《CAD／CAE／CAM技术》教学方法探讨

1 引言

    我国是世界制造业大国，通过CAD／CAE／CAM技术进行数字化设计与制造是衡量制造业现代化水平的一个重要标志。CAD／CAE／CAM技术包括计算机辅助设计、计算机辅助工程和计算机辅助制造三部分，构成一个有机的整体。它使得产品开发过程在统一的计算机平台上进行产品的设计、分析计算、数控编程等工作，可大大提高产品开发效率，目前已成为现代企业进行产品研发的主要方法和手段。

    因此，为学生开设《CAD／CAE／CAM技术》课程，对培养学生掌握产品现代设计方法和手段、提高学生创新能力具有重要意义。

    本文针对在《CAD／CAE／CAM技术》课程教学环节中知识总体架构的构建、基础理论的串联和学习过程中主动性等方面出现的问题进行探讨，提出解决这些问题的教学方法，从而可使学生在有限的时间内最有效地掌握该课程的内容和基本技能，更好地实现课程的培养目标。

2教学和实践环节存在的问题

2．1教学目标不明确，知识总体架构搭建不够

    《CAD／CAE／CAM技术》涉及计算机图形学、数控技术、有限元法、计算机仿真、计算机信息集成技术等知识。涵盖了从产品设计、产品分析到产品数控加工的整个流程。在有限的教学学时内，不可能将全部内容均作详细讲解。因此，在教学过程中可能出现教学目标不明确，主讲教师着重教学生使用某种流行软件的主要功能和使用技巧，或者着重讲解一些深奥繁杂的公式推导，而缺乏对知识总体架构的搭建。这样，学生在学习过程中，缺乏对CAD／CAE／CAM技术精髓的领悟力，对信息集成的精神和实质的感悟力，从而缺乏独立分析、解决工程问题的实践能力和创新能力。

2．2基础理论关注不够．基本概念模糊不清

    《CAD／CAE／CAM技术》是理论性和实践性都很强的综合性课程。虽然该课程的实践非常重要，但实践是以理论为支撑的，因此与课程相关的理论知识必不可少。然而部分学生在学习过程中，仅仅局限于某一两种流行的设计、分析和数控编程软件操作的学习，甚至出现片面性追求软件的使用花样的现象，缺少对基础理论知识的重视和学习，对相关的基本概念的理解和领悟，对CAD／CAE／CAM技术的技术实质的领会，学习效果不明显。例如，在教学中，学生如果对基本概念理解不透彻，那么在实际工程问题中就会出现缺乏特征参数化实体建模的能力，在有限元分析中不能根据具体对象建立合理的有限元模型等等。

2．3学习过程中缺乏主动性和积极性

    由于CAD／CAE／CAM技术》涉及了多门课程，涵盖了从产品设计、产品分析到产品数控编程的整个流程，因此该课程要求的理论水平较深，学习的难度也比较大。学生在学习过程中，虽然主管愿望想学，但是出现畏难情绪，总是希望老师能在课堂上讲解所有的东西，缺乏学习的主动性和积极性。

3解决办法

    针对以上问题，结合教学中一些经验，提出了解决上述问题的教学方法。

3．1 明确学习目标。搭建总体知识架构

    本课程主要关注机械工程应用中的基本概念和方法，力图使学生对现代机械设计、分析和制造形成一个完整的知识体系，并将各种知识有机地联系在一起。而作为大学本科教学，由于学生缺少宽广的专业背景和深厚的数学功底，授课内容必须有所侧重，应该明确学习目标，构建总体知识架构，使学生领会CAD／CAE／CAM技术的精神和实质，认识信息集成在现代制造系统中的重要地位，培养学生的创新意识。

    例如，在上第1次课时，可选用一个典型的统一数字化产品模型产品作为教学实例，按照图l所示的流程进行讲解和示范，使理论与实践相结合，从而可搭建出CAD／CAE／CAM知识的总体架构。

