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摘要:
以工程教育認證為導向，文章分析了材料成形CAD/CAE/CAM課程的現狀及存在問題，結合課程自身特點，主要從教學內容、教學方式和考核方式三方面對課程進行初步改革探索，文章指出課程的教學改革要以學生為中心，充分考慮學生多樣化所帶來的個體差異性，培養學生的自主學習能力和創新實踐能力。
關鍵詞:
材料成形CAD/CAE/CAM;工程教育認證;教學內容;教學方式
計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助工程(CAE)和計算機輔助制造(CAM)是先進材料加工技術的重要組成部分。材料成形CAD/CAE/CAM是材料科學與工程學科的一門專業課，涉及計算機、機械、材料及數學、力學等多學科知識，是課程設計、畢業設計等后續課程的重要基礎，也是一門與工程實踐密切相關的課程。該課程具有較強的綜合性，不僅要有扎實的專業理論基礎，還要求有一定的計算機軟件運用能力，學習難度較大，此外，新時期工程教育認證的實施，對培養計劃、課程體系構建及課程建設提出了新的要求，材料成形CAD/CAE/CAM課程的教學也要與時俱進，因此，有必要對該課程的教學內容、教學方式和考核機制等環節進行改革探索，使之在工程教育認證的導向下，適應福州大學材料科學與工程學院(以下簡稱“我院”)的培養計劃和學科建設要求。
一、材料成形CAD/CAE/CAM課程改革的背景
(一)中國工程教育認證
2013年6月我國成為國際工程教育互認協議———《華盛頓協議》的預備會員，這是促進我國由工程教育大國向工程教育強國轉變的重要轉折點。該認證旨在培養大量高素質創新型工程技術人才，為國家在全球一體化發展趨勢下推進工業化進程，建設創新型國家服務［1－3］。工程教育專業認證的核心理念是以學生為中心，要求專業課程體系設置、師資隊伍配備、辦學條件配置等都圍繞學生能力培養這一核心任務展開［4］。福州大學是教育部首批“卓越工程師教育培養計劃”的試點高校之一，也是國內較早開始進行本科工程教育認證的高校之一，在工程教育方面取得了一定的成果，具有較好的基礎條件。2014年以來，我院也積極開展工程教育認證的申請工作，對培養計劃和學科建設進行了相應的調整和改進，因此，對材料成形CAD/CAE/CAM課程建設也提出了新的要求。
(二)材料成形CAD/CAE/CAM課程現狀及改革需求
材料成形CAD/CAE/CAM課程是我院金屬方向的專業必修課之一，具有多學科交叉、實踐性和實用性強等特點，課程內容主要介紹材料成形CAD/CAE/CAM技術的基本概念、原理和方法，掌握CAD三維造型技術和信息交換技術，CAE數學建模技術和有限元模擬仿真技術，以及CAM數控加工技術和數控編程技術等在材料成形過程中的具體運用。傳統的教學方式重理論輕實踐，課程內容側重于介紹CAD/CAE/CAM的原理和方法，尤其是計算機的數據處理和數學建模及優化理論等，而對使用具體的專業軟件進行計算機輔助設計和有限元模擬仿真分析的實踐偏少。對學生工程實踐能力和創新設計能力方面的培養效果不理想，解決實際工程問題的能力不夠。目前我院在工程教育認證導向下材料成形CAD/CAE/CAM課程的建設目標為:培養學生運用CAD/CAE/CAM技術解決實際工程問題的能力，使學生能綜合運用所學的基本理論分析問題、解決問題，將理論分析與工程實踐緊密聯系。對學生的培養目標具體而言有以下三點:
(1)掌握數據分析軟件的使用，掌握材料模擬方法的原理和模擬軟件的使用，能對研究數據進行分析并得到合理有效的結論。
