桂林市技工院校一体化教学的五把金钥匙

　　摘要：CAD是计算机辅助设计软件（ComputerAidedDesign）的简称，常用的CAD软件有AutoCAD、CAXA、ProE等。CAD只是一个工具，只会CAD，只能重复别人的工作，充当绘图员角色。而妙用CAD软件，则可使数控技术、模具制造和3D打印如虎添翼。为此，本文提出打造桂林市技工院校CAD教学的五把金钥匙：AutoCAD与机械基础课程的结合，CAD与3D打印技术的有效融合，技能竞赛对CAD教学的有效渗透，基于任务驱动的CAD一体化教学，翻转课堂在CAD一体化教学中的有效运用。要真正掌握CAD一体化教学的五把金钥匙，不仅需要优化课程设置，良好的硬件设施，还需要技艺精湛的师资。
　　关键词：技工院校CAD教学一体化翻转课堂
　　技工院校机械类专业通常开设有CAD课。CAD是计算机辅助设计软件（ComputerAidedDesign）的简称。国產软件有：CAXA电子图板和制造工程师、华中理工大学开发的开明CAD、清华大学和广东科龙联合开发的高华CAD。国外软件有：美国Autodesk公司开发的AutoCAD、美国参数技术公司开发的ProEngineer、法国达索的solidworks、德国西门子公司的UG软件等。桂林市技工院校依据机械行业特点、桂林市企业需求以及桂林市中职学生技能竞赛项目要求，开设的课程有AutoCAD、CAXA、ProE等。
　　CAD只是一个绘图软件，一个辅助工具。只会CAD软件操作而机械专业理论不扎实，只能重复别人工作，充当绘图员角色。如果有机械制图、公差配合等专业基础知识支撑，掌握CAD软件才能更好地为专业服务。而妙用CAD软件，更可使数控技术、模具制造和3D打印如虎添翼。为此，笔者将从AutoCAD与机械基础课程结合，CAD与3D打印技术的有效融合，技能竞赛对CAD教学的有效渗透，基于任务驱动的CAD一体化教学，翻转课堂在CAD一体化教学中的有效运用等五个方面，打造出桂林市技工院校机械类专业CAD一体化教学的五把金钥匙。希望五把金钥匙的问世，既有益于学生掌握CAD软件操作，又可以使学生利用CAD软件进一步掌握机械相关专业知识。
　　一、第一把金钥匙：AutoCAD与机械基础课程结合
　　在教学上主要通过AutoCAD与机械制图、公差配合等机械基础课程结合，尤为重要的是AutoCAD与机械制图的有效融合。在典型任务的提取上，以劳动版机械制图习题册为蓝本，内容含平面图、轴测图和立体图。
　　平面图部分：不仅让学生抄画零件图，还要将补画三视图、补缺线等内容用在CAD强化训练中，让学生深刻理解机械制图中的正投影规律也同样适用于CAD绘图，CAD只是一个工具，跟铅笔、三角板和圆规等常规绘图工具相比，它只是利用电脑，提高了绘图速度。如果不遵循机械制图的相关规定，绘出来的图纸是没有工程价值的。在学生绘图的同时，灌输公差配合等相关知识，为后面数控编程、3D打印等专业学习打下坚实的基础。在模具制造专业，可以让学生绘制一套完整的模具图纸。先绘制模具的零件图，然后利用定义块的知识，将零件图一一进行装配。在装配的同时，教师就可以检验图纸设计是否存在错误，配合是否合理。这种强化训练，一方面可以让学生了解模具结构，另一方面可以将错误的发现提前到设计阶段。
　　轴测图部分：轴测图实际还是二维图，它是一种在二维空间表达三维形体最简单的方法。但是用三角板等手工工具绘制比较复杂，效率也不高。如果改用AutoCAD软件，就可以大大提高绘图效率。只要用鼠标轻轻地点击菜单中的工具，进入轴测图模式状态，通过F5切换等轴测平面，就可以绘制正等轴测图了。在绘制轴测图时，可以让学生根据三视图绘制轴测图，或是通过轴测图绘制零件三视图。这种方法既锻炼学生看图能力，又提升他们空间想象力，为后面立体图绘制打下坚实基础。
　　立体图部分：手工绘图只能绘制三视图和轴测图等平面图形，而巧用AutoCAD就可以绘制真正的立体图了。绘制立体图时，先让学生绘制基本体，然后讲解怎样将基本体通过布尔运算等方式组合成组合体。在强化训练中，还可以让学生根据三视图绘制立体图。而在机械制图课程教学中，可以用CAD绘制机械模型，让学生根据模型绘制三视图或补画三视图。这种强化训练使学生能够看得懂机械图纸，同时能想得出物体实形来。
