面向一流本科專業(yè)建設(shè)的模具設(shè)計課程教學(xué)改革探索

張輝 陳瑤 楊育 朱成順

摘要：模具課程是機(jī)械制造課程體系中的一個重要組成部分，模具課程的教學(xué)改革是機(jī)械制造及自動化專業(yè)一流專業(yè)建設(shè)中的重要內(nèi)容之一。本文分析現(xiàn)有模具課程教學(xué)方面的不足，通過對改革教學(xué)模式、豐富教學(xué)內(nèi)容、拓展教學(xué)評價手段等方面的研究，探索通過增強(qiáng)現(xiàn)實的案例式教學(xué)融入模具設(shè)計課程教學(xué)，導(dǎo)通授課、案例、考核三方面的教學(xué)環(huán)節(jié)，以此達(dá)到教師引導(dǎo)、學(xué)生主動的教學(xué)目的，提高課程中學(xué)生的參與度、興趣度，以及課程教學(xué)質(zhì)量。本文可為高等院校模具方向課程教學(xué)模式的創(chuàng)新和改革，以及拓展增強(qiáng)現(xiàn)實教學(xué)應(yīng)用模式提供借鑒。

關(guān)鍵詞：模具設(shè)計課程? 一流專業(yè)? 增強(qiáng)現(xiàn)實 機(jī)械制造及自動化

Exploration on the Teaching Reform of Mold Design Course for the Construction of First-Class Undergraduate Major

ZHANG Hui^*CHEN Yao? YANG Yu? ZHU Cheng Shun

（Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang， Jiangsu Province， 212100 China）

Abstract：Mold design course is an important part of mechanical manufacturing course system， and the teaching reform of mold design course is one of the important contents in the construction of first-class major of mechanical manufacturing and automation. By analyzing the shortcomings of the existing mold related courses teaching， and the research on the reform of teaching mode， the enrichment of teaching content and the expansion of teaching evaluation， this paper explores the integration of augmented reality case teach and study into the teaching implementation of mold design course， the realization of the conduction of teach and study， case exploration and assessment， the promotion of teachers guidance and students initiatives towards teaching goals， and at last the improvement of students interests and involvement as well as the teaching quality. The work could provide a reference for the innovation and reform of mold related classes and similar course teaching mode in colleges and universities and inspiration for the expansion of augmented reality teaching application.

Key Words： Mold design course; First-class major; Augmented reality; Mechanical engineering and automation

模具是工業(yè)之母，模具行業(yè)是制造業(yè)的重要組成部分^[1]，模具相關(guān)的課程教學(xué)是支撐國家制造業(yè)現(xiàn)代化的重要環(huán)節(jié)，模具類課程的教學(xué)改革對推進(jìn)機(jī)械制造及自動化等模具相關(guān)專業(yè)的一流專業(yè)建設(shè)起重要的支撐作用。本文通過分析目前傳統(tǒng)模具課程教學(xué)中的不足，結(jié)合一般機(jī)制專業(yè)中的模具方向教學(xué)實踐，從教學(xué)模式改革、豐富教學(xué)內(nèi)容、拓展教學(xué)評價手段等方面開展研究，探索通過增強(qiáng)現(xiàn)實的案例式教學(xué)手段融入模具設(shè)計課程的教學(xué)過程中，以提高教學(xué)水平，達(dá)到教師引導(dǎo)、學(xué)生主動的教學(xué)目的。

1 現(xiàn)有模具課程教學(xué)方面的不足

模具類課程是一門知識點豐富、背景課程體系要求高、實踐操作性強(qiáng)、涵蓋機(jī)械類教學(xué)課程內(nèi)容范圍廣的專業(yè)門類課程，但其又是一門相對古老的行業(yè)課程。在傳統(tǒng)的機(jī)械學(xué)科相對吸引力不強(qiáng)的大背景下，模具類課程同樣也存在學(xué)生興趣點不高、形式與內(nèi)容老舊的問題。分析目前的模具類課程傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)節(jié)的不足體現(xiàn)在以下幾點。