(2)能利用本專業所需的現代工具對材料復雜工程問題進行綜合分析、預測與模擬、制定解決方案并開展實施。
(3)掌握基本的創新方法，具有較強的知識遷移能力，能將材料專業知識應用于工程實踐進行創新研究。在工程教育認證導向下，對課程內容的建設不僅要圍繞課程本身的性質要求，也要結合學院的發展方向，這樣才能使材料成形CAD/CAE/CAM課程在內容建設和學生培養上更具特色和競爭力。此外，學院目前的本科畢業論文選題主要還是以實驗為主，而與工程實踐相關的設計類畢業設計較少，在新時期工程教育認證導向下，“材料成形CAD/CAE/CAM”課程定位就是為了提高學生的設計能力和實踐能力，可以為課程設計和畢業設計打下良好基礎。基于此，筆者認為有必要從課程的知識框架、教學內容、教學手段和考試評價制度等方向進行相應的調整和探索，期望能進一步提高學生的動手能力，培養具有工程素養的創新型人才。
二、教學內容的探索
教學內容的把握應建立在我院培養計劃和課程教學目標的基礎上。隨著工程教育認證的實施以及專業培養計劃和目標的調整，課程學習重點不僅是學習基礎的CAD/CAE/CAM知識，更在于將CAD/CAE/CAM技術應用于具體的材料成形工藝中。如何把CAD/CAE/CAM技術的基礎知識和材料成形的具體工藝有機結合成為本課程教學的一個關鍵所在。原有的課程教學內容已無法滿足新時期培養具有工程素養的創新型人才的要求，因此需要對原有的教學內容進行調整和優化，具體從以下幾方面進行探索。
(1)結合先修課程引入教學內容。目前“材料成形CAD/CAE/CAM”在大三下學期開設，此前學生已學習了材料科學基礎、機械設計原理和實踐、材料制備加工、材料力學性能、材料物理性能等課程，已具備了較為扎實的專業背景知識。然而，我院學生在數學建模、有限元模擬仿真等方面的知識有所欠缺，對如何把專業理論知識和現代工程設計理念結合，并通過相應專業輔助軟件實施感到迷茫。因此，在教學時需增加有限元模擬仿真原理及方法，并結合已學習的專業基礎理論，使抽象的專業問題具體化、工程化。
(2)結合課時調整教學內容。本課程原來的學時數為32學時，培養計劃調整后的學時數為40學時。教學內容的調整既要突出課程要點又要易于學生理解和掌握。首先對以往的課程內容進行補充和擴展，加強對材料成形CAD技術在三維造型和建模方面的理論和工程應用的介紹，加強材料成形CAE技術在實際工程案例中的應用。其次對教學內容的框架進行整合，根據實際的工程應用案例，闡述CAD/CAE/CAM技術在材料成形中的典型應用，包括液態成形、軋制成形、鍛造成形、熱處理、焊接、表面技術等工程應用，將材料成形CAD、材料成形CAE與材料成形CAM相銜接，形成一個有機的知識結構體，更具邏輯性和工程實踐性。
(3)結合科研特色優化教學內容。目前我院金屬方向的科研工作主要集中在高性能金屬結構材料的制備、加工和表面處理方面，這些方向涉及凝固、塑性加工、焊接和表面處理等課程內容。在教學內容中將增加和擴展我院教師在基礎研究和工程應用研究中的最新研究成果，介紹CAD/CAE/CAM技術在材料成形中的新應用。如在講授表面技術CAE時，以李強老師研究的等離子噴涂課題為例，向學生講解等離子噴槍電弧、射流的非穩態模擬，以及等離子噴涂涂層沉積過程累積應力的數值模擬等。通過在教學內容中結合我院教師的科研進展，可開闊學生視野，培養學生的專業興趣，達到了極好的教學效果。
(4)結合工程教育特點加強軟件實踐教學。在教學內容中，大幅增加專業軟件的實踐教學，CAD軟件主要以Pro/E為主，CAE軟件主要以Ansys和MSC．Marc軟件為主，介紹CAD和CAE軟件在材料加工中的應用，突出在工程問題中的軟件應用能力培養。
