基于三维ＣＡＸ技术的创新训练研究

摘要：以三维CAX技术为平台，利用CAX技术强大的数据计算、分析及三维可视化图像处理能力，对传统工程训练内容、体系全面改造及优化整合，使其成为培养现代大学生创新能力的新型内容和体系，对培养具有创新素质的工程类人才，促进CAX技术的发展和应用，解决社会需求与学校培养之间矛盾有着十分重要的必要性和现实意义。

关键词：CAX技术创新训练 优化 教学改革

引言

CAX技术是计算机辅助技术的统称，一般包括：CAD—计算机辅助设计、CAE—计算机辅助分析、CAPP—计算机辅助工艺过程管理、CAM—计算机辅助制造、CAI—计算机辅助创新、CAQ—计算机辅助质量管理，常用的为CAD/CAE/CAM。已覆盖了各个行业，如机械、建筑、电子等。CAX技术已从二维发展三维，本文所提到的CAX技术均指三维CAX技术。CAX技术能够被广泛使用得益于其两大功能：数字建模和仿真模拟。数字建模是指把人的设计思想在计算机中以可视化的形式表达出来；仿真模拟则是指能把数字建模对象的属性和功能表现出来。把真实世界的物体转变为数字化模型，以统一的数字化产品模型驱动产品生命全过程[1，2]。CAX技术的应用将计算机的快速性、准确性及信息高度集成性和工程技术人员的创造思维、综合分析能力充分结合，从而大大缩短产品的设计、制造周期，提高产品的质量，增加企业的竞争能力，从根本上提高企业人员的技术素质，促使企业生产技术管理全面革新。

CAX技术已成为衡量一个国家及其企业产品开发、设计、制造能力和技术先进性的重要标志，更进一步影响着企业在激烈的市场竞争中的生存空间和发展潜力。也即CAX技术已经成为企业产品生产、设计、制造等创新的必要手段；另一方面，“实践是创新之根”的思想已得到越来越多教育工作者的肯定，比较准确地描述了创新与实践的内在联系。对工科类学生，实践教学是培养学生操作和测试技能的必要环节，是培养学生分析问题、解决问题和创新思维的有效途径。鉴于此，文中提出了以CAX技术为基础手段，对工程训练体系及其内容进行优化整合，建立创新训练平台，注重学生工程实践、CAX技术操作技能和创新能力的培养,对培养具有创新素质的工程类人才，促进CAX技术的发展和应用，有着十分重要的现实意义。

1 创新理论和实践教学理念，制定以CAX技术为创新基础手段、以培养符合社会需求的创新人才为目标的培养计划

要培养出具有创新能力的高素质人才，必须从大学生进校的第一天起就开始进行培养：以先进的教学理念和校园人文环境影响他们，以超前的培养计划要求和激励他们。因此首先要求教育工作者以极大的创新勇气，制定符合现代化建设需要的创新人才培养计划。

以先进的三维CAX技术为平台，以培养学生的现代化工程素质和创新能力为目标，将现代三维设计、分析与制造理论和方法全面引入工程类系列课程教学过程，建立全新的课程体系，改革教学手段与方法，突出实践与实训环节，从工程实际应用出发，注重学生工程实践能力的培养，利用CAX技术改造课程实验、设计训练以及制造技术训练；强化CAX技术软件操作技能的培养，把应用CAX软件解决工程实际问题作为落脚点，实现教与生产实际的“无缝对接”，以培养创新能力强、综合素质高的工程技术人员，满足现代制造业对人才的需要。

2 全面整合教学资源，从创新能力培养的规律出发,建立基于CAX技术的多层次创新训练平台

取消或削减传统实习项目,增加复杂机器及装备的拆装、现代制造等实习内容。在课程设计、毕业设计中充分运用CAX技术,突出设计创新,提高设计效率,培养学生运用现代化手段解决工程实际问题的能力。