（1）教學(xué)手段相對陳舊，多媒體課件課堂講授同模具拆裝的實踐教學(xué)結(jié)合的傳統(tǒng)方式，不易引發(fā)學(xué)生的興趣，貫穿課堂、實踐、考核的案例點、考評點較少，且考核評價中也較難體現(xiàn)實踐動手能力與創(chuàng)新設(shè)計思維能力。

（2）教學(xué)過程中的新型的信息化技術(shù)應(yīng)用不多，教學(xué)過程還有不少環(huán)節(jié)依賴?yán)吓f的CAD軟件開展，拆裝實驗同一般的課程設(shè)計區(qū)分度低，難以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，新型軟件使用程度不高，同其他課程的體系梳理不完備，不易體現(xiàn)模具課程的背景特點。

（3）教學(xué)互動性一般，課堂講授和實踐教學(xué)中的程式化較嚴(yán)重，教學(xué)環(huán)節(jié)依然按照分塊的知識點，沖裁、彎曲、拉深等教學(xué)內(nèi)容間的過程分開。教師按照“套路”教，學(xué)生按照“套路”學(xué)，課程知識的前后關(guān)聯(lián)性挖掘不夠，靈活運用知識的能力不易培養(yǎng)。

在這樣的背景下，學(xué)生在模具課程學(xué)習(xí)過程中缺少與本課程內(nèi)容相關(guān)的感性認(rèn)識與實踐機(jī)會，同時課外也缺少理解專業(yè)、理解知識運用的途徑，感覺書本知識與實際應(yīng)用脫節(jié)^[2]，形成模具類課程“知識陳舊”“跟不上時代”的看法，進(jìn)而容易養(yǎng)成僅想“應(yīng)付考核”的習(xí)慣。

2 模具設(shè)計課程教學(xué)模式改革調(diào)研

由于模具課程的重要性，國內(nèi)不少高校都開設(shè)有模具設(shè)計、模具設(shè)計與制造或模具CAM之類的課程，甚至有單位開設(shè)有專門的模具方向或模具專業(yè)。不少教師或研究人員也從教學(xué)改革的需求出發(fā)，對模具設(shè)計課程教學(xué)模式改革提出自己的解決思路或方法。這些思路或方法如下。

（1）從專業(yè)工程認(rèn)證的角度出發(fā)^[3]，按照《悉尼協(xié)議》的標(biāo)準(zhǔn)和范式進(jìn)行專業(yè)建設(shè)、參與國際認(rèn)證，實施成果導(dǎo)向的教育，開發(fā)成果導(dǎo)向課程體系，對專業(yè)課開展全過程、全方位、科學(xué)合理的評價，提升專業(yè)內(nèi)涵建設(shè)，樹立以學(xué)生為中心，成果導(dǎo)向、過程保障為核心的質(zhì)量觀，基于專業(yè)工程認(rèn)證的契機(jī)，努力梳理好整個模具專業(yè)的課程體系，并改進(jìn)教學(xué)評價體系。

（2）從項目教學(xué)的角度出發(fā)^[4]，明確了職業(yè)教育中項目教學(xué)法的意義，從專業(yè)課程的內(nèi)容設(shè)置、教學(xué)實施過程等方面進(jìn)行探討，提出了項目式教學(xué)的考核標(biāo)準(zhǔn)。為培養(yǎng)模具行業(yè)的一線技能人才，突出其制造、裝配、調(diào)試、維護(hù)等工作能力，探索有效、實用的實訓(xùn)教學(xué)方法。采用“任務(wù)”“計劃”“實施”“檢查”“評價”的步驟開展教學(xué)。

（3）采用線上線下混合式課堂教學(xué)、混合模式教學(xué)等方式開展教學(xué)^[5]，輔助開放性的查新和調(diào)研作業(yè)，廣泛利用網(wǎng)絡(luò)資源和三維軟件進(jìn)行教學(xué)深度和廣度的拓展，夯實學(xué)生對沖壓模具基本結(jié)構(gòu)和零件的認(rèn)識，結(jié)合UGNX中的模具模塊開展教學(xué)?；蛘卟捎密浖伍_發(fā)的方式，在CATIA建模軟件平臺上^[6]，設(shè)計一套覆蓋模具設(shè)計過程的流程化方法，開發(fā)用于冷沖壓模具設(shè)計的教學(xué)軟件，增強(qiáng)學(xué)生知識面，提升教學(xué)效果。這類方法以信息化為大背景，具有先進(jìn)性。