三、教學方式的探索
材料成形CAD/CAE/CAM課程涉及計算機、機械、材料等多學科知識交叉、滲透和融合，是實踐性較強的一門專業基礎課程，傳統的灌輸式、填鴨式教學方法無法達到預期的教學效果。此外，工程教育認證標準的核心理念首先是要以學生為中心，在課堂內外給學生有力的引導，讓學生獲得較好的學習感受?；诖?，筆者認為課程教學方式改革可從以下幾方面進行探索。
1．利用現代多媒體教學手段闡述學習難點和重點
課程涉及大量的軟件操作和模擬結果分析，傳統的板書式或PPT教學無法清晰生動地講解材料成形計算機模擬仿真實施過程。因此，課堂設置在學院的機房教室，保證學生每人都有一臺計算機進行操作和實踐。此外，在教學過程中，我們還收集大量的圖像、視頻、動畫等資源，將這些資源進行綜合運用，從而將復雜抽象的數學建模和有限元模擬等內容形象生動地展現出來，有助于提高學生理解知識的效率。
2．搭建網絡教學平臺，提高學生自主學習能力
本課程內容多，實踐性強，在有限的課堂學習時間內很難掌握各種計算機輔助成形技術的方法和實踐。因此，本課程在福州大學現代教育技術中心搭建網絡教學平臺，方便學生在課堂之外進行自主學習，擴展知識。在該平臺上，設置了課程通知、答疑討論、作業在線批改、教學課件、教學素材、視頻動畫等功能。此外，還將課程涉及的二維、三維模型構建和材料成形有限元模擬仿真的實例放入該平臺，便于學生課后自主學習。
3．采用互動式教學，關注學生差異性
學生的知識累積程度和學習新知識的能力不同，有些學生理論知識水平較高，而有些學生實際計算機軟件操作能力較強。如何協調和關注學生學習的差異性是教學的難點。工程教育認證標準考慮的也是學生作為個體“人”的發展需要，重視學生的個體差異性。這就要求在教學時，采用互動式教學，多關注學習困難的學生。尤其是在軟件操作的環節，三維造型軟件的功能強大，造型方式多樣，可以針對學生的掌握情況進行差異性指導，而有限元模擬軟件在進行材料成形仿真模擬時，因涉及的材料參數較多，有些還涉及原有的專業理論知識，不同學生理解的程度不同，需要教師在教學時，多跟學生進行互動，及時了解學生的掌握情況和存在的問題，提高班級整體學習效果?？傊?，要探索靈活多樣的教學方式，充分考慮學生個體的差異性，使教學從灌輸式轉向對話式，從封閉式走向開放式，從傳授知識轉變為培養能力，從而提高整體教學質量。
四、考核方式的探索
目前高校大部分課程對學生的評價辦法還是以期末閉卷或開卷理論考試為主，重理論、輕實踐，實踐能力是學生的薄弱環節。針對本課程的特點，搜集材料成形過程的實際問題建立案例庫，每道試題都以一個實際的案例來進行考核。試題的設置要按照課程建設所要求的標準進行，包括試題的類型、內容、難易程度、學生能力等方面。此外，因課程偏向于實踐教學，總成績由平時成績和期末成績構成，平時成績占總成績的50%，包括作業、課堂討論、案例分析和課堂軟件實踐等成績。期末成績主要由大型綜合案例作業來評定。這樣既減輕了學生期末考試的負擔，又調動了學生平時學習的積極性，切實提高學生的實際動手能力。
五、結語
工程教育認證要求以學生為中心，通過評價所有學生的學習成果達成度來評價課程建設的有效性。在工程教育認證標準的導向下，我們對材料成形CAD/CAE/CAM課程的教學內容、教學方式和考核機制進行了探索，在培養學生自主獲得知識和應用知識的實踐能力方面取得了較好的效果。但目前仍處于探索階段，在課程教學中還需進一步探索針對學生個體差異性的多樣化授課方式。
作者：汪炳叔 王晨 李強 單位：福州大學材料科學與工程學院
參考文獻:
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