材料成型CAD/CAE/CAM实验教学中任务驱动教学法的应用
【中图分类号】G 【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2017）05C-0068-02
??验教学是高等教育中的一个重要环节，尤其是对于材料成型与控制工程这类具有很强实践性的工科专业来说。作为材料成型与控制工程专业的一门主要课程，材料成型CAD/CAE/CAM课程主要培养学生掌握材料成型中的产品三维造型、材料成型的计算机辅助设计、成型过程的计算机模拟、数控加工等现代化的成型技术和方法，其实验教学在学生综合能力培养及前沿应用软件及技术的掌握方面起着举足轻重的作用。但由于该课程涉及的知识面广，对数学、力学、机构学等方面的理论知识要求较高，而且该课程一般安排在第五学期进行授课，部分理论知识对本科生来说还很抽象和深奥；同时，在前期的学习阶段，学生对机械加工、工艺编排等实践操作知识也掌握很少，因而传统教学方法的教学效果不佳，尤其是学生无法将相关的理论知识和操作技能进行有效的融会贯通。因此，探讨该课程的新的教学方法显得尤为重要。
一、材料成型CAD/CAE/CAM实验教学中任务驱动教学法的优势
材料成型CAD/CAE/CAM课程涉及材料成型工艺学、工程力学、计算机模拟、机械加工工艺等理论知识，以及三维造型、计算机仿真、数控加工编程、有限元分析等实际操作技能。可见，该课程内容宽泛、理论性强，对实践操作能力的要求较高。材料成型CAD/CAE/CAM课程的教学要求为：根据相关的设计理论知识，熟练运用UG软件，对中等复杂程度的塑料、五金等产品的成型过程及其成型设备，熟练进行运动仿真、有限元分析、成型过程模拟、数控编程加工等操作。
材料成型行业由于其理论性和工程实践性都较强，对于没有生产经验的本科生来说，难以有效地将相关理论知识运用在实际的设计过程和生产过程中，这是导致学生就业能力差的主要原因之一。传统的教学模式是围绕教师展开的，以教师讲授为主、学生学习和练习为辅，这种教学模式一般是针对以理论知识为主的课程而设计的。而材料成型CAD/CAE/CAM课程以教授UG软件的操作技能为主，以讲解材料成型的优化设计和加工的理论知识为辅。可见，传统的教学模式并不适应该课程的实验教学。因此，探讨新的教学方法是非常重要的。
根据多年以来的实际教学经验总结，并结合具体的课程要求和实际情况，本文提出采用基于任务驱动的教学法来进行材料成型CAD/CAE/CAM的实验教学。任务驱动教学法最初出现形式是德国工科院校的“双元制”教学模式的行动导向教学方法。与我国的教学情况不同，德国的工科院校同时兼具职业教育的功能，对学生同时教授理论知识和操作技能，培养目标是高级工程师。为了适应智能制造的需要，我国当前的工科教学改革目标也逐渐向这个方向靠拢。
一般来说，任务驱动教学模式是一种探究式的教学方法，主要以适当的实际项目例子为先导，将相关教学内容设计为不同的任务，并将其作为驱动，通过引导和帮助学生解决对应的任务，同时培养学生用理论分析问题和实际解决问题的能力，从而在完成相关任务过程中同时掌握理论知识和操作技能。此外，通过正确的引导和分组教学，还能培养学生发现问题、抽象总结和团队合作等能力。
二、材料成型CAD/CAE/CAM实验教学中任务驱动教学法的具体应用
（一）实验教学任务的设计
根据教学大纲，材料成型CAD/CAE/CAM课程的培养目标是：培养并行设计的思想，在成型产品定型生产之前，运用高性能的计算机和相关软件，对材料成型的全过程进行模拟和分析，并根据分析结果不断进行优化和改进，确定最优的成型加工过程，从而大大缩短设计过程和提高设计效率，并预先解决实际生产中可能出现的各种缺陷和难题。实验教学的任务是：学生熟练运用UG软件，对塑料制件、五金制品、铝合金产品的成型过程进行优化设计和模拟，确定合理的成型方案。本文主要以塑料制件为例来进行阐述，其他类型产品的教学过程类似。
根据实际生产过程，首先确定塑料制件的成型过程主要包括：产品设计、成型性能分析、注射模具设计、零件加工、模具装配、注塑生产。于是，可以将教学任务划分为6个任务，分别涉及和覆盖不同的知识点。任务1：利用UG软件的三维造型功能，完成产品设计的任务。这主要涉及力学分析、曲面设计等课程的理论知识。任务2：利用UG软件的有限元分析功能，完成成型性能分析的任务。这主要涉及热力学分析、塑料成型工艺等课程的理论知识。任务3：利用UG软件的三维造型功能，完成注射模具设计的任务。这主要涉及塑料模具设计、机械设计等课程的理论知识。任务4：利用UG软件的数控编程功能，完成零件加工的任务。这主要涉及模具制造工艺、机械制造基础、数控机床等课程的理论知识。任务5：利用UG软件的三维装配功能，完成模具装配的任务。这主要涉及机械制造基础、公差与互换性等课程的理论知识。任务6：利用UG软件的运动仿真功能，完成注塑生产的任务。这主要涉及成型设备与操作、生产管理等课程的理论知识。