（4）采用虛擬現(xiàn)實或增強(qiáng)現(xiàn)實等手段開展模具類課程教學(xué)改革的方法^[7]。不少是基于手機(jī)平臺或電腦網(wǎng)頁等界面進(jìn)行開發(fā)。采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)及虛擬技術(shù)等，建設(shè)新的教育模式，利用VR/AR技術(shù)^[8]解決真實模具使用的問題，降低教學(xué)成本，提升教學(xué)效率。在虛擬的教學(xué)環(huán)境下，將知識內(nèi)容進(jìn)行模擬，在模擬的環(huán)境中進(jìn)行授課和聯(lián)系。有的基于Unity 3D虛擬現(xiàn)實平臺進(jìn)行開發(fā)，采用人機(jī)交互的教學(xué)模式，實現(xiàn)仿真教學(xué)系統(tǒng)，并能夠介紹系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能及關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)模具工藝的虛擬可視化，具有一定的教學(xué)參考價值^[9]。

這些教學(xué)方法和思路為面向一流專業(yè)建設(shè)中的模具設(shè)計課程的教學(xué)改革提供了極大的參考。同時考慮到本專業(yè)的機(jī)制課程中模具課程僅作為一個選修方向課程，課程教學(xué)時間有限，如何在較短的教學(xué)學(xué)時中讓學(xué)生建立起模具行業(yè)的知識體系，是具設(shè)計教學(xué)改革重點思考的問題。

3 模具設(shè)計課程教學(xué)改革手段

（1）結(jié)合課程思政的契機(jī)，將大世界的背景，“制造強(qiáng)國”“智能制造”這樣的概念潛移默化地融入課程教學(xué)中，讓學(xué)生樹立宏達(dá)的理想，明白模具專業(yè)在整個國民制造業(yè)的作用和地位，從大處克服模具專業(yè)陳舊“老套”的負(fù)面心理。同時在知識點講解中，融入思政內(nèi)容。比如，在講授模具的各種結(jié)構(gòu)件的導(dǎo)柱導(dǎo)套布局形式時，啟發(fā)學(xué)生展開聯(lián)想，揉合“四梁八柱”的觀點，給予學(xué)生具象化的思維，增強(qiáng)其感性認(rèn)識。

（2）整體考慮模具課程體系的教學(xué)內(nèi)容，思考加工后在復(fù)習(xí)階段提煉精華教授給學(xué)生，引導(dǎo)其思考、分析、提煉前后課程內(nèi)容間的關(guān)系，并進(jìn)行總結(jié)。如在介紹沖壓模具的沖裁模具、彎曲模具和拉深模具的結(jié)構(gòu)特點時，注意前后對應(yīng)，讓大家多思考各種類型的模具結(jié)構(gòu)間的異同點，以及造成這些異同點的原因，讓學(xué)生勤于思考與總結(jié)。

（3）同專業(yè)教學(xué)體系中的其他課程教師展開教研活動，明確學(xué)生在開始學(xué)習(xí)這門課程時已經(jīng)掌握的知識點與欠缺的內(nèi)容，在課程教學(xué)中有意識地進(jìn)行補(bǔ)充。在課程實訓(xùn)、下廠實習(xí)等教學(xué)環(huán)節(jié)中，留意周邊企業(yè)中的模具運用較多的企業(yè)，如相關(guān)的汽車燈飾廠使用的車燈模具等，讓學(xué)生清楚模具知識在各類行業(yè)中的廣泛應(yīng)用。