2.1实践教学体系的建立

整个实践教学体系分为三个层次：1）基础工程训练。强化学生工程实践内容的基础知识，讲授基本的操作技能及工程专业理念，逐步建立加工工艺过程的概念；2）综合实践训练。在学生完成基本教学课程的基础上，根据不同专业，培养学生的工程意识，提高学生的综合实践能力；3）研究创新训练。鼓励学生自选课题，在教师指导下，利用创新室和网络系统及先进的仪器设备，完成科技作品制作和科研创新活动。

在实践教学中,要充分发挥实验教学的主导性。实验教学是重要的课内实践教学环节,具有针对性强、计划性强的特点,要重视实验教学环节的质量与效率,优化实验教学体系,更新实验教学内容,减少验证性实验,增设设计性、创新性和综合性实验。体现和突出基础层次、提高层次和设计创新层次等三个层次。通过多层次的实验教学,使学生的实践动手能力、分析问题解决问题能力、创新意识等得到了培养和提高,为创新设计打下了坚实的基础。

按照新的人才培养计划，对学生实践能力的培养应该体现到探索有专业特色的实践课程体系，不断更新实践教学内容，提高学科之间的渗透，增强应用型较强的综合性、设计性内容。

2.2 基于CAX技术的多层次创新训练平台建设

2.2.1建立面向三维CAX技术创新设计实验室

为了进一步培养工程类专业学生的创新设计的意识与能力，应建设面向三维的CAD/CAM创新设计实验室。经过论证，建立测绘与反求实验室、创新组合实验室、数控加工仿真实验室，这些实验室为学生的实践教学提供了很好的平台。

(1)测绘与反求实验室。测绘与反求实习时以小组为单位,为期一周,对实际工程中常见设备的零部件进行拆卸、测绘、创新设计、装配,并绘制零件草图；利用计算机进行三维建模、仿真设计等等。使学生具有综合应用本课程及相关课程知识的能力,掌握零部件测绘创新设计方法；提高动手能力,增强团队协作精神,训练徒手绘草图的技能；根据零部件能和工艺,改进零件结构,提高创新能力和工程意识；利用计算机进行零部件建模和创新,增强三维建模知识,提高计算机应用能力,掌握现代设计方法和手段。

(2)创新组合实验室。如机械类专业的创新组合实验室可以德国慧鱼(fischer)集团生产的全套“创意组合模型”为基础建立的创新实验室。该模型由机械构件、电气构件、气动构件等组成。学生可以利用上述构件,综合应用所学知识,创造出各种优秀作品。通过创意模型的搭建,在一个不断尝试并改进的过程中学会一些技术概念,培养同学们的创造性思维能力,提高设计水平;并通过构件的安装、拼接、组合、调整,不断完善自己的构思创意,提高动手能力。

(3)数控加工仿真实验室。学生利用数控加工仿真实验室可进行包括数控加工的实体造型及自动编程、数控加工的计算、CAD/CAM集成等仿真训练,学习现代的加工方法；在该实验平台的支持下进行相关毕业设计、课程设计、综合实验及创新研究。

2.2.2 开放实验室,引导学生自主创新

实验室对学生开放,是实验室管理改革的方向,是提高实验教学质量与效率的重要手段。实验室对学生开放,学生通过“自带”实验项目和“指定”实验项目相结合的方式，掌握现代技术的基本理论和设计方法，经历从设计到制作,完成整个过程；在实验过程中，培养创新能力和科学技能。

2.2.3 大力开展第二课堂活动,培养学生工程实践和创新能力

培养学生工程实践和创新能力仅仅依靠第一课堂是远远不够的,必须大力开展第二课堂活动,吸引广大学生积极参加课外实践活动,使第一课堂与第二课堂相互补充,提高学生的科学素质与创新能力。

(1)指导大学生进行科技创新活动。在创新指导活动中,重视学生个性培养,给学生充分的思维与创造的自由,为优秀学生的脱颖而出创造条件。

(2)开展面向三维的CAD/CAM创新设计大赛。学生具有丰富的创造潜能,一旦有了表达的手段和工具,他们就会将自己的创造性思维变成为具体的三维作品。方法上采取学生自主设计为主,教师指导为辅,课内学分和课外学分相结合。