以上划分的6个教学任务，完全覆盖了塑料制件注射成型的全过程，同时也涉及材料成型与控制工程专业大部分专业基础课程的理论知识。通过操作演示、分组讨论、讲解辅导等方式，帮助和引导学生在计算机上独立完成对应的实验操作，并要求学生正确撰写实验报告，让学生在熟练掌握UG软件操作技能的基础上，将理论知识融会贯通并应用于实际设计和生产过程。而且，通过上述的实验教学过程，培养学生学会分析问题、解决问题以及实际操作的能力，能够同时具备熟练的操作技能和扎实的理论基础，真正适应社会和科技发展需要。 （二）任务驱动教学法的实施过程
任务驱动教学法是围绕实际任务而展开的，以学生的实际练习和讨论为主，教师主要担当组织和引导工作。主要实施过程为：
第一，为了满足相关教学的要求，配备有高性能计算机（i5-6500的CPU、8G内存、专业绘图显卡）的实验室，并安装UG8.5、Office2010、AutoCAD2010等?件。每一位学生都有一台单独的计算机，可以独自进行相关的操作；并与教师计算机构成一个主从局域网络，以便教师进行讲解和辅导，以及进行分组讨论和操作演示。
第二，合理选择实际塑料制件。选择复杂程度适宜的制件是执行本教学法的关键因素之一，合理的制件使得教学过程可以涉及预期的理论知识和操作技能，并控制教学进度。实际教学中，选择中等复杂程度的制件：具有多个不同类型的形体结构或简单曲面，具备侧抽芯的结构。为了避免学生抄袭，应确保每个学生的制件都是不同的；同时，为了培养学生的团队合作和沟通协调能力，同组学生的制件也不能差别过大。因此，在实际教学中，同组学生一般选择同系列或相近规格的产品，不同组之间的产品具有较大的差别。
第三，在每个任务开始之前，集中向学生讲授或复习所涉及理论知识。一般来说，理论教学所占用时间较少，只需学生能够正确地找到相关知识即可，具体的学习过程需要学生独立完成。此外，还需要讲授相关的UG软件的操作命令、操作过程、注意事项等技能，从而使得学生具备独立完成教学任务的实际操作能力。
第四，在理论教学之后，要求学生独立进行任务操作；同时，以小组为单位进行讨论。对于在完成任务过程中出现的问题，首先要求学生自行解决，其次要求在小组内解决，最后才通过教师进行解答。这种方式可以培养学生正确的设计习惯、更快的学习速度、更良好的发现和解决问题的能力。在教学过程中，通常是完成一个任务之后，再进入下一个任务。
第五，教师根据在实际教学过程中和巡视过程中发现的问题进行集中总结和分析，指出解决方法和途径，并要求学生在课后进行充分的练习。同时，还需要设定和把握好任务进度，对于完成任务较快的学生，可以额外增加一些更深层次的子任务或要求。最后，在每个任务完成之后，进行讲评和成绩判断，并指出存在的问题。
三、材料成型CAD/CAE/CAM实验教学中任务驱动教学法的实施效果
为了验证所提出实验教学方案的效果，笔者在某校三届学生的材料成型CAD/CAE/CAM课程教学中实施了任务驱动教学法，取得了良好的效果：
首先，该方案能够进行实际的设计操作，教学过程不再是枯燥的理论讲解和简单的演示，有效地提高了学生的学习兴趣。
其次，该方法围绕实际产品的真实设计过程而展开，并且通过学生独立完成相关任务，使得学生能够将理论知识和实际操作融会贯通，有效地提高了发现问题、解决问题的能力。由于在教学中接触到真实的材料成型设计过程，学生在第四学年的工作面试的成功率较高，而且还能在毕业后更好、更快地适应新工作。此外，该方案还提高了学生的团队合作和分工协作能力，这对学生将来的工作是很有帮助的。
最后，学生由于对实际产品的真实设计过程进行了学习，较好地掌握了实际操作技能和理论知识，后续的课程设计和毕业设计的质量得到了较大的提高。
综上所述，本文在总结已有实验教学成果的基础上，结合材料成型与控制专业的具体特点、专业要求和实际教学条件，提出将任务驱动教学法实际应用于材料成型CAD/CAE/CAM课程的实验教学过程中，通过围绕实际产品的材料成型过程展开实验教学。教学实践证明，该方案有利于激发学生的学习兴趣，提高理论知识和实际操作技能的相互融会贯通能力。