（4）采用增強(qiáng)現(xiàn)實的手段開展模具類課程教學(xué)實訓(xùn)環(huán)節(jié)的改進(jìn)。基于自制實驗設(shè)備研制的支持和開放選修實驗的支撐，參考文獻(xiàn)中的一些思路^[10]，結(jié)合科研中涉及的視覺基礎(chǔ)積累，開發(fā)增強(qiáng)現(xiàn)實模具教學(xué)拆裝平臺。利用聲、光、電的手段吸引學(xué)生積極參與到實踐環(huán)節(jié)。同時將一些實例在課堂上進(jìn)行有針對性的講授。結(jié)合預(yù)習(xí)報告檢查、實驗過程監(jiān)督等手段，讓學(xué)生在較短的時間內(nèi)能夠真正融入模具設(shè)計制造體驗中，提高其實驗參與度。

（5）參考工程認(rèn)證平臺的建設(shè)，對模具設(shè)計的考核手段進(jìn)行改進(jìn)。在考核內(nèi)容上，適當(dāng)減少固定的客觀知識點考核內(nèi)容，增加靈活運用課程知識等綜合性的考核內(nèi)容。多出簡答、計算、分析、設(shè)計類的題型，提高學(xué)生靈活運用知識的能力，舉一反三，實現(xiàn)對學(xué)生解決問題的綜合工程實踐能力的考查。同時減少課程綜末的分?jǐn)?shù)比重，增加平時作業(yè)、實踐環(huán)節(jié)的分?jǐn)?shù)比重，切合工程認(rèn)證的以學(xué)生為中心，成果導(dǎo)向、過程保障為核心的教學(xué)質(zhì)量觀。

4 增強(qiáng)現(xiàn)實輔助的案例式教學(xué)手段應(yīng)用

在自制實驗設(shè)備項目的支持下，針對傳統(tǒng)模具拆裝教學(xué)方法的不足，構(gòu)建了信息投影輔助模具拆裝教學(xué)平臺，分析基于增強(qiáng)現(xiàn)實模具裝配實驗教學(xué)平臺的特點，建立了系統(tǒng)框架^[11]。平臺的建立需要考慮投影素材管理功能、可視化表達(dá)功能（包括圖片、動畫、三維模型、文字等）、語音引導(dǎo)功能、人機(jī)交互功能、位姿注冊功能（包括裝配現(xiàn)場圖像采集、手勢圖像采集）等。將真實裝配現(xiàn)場與虛擬裝配信息相結(jié)合，實現(xiàn)對裝配教學(xué)的指導(dǎo)。具體功能分布如圖1所示。

將模具各部件進(jìn)行分塊分類，形成拆裝過程信息列表，并使用XML文件進(jìn)行項目式管理（如圖2所示）。在研究了模具素材管理、信息投影與位姿注冊和實體按鍵交互等功能后，基于MFC和OpenGL，開發(fā)形成了平臺系統(tǒng)，并具有擴(kuò)展性，可方便拓展其他類型的模具拆裝。圖3所示為模具拆裝某一步驟的實際展示。步驟的信息投影到工作臺上，需要拆裝的位置也展示到模具實體上，并且顯示了該步驟裝配動作的動畫。為了吸引學(xué)生參與，平臺同時具有簡單手勢交互和實體按鍵及語音引導(dǎo)提示功能。

采用本文平臺建設(shè)和教學(xué)改革后，學(xué)期課程的同學(xué)參與度明顯提升，除由于考研等特殊原因帶來的實驗教學(xué)調(diào)整外，學(xué)生全員參與了實驗環(huán)節(jié)，同時主動性提升，師生互動增加。

5 結(jié)語

信息技術(shù)與課程教學(xué)融合是未來發(fā)展的趨勢，虛擬現(xiàn)實、增強(qiáng)現(xiàn)實是交互的新型方式，本文在調(diào)研各類模具教學(xué)方法和思路的基礎(chǔ)上，分析目前傳統(tǒng)模具教學(xué)的不足，積極探索課程思政方法，通過增強(qiáng)現(xiàn)實的案例式教學(xué)融入模具設(shè)計課程教學(xué)，取得了一定的效果，具有參考價值。同時增強(qiáng)現(xiàn)實等新型技術(shù)是一個不斷進(jìn)步升級的過程，模具設(shè)計課程教學(xué)也將不斷改進(jìn)，持續(xù)改進(jìn)教學(xué)模式，提高教學(xué)質(zhì)量，完成教學(xué)目標(biāo)。

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