證考核具有一定難度，但通過(guò)考核取得相關(guān)的軟件認(rèn)證又可以為就業(yè)增加了能力證明，激勵(lì)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力。

3.4 汽車CAD/CAM教學(xué)效果

汽車CAD/CAM教學(xué)效果取決于師資，由于課程講授的理論和實(shí)踐應(yīng)用領(lǐng)域針對(duì)具體行業(yè)，這就要求教師具備一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)才能更系統(tǒng)的講授相關(guān)課程的內(nèi)容。課程教學(xué)改革過(guò)程中從兩個(gè)方面來(lái)提高教師的綜合能力：一方面，讓教師走出去參與行業(yè)相關(guān)的培訓(xùn)，與兄弟院校交流，把教學(xué)過(guò)程、軟件使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問題、技巧、方法提出來(lái)共同探討，以便提高教學(xué)水平和軟件應(yīng)用能力；另一方面，需要建立校企合作關(guān)系，相關(guān)專業(yè)教師需要走出去參與企業(yè)的課題，通過(guò)合作縮短教學(xué)與實(shí)際工作的差距，及時(shí)吸取和掌握使用的新技術(shù)，不斷學(xué)習(xí)、充實(shí)自己，以便根據(jù)需要調(diào)整教學(xué)計(jì)劃，改進(jìn)教學(xué)方法，調(diào)整教學(xué)計(jì)劃；同時(shí)，通過(guò)與企業(yè)合作，可以聘請(qǐng)業(yè)內(nèi)的工程技術(shù)人員參加授課將部分成熟案例融合到教學(xué)中，通過(guò)案例驅(qū)動(dòng)的教學(xué)機(jī)制促使學(xué)生在應(yīng)用中掌握相關(guān)知識(shí)，縮短與實(shí)踐應(yīng)用的差距。

3.5 高等工程教育的根本任務(wù)

高等工程教育的根本任務(wù)在于培養(yǎng)滿足工程技術(shù)需要的人才，課程改革模式?jīng)Q定了人才培養(yǎng)的模式和質(zhì)量，培養(yǎng)模式是實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)和質(zhì)量的基本保證。汽車CAD/CAM課程模式的建設(shè)更注重課程內(nèi)容與行業(yè)的協(xié)同發(fā)展，關(guān)注行業(yè)發(fā)展的動(dòng)態(tài)需求，需要持續(xù)關(guān)注行業(yè)應(yīng)用的需求變化。為了達(dá)到上述目的，主要做了以下幾個(gè)方面的工作：（1）課程組老師堅(jiān)持每年走訪畢業(yè)生，通過(guò)畢業(yè)校友職業(yè)生涯發(fā)展的反饋，進(jìn)一步梳理出符合需求的課程內(nèi)容；（2）積極建立校企合作的關(guān)系，從實(shí)習(xí)基地到共建實(shí)驗(yàn)室，再到為行業(yè)服務(wù)，這就為工程師參與課程教學(xué)提供了必要條件；（3）關(guān)注進(jìn)一步深造的學(xué)生對(duì)CAD/CAM工具的使用需求，從而為開設(shè)相關(guān)課程內(nèi)容做好準(zhǔn)備；（4）與兄弟院校建立長(zhǎng)期交流合作機(jī)制，實(shí)現(xiàn)課程建設(shè)過(guò)程中的互通。這樣逐步形成校企校協(xié)同推進(jìn)課程建設(shè)與改革的良性循環(huán)發(fā)展機(jī)制。

4 教學(xué)改革總結(jié)

目前高等院校已經(jīng)從精英教育轉(zhuǎn)化為普及教育，通過(guò)高等教育的教學(xué)過(guò)程學(xué)習(xí)到必要的技能和運(yùn)用知識(shí)的能力，從而適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要應(yīng)該成為當(dāng)前大部分高等院校培養(yǎng)人才的目標(biāo)。

汽車CAD/CAM課程是近期隨著汽車工業(yè)發(fā)展和生產(chǎn)密集型向集約型轉(zhuǎn)化過(guò)程中，應(yīng)社會(huì)需求而逐步提高的車輛工程專業(yè)課程。它已經(jīng)由一門認(rèn)知性質(zhì)的課程轉(zhuǎn)變成一門具備一定實(shí)踐要求，同時(shí)又綜合應(yīng)用了機(jī)械專業(yè)知識(shí)的課程。隨著設(shè)計(jì)和制造水平的不斷提高，對(duì)該門課程的要求將會(huì)更加具體和細(xì)致，所以該課程的教學(xué)改革和探索將隨著專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)的更新提出更多要求。這就要求堅(jiān)持協(xié)同創(chuàng)新的思想，通過(guò)課程教學(xué)改革不斷加以完善和改進(jìn)。

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