基於UGNX軟體的機械CAD應用課程教學改革研究論文
基於UGNX軟體的機械CAD應用課程教學改革研究論文
1 引言
計算機輔助設計(Computer Aided Design，CAD)是指設計人員藉助計算機進行設計的方法。CAD 技術能極大地提高設計質量，減輕設計人員的勞動，縮短設計週期，降低產品成本，為開發新產品和新工藝創造了有利條件。同樣，CAD 應用技術是數字化、資訊化製造技術的基礎，是實現資訊化和工業化融合的重要支撐技術。因此，透過課程改革和創新使學生更好地掌握CAD 技術，提高人才培養的質量，滿足行業和社會對人才的需要是目前機械工程專業亟需解決的問題之一。
2 傳統“機械CAD 應用”課程授課現狀與教學改革的必要性
2.1 “機械CAD 應用”課程授課現狀
目前很多高校的“機械CAD 應用”課程教學還不能滿足企業對人才的需求。一方面企業需要能夠在生產一線從事設計、製造、檢測等的工程應用型人才，具備應用相關技術解決實際工程問題的動手能力;另一方面很多學校的“機械CAD 應用”課程教學通常採用傳統的“以教師講授為主”的教學方式，缺少課堂教學理論與實踐相結合的機會，導致學生學習興趣不高，實踐能力較差。同時，學校教學內容和企業需求有較大的脫節，“機械CAD 應用”課程一直以來首選AUTOCAD 軟體講解機械製圖相關的知識，學習二維操作為主，應用方向有侷限。因此，如何在注重理論教學的基礎上對“機械CAD 應用”課程進行改革，增加學生實踐機會和與企業接軌的專案鍛鍊、提高動手能力是目前“機械CAD 應用”課程教學中亟需解決的問題。無錫太湖學院在2010 年以前，“機械CAD 應用”課程主要以AutoCAD 為主進行講解，以講解軟體命令的形式，上機練習抄不同難度的圖，這種教學方式勉強能夠提高學生的二維製圖能力，但是製圖規範、機械專業知識很難結合到教學中去，這導致學生會用軟體但不會機械設計。2012 年以後，該校為增加學生對繪圖軟體CAD 應用的技能(二維和三維)，滿足大四學生畢業設計對軟體使用的需要，“機械CAD 應用”課程除了講AutoCAD 平面部分以外，另外安排了一半時間用UG NX 軟體講解三維部分。這樣雖然學生學習了兩種軟體，但由於課時有限，不可能深入學習，導致平面和三維都會一點，但都不精。
2.2 傳統“機械CAD 應用”教學改革的必要性
為解決上述問題，該校從2014 年開始用UG NX軟體來實施教學，不僅注重學生的三維建模能力，還注重其應用能力的拓展。UG 軟體有非常完整的數字化設計模組可以兼顧二維製圖要求，所以不存在不會設計二維圖紙的問題。近年來企業行業設計模式也發生變化，雖然中小企業還是以二維為主，但有不少大型公司已經很少用或不用AutoCAD，如：中航工業集團副總工程師楊偉主持創立了全新的基於完全產品數字化定義的全數字化飛機研發體系，實現了飛機完全無紙化設計、完全無紙化製造、多屬性面向全生命週期的產品資料管理、跨地域的數字化協同設計環境等，徹底變革了飛機的研發模式、流程與體系，在國內首次實現全三維數字化設計製造技術，將某新機的試製週期較殲10 和美國F-22 縮短了2/3。在實際教學中，要結合課程教學目的，圍繞提高學生實踐能力的目標，採用目前國際主流的高階軟體作為教學和實踐平臺，如：CAXA，UG NX，CATIA，Pro/E，Solidworks，MastCAM，ANSYS 等，使相關理論能夠以直觀的形式、簡單的操作及完整豐富的內容展現給學生。
3 “機械CAD 應用”課程教學方法和教學內容探討
3.1 “機械CAD 應用”課程教學方法探討
傳統的“機械CAD 應用”的教學通常以灌輸式的講授為主，內容主要是用AutoCAD 完成工程製圖、講解制圖規範和簡單的機械零件設計舉例，學生不可避免地感到枯燥。根據筆者的教學經驗，結合學生的特點，為提高本科學生各種CAD 應用能力，需進行教學方法的改革和創新，突出學生的主體意識和個性，培養學生的參與意識，具體方法如下。
(1)講課時儘量避免填鴨式的命令講解，防止出現學生精通軟體操作，但專業知識缺乏的現象。故要做到理論知識夠用，突出動手操作環節，以提高學生的成就感和學習興趣。所有案例演示實時進行，即老師演示時，學生同步看到老師的操作步驟，這樣可以實時溝通、講解疑難問題。
(2)使用專案教學方式教學，針對不同CAD 應用目的，設定有特色的專案。由於在整個課程前期的教學主要目標是精通軟體的各個模組，所以應針對不同的應用模組設定對應的專案。課程中後期主要是培養學生獨立完成專案的能力，所以根據產品的難易程度，設定由簡到繁的主題，讓學生參與專案製作過程，逐漸增強學生的自主創新意識。透過這樣的方法，學生對軟體操作的學習比灌輸式的講授更加紮實，在自主創新的過程中，學生更有成就，而且湧現了一批非常好的作品。