3 更新实践教学手段，探索与CAX技术相适应的教学方法

教育资源的缺乏是长期困扰实践教学质量提高的难题，也是实践教学改革深入发展的瓶颈。随着高等学校招生人数的扩大，要实施创新人才的培养，教学资源紧张已经成为困扰各校的更普遍问题。为此应整合学校院系优质教学资源，合理安排教学各环节的任务分配，将有限资源的效用达到最大化。

3.1建立校内网络，实现资源共享

开发基于Web的工程训练网络管理信息系统和分布式产品设计与制造控制的CAD/CAM系统。小型的分布式CAD/CAM系统为高年级和研究生参与产品创新设计和制造提供平台。基于此平台，创新者可以在教师指导下独自或以自由组合的形式完成从产品构想、模型设计到加工工艺确定和数控加工的大工程训练。这些举措有效地整合了师资和实践场地资源，提高了办学效益。

3.2 充分利用计算机网络技术获取微教学单元和素材库，丰富学习资源，实现开放教学、交互教学

另一方面，计算机网络技术没有时间和地域的限制，并为我们提供了丰富的资源和手段，将CAX技术与网络技术结合起来，能有效地降低成本，在国内外网站上有着丰富的CAX技术的资料以及各CAX技术制作的产品素材库，各种CAX软件的学习资源以及教师和学校开发建立的课程学习网站，学生可在任意时间上网学习。促使教学手段更新，把原来的封闭式教学系统变成开放式教学系统，自主学习，提高学习效率；教师和学生在网络上还可以建立交互式教学平台，实时交流。

4 常用CAX软件及其配置方案

以机械专业为例，配置如下，其他专业根据各自专业特点进行配置。将有限元分析、机械动力学分析、虚拟样机制造技术引入到工程力学、机械原理、机械设计中；将可靠性设计、人机工程、优化设计、并行工程、反求工程、工艺过程设计、概率设计等现代设计方法引入到工程设计课程中。

4.1 机械类常用CAX软件

低端CAD：AutoCAD、KMCAD、CAXA电子图板等；

中端CAD/CAM：MasterCAM、Cimatron、Powermill、SurfCAM等；

中端三维CAD：SolidEdge、Solidworks、Autodesk.Mechanical Desktop等；

流动分析CAE：Moldflow、C-mold等；

有限元分析软件：ANSYS、NASTRAN等；

CAD/CAE/CAM集成化系统：ProEngineer、Unigraphics、CATIA、I_DEAS等模块化集成；

机械动力学分析软件:ADAMS、DADS等。

4.2 CAX软件配置方案

各种CAX技术软件具有其特点和侧重点。一般以高端集成化的CAX软件PRO/E、UGII、I—DEAS等配置，这些软件都具有较好的兼容低端CAX产品性能，并能与主流的机械动力学软件ADAMS、DADS等直接交换数据、实体模型，甚至是无缝接口，如Pro/E与ADAMS。

5 结束语

基于CAX技术的工程创新训练教学改革有利于学生学习和掌握课程内容，更有利于创新能力的培养；有利于促进CAX技术在企业中的进一步深化应用和发展，提升产品的设计、制造、研发能力和创新水平，由制造大国向制造强国转化。

参考文献：

[1] 段红杰,于善启.面向三维CAD/CAM技术的机械类专业教学改革的研究与实践[J].郑州航空工业管理学院学报(社会科学版),2007,26(5):125-127.

[2] 段红杰,樊宁,何培英,等.用三维实体设计系统改革机械类课程及教学的实践[J].扬州大学学报(自然科学版),2005,(3):123-126.

[3] 徐达.基于三维技术的机械类课程教学改革研究与实践[J].装甲兵工程学院学报,2003,17(4):12-14.

[4] 何培英.构建教学网络资源库以实现资源共享[J]. 计算机技术与发展,2006,(4):206-208.

[5] 姚兴军,沈文君.基于CAX技术的仿真教学方法[J].农机化研究.2004,(2):255-257.□

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