图1产品的CAD／CAE／CAM设计流程

    又如，在讲解CAE的有限元法内容时，首先可按照图2所示给出有限元法的基本思路，然后具体讲解有限元的基本原理，即通过对连续体的离散，形成节点和单元；以节点位移作为基本未知量，首先利用平衡方程求出节点位移；求出节点位移后，通过单元位移函数形成的形函数，插值求得单元内任一点的位移(每个单元所有点的位移反映了整个结构的变形)；再通过几何方程求出应变，以及通过物理方程求出应力。

图2有限元法的基本思路分页3．2掌握基础理论．把握基本概念

    CAD／CAE／CAM课程是一门理论性和实践性都很强的综合性课程，理论是实践的基石。在该课程的教学中，一定要要使学生掌握基础理论，把握基本概念。可以从以下两方面来实现。

    1)在教学中以理论为基础，以某一高端软件为教学实验平台，在软件教学讲解时溶入具体的理论知识．从而生动形象地让学生树立信息集成等先进制造技术理念。例如，在讲解参数化特征建模时，从介绍它的特点和意义人手，结合几何学和机构学等知识讲解参数化特征建模的理论方法。并以Pro／E软件为平台，用参数化特征建模的方法建立一个统一数字化产品模型，在建立的过程中定义特征元素的参数和元素间的约束。保存建立的图素，并且成为以后修改模型参数的基础。让学生直观了解参数化造型技术可以“量身定做”需要的产品模型。

    2)采用图、表、文等并茂的手段，直观展示出所要讲解的理论知识。例如，在讲解CAE有限元部分时，可用结构图的形式列出有限元商业软件的模块结构。因为正确理解有限元商业软件的模块结构是学习使用商业软件的第l步。一般的商业软件模块结构如图3所示。该图清晰的给出了一般商业软件的模块结构以及每个模块完成的主要功能。通过对软件模块结构的了解，就能使有限元分析过程和各部分的有限元理论联系起来，使有限元分析理论指导整个分析过程，分析过程将会更加准确化和合理化。

图3 FEA系统的功能模块结构图

3．3形成互动式的教学理念

    在CAD／CAE／CAM教学中，采用互动教学方式，并紧跟先进制造技术的发展方向，将有关先进制造技术方面的新技术、新工艺传授给学生，使学生掌握最新的技术发展动态。授课期间应观察学生的反应，采取设问、提问、反问等方式调动学生的学习热情。授课中以讲明基本概念、基本原理为原则，讲授、示范、练习相结合。在教学条件方面，重视网络教学资源的建设和完善，加强课程网站的辅助教学功能。

    在实践环节，可以把实践与科研相结合。根据目前的科研情况，让教师把科研课题分解一些本科生能力之内的子课题。学生可按自己的兴趣，选择相应的子课题，每个子课题可让多个学生共同参与，学生选定课题后自行查阅相关资料并制定实施方案，相关教师对其进行开放式指导。整个教学过程应注重发挥学生潜能，培养学生的创造力和创新能力。教师应把握好方向，引导学生。并对其设计方案、研究内容、技术路线等严格把关。通过这类实践，学生有针对性地带着问题深入进行理论学习，既培养了学生发现问题、分析问题、解决问题的能力，又加强了学生自主创新、团队协作的意识。

4结束语

    “十二五”是我国缩短与国外现代制造业的差距，推进制造业信息化的关键时期，应大力推广应用CAD／CAE／CAM技术。作为育人单位的高校，做好《CAD／CAE／CAM技术》的教学是输出合格人才的必要阶段。本文针对课程教学环节存在知识总体架构把握不好、对基础理论的关注不够、学习过程中缺乏主动性等问题，提出了解决这些问题的教学方法。通过该教学方法的实施，可使学生在有限的时间内最有效地掌握该课程的内容和基本技能，更好地实现该课程的培养目标。