(3)專案實施時採用分組教學的方法。首先，由於該校一個教學班一般由兩個班一起上課，人數在55~65 人左右，佈置專案練習很難做到一人一題。其次，一般專案練習一個人獨自實施很難在課堂上完成，透過分組細分任務可以保證在課堂中看到完成後的效果，這樣老師可以實時給出評價並提出問題和建議。所以考慮分組進行，使用這個方法後，學生的學習效果有明顯提高，而且還帶動了一部分基礎差的學生。
(4)增加課外互動環節。除了課堂以外，還要重視課外時間的.交流和協調。如：建立QQ 群、微信群，在群裡佈置作業，溝通問題，瞭解學生學習情況等。這不僅增強了學生的學習興趣，也提高了學生做作業的效率和學生團隊合作的默契度。而且學生畢業後，老師還可以在群裡瞭解學生畢業後主要從事哪些CAD 應用相關的工作，對以後的教學改革、教學內容更新提供一些參考。
3.2 “機械CAD 應用”課程教學內容的探討
從《中國製造2025》的路線圖中可以看到中國現在還處於工業2.X，還沒達到工業3.0，與德國工業4.0的差距相當大，所以中國要在2025 年之前走“工業2.0補課、工業3.0 普及、工業4.0 目標”這樣的路線。從中可以發現“機械CAD 應用”這門課程，最需要做的就是從傳統的二維到未來的全三維數字化設計，這是當前和今後重點需要發展的方向。所以作為應用型本科也要在《中國製造2025》發展中，找到自己的定位，抓住主流方向，把數字化設計這個重點在“機械CAD 應用”課程中體現出來。NX 軟體的數字化設計功能非常強大，它提供了在設計和製造的不同階段之間無縫移動的工具，並且將整個週期整合起來。設計師可以藉助無縫交換功能來選擇線框、曲面、實體引數或直接建模技術。藉助NX 中的同步建模技術，在建立和編輯幾何體時能夠享受無與倫比的速度和易用性，甚至可以使用在其他CAD 系統上建立的模型。NX 包含強大的裝配體設計工具，其卓越的效能和能力使使用者能夠在完整的裝配體環境中進行互動式操作，即使是最複雜的模型也能勝任。整合式工業設計藉助高階自由曲面建模、形狀分析、渲染和視覺化工具，NX 能夠交付專用工業設計系統的全部功能，還可提供與NX 設計、模擬和製造功能的完整整合等功能。所以UG NX 與傳統AutoCAD 相比有相當多的優勢：將設計時間縮短30%以上;推出更多新產品;透過重用提高團隊生產效率;無縫處理來自其他CAD 系統的資料。
下面探討的教學內容也是基於NX 軟體平臺進行的。在UG NX 平臺，結合數字化設計思路及現代企業產品設計流程來設定內容，儘量做到讓學生能學到實用的技能，滿足企業的要求。
(1)紮實基礎。選取典型零件將其草圖設計、三維建模及工程圖設計三者結合到一起，以提高軟體的基本操作和培養全三維軟體實施工程圖為目標設定教學專案。具體步驟為：軟體介紹、三維建模思維、流程介紹、專案演示和學生練習，透過5~6 周的實戰，實現從有參考圖紙時，精確繪圖，到無參考圖紙，概念設計和簡單產品設計。
(2)加強與企業接軌，設定適合企業設計流程的專案。選取典型機器或部件，將所學的基礎知識和裝配設計結合起來，透過2~3 周的實戰，提高學生對一個完整機器的功能分析、裝配關係分析，瞭解零件設計與裝配之間的協作關係，鍛鍊學生綜合運用機械專業知識的能力，將理論知識有用武之地及獲得成就感。
(3)加強零件或裝配的後處理能力。選取典型機構將裝配與運動模擬、有限元分析等結合起來設定教學專案，透過1~2 周的實戰，鍛鍊學生的科學研究和分析問題的能力。
(4)設定主題形式的產品創意設計任務，制定產品設計要求與考核指標點，學生開放式設計，自己找資料、構思並完成作品，透過2~3 周的實戰，加強學生的創新和獨立思考能力。同時，老師可在所有作品中挑選比較優秀的作品，由院團委以比賽的形式專門組織現場比賽，並由專家、老師和學生對作品進行評選，此方法可以明顯提高學生的積極性。最後以這些作品作為評定學生期末成績的一部分。為了鼓勵學生參加比賽，從一開始就宣傳和指導，以準確挑選出優秀的學生參加全國3D 大賽等相關比賽，以賽促學。綜合上述可以看出，機械工程專業的學生在課程設計、實習、畢業設計等實踐中所需的CAD 應用知識和技能都可以在以上四點中體現出來。透過這兩年的教學實踐，效果明顯，當然還要繼續努力，在不斷改進和更新專案中，積累經驗，形成與企業行業接軌的案例庫。
4 結語
通過幾年的實踐，從該校的實際教學效果看，明顯提高了學生的機械CAD 應用能力，比以前用AutoCAD學習更有興趣、理論與動手兼顧的更好。這對培養學生的機械CAD 設計能力和解決實際問題的能力起到了積極作用，為學生學好後續課程、從事工程設計工作打下了良好的基礎。但是教學改革涉及面很廣，社會的發展需要改革，科技的發展和學科的建設需要改革，老師的知識也要更新和改革，而且教學方法、教學內容和實踐教學的改革是相互聯絡的，因此教學改革不會一蹴而就，它是一個逐步深化的長期過程。