　　二、第二把金钥匙：CAD与3D打印技术的有效融合
　　CAD设计的作品可以打印出实体来，是一件多么迷人的事情。于是人们纷纷尝试3D打印技术。传统的打印只能将作品打印在纸上，而3D打印却可以打印出实形来。那到底什么是3D打印技术呢？3D打印技术即快速成型技术的一种，它是以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印方式来构造物体的技术。3D打印技术在将人们的梦想变成现实的同时，也必将使得人们产生更多奇思构想。无疑，3D打印必将CAD（计算机辅助设计）带入一个新的天地。但3D打印最终又会把CAD带向何方呢？如何妙用CAD软件，才能使3D打印更加如虎添翼呢？
　　3D打印虽然听起来很高大上，但还是要将它归于CAM（计算机辅助制造技术）。从CAD与CAM的关系中不难发现，CAD是CAM的基础。如果CAD没有学好，单纯从网上模型库下载相关模型进行打印，开设3D打印课程就失去了意义。亦如只会操作传统打印机，而不会office系列办公软件。3D打印必须以CAD设计模型文件为基础，通过3D打印软控系统，将3D模型降为2D格式，然后运用粉末状金属或塑料等可黏结材料，通过逐层堆积叠加成型，制造出实体产品来。CAD设计出来的3D模型是3D打印的根本，如果没有好的CAD模型，再高端的3D打印机也是巧妇难为无米之炊。那如何将CAD课程与3D打印进行为效的融合呢？这需要一步步逐渐积累。
　　桂林市技工院校机械专业一年级都开设了机械制图和AutoCAD课程。学生具备了基本的识图能力，并能用AutoCAD绘制三视图、轴测图、零件图、装配图等平面图形，但立体图绘制和空间想象能力还有待提高。
　　在二年级中级工班，可以强化AutoCAD立体图绘制。内容选取主要分为：基本体、拉伸类零件、旋转类零件、组合体。这些简单零件用AutoCAD软件绘制比较容易，但要让学生明白复杂组合体是如何由简单零件组合而成的，从而为以后学习更专业的CAD软件打下坚实基础。绘制好实体后，将DWG文件输出STL格式，就可以进行3D打印了。
　　到三年级高级工班，AutoCAD虽然绘制简单立体图比较容易，但复杂实体绘制却非常困难，甚至无法实现。为了进一步提高学生三维实体的绘制能力，高级工班最好开设ProE或UG等课程。内容上与机械制图的课程相对应，包括轴类、盘类、拨叉类、箱体类等零件。条件允许的话，还可以将装配图的零件一一打印，然后进行组装。这样的话，一方面可以进一步提高学生的空间想象能力，另一方面，通过零件组装，让学生明白各种机器的装配原理。
　　三、第三把金钥匙：技能竞赛对CAD教学的有效渗透
　　桂林市中职学生技能竞赛中用到的CAD软件主要是AutoCAD和CAXA。AutoCAD主要是用在机械制图和AutoCAD应有项目。CAXA主要是用在数控车工与数控铣工项目。
　　AutoCAD教学方面。常规的教学只是教会学生使用该软件，但桂林市中职学生技能竞赛的AutoCAD项目，却对学生机械制图能力提出更高要求，比赛的理论部分就是机械制图手工绘图，而实操部分，包括用AutoCAD绘制零件图、补画三视图、根据三视图绘制立体图等。那么，笔者平时在强化训练时，在教学内容的选择上，就不光只是抄画零件图，应包括补画三视图，根据三视图绘制立体图，根据轴测图绘制三视图等。这种强化训练能让学生明白，CAD只是一个工具，只有掌握机械制图知识，才能真正看懂图纸，加工出合格产品来。
　　CAXA教学方面。数控车工和数控铣工除了要求学生手工编程外，还对计算机辅助编程提出更高要求。而计算机辅助编程步骤是：零件的几何建模，加工方案和加工参数的合理选择，刀具轨迹的生成，数控加工仿真，后置处理。桂林市技工院校机械专业开设的计算机辅助编程软件主要是CAD中的CAXA软件。CAXA软件的教学应该在AutoCAD教学的基础上，强化CAXA实体造型和编程，有条件的还可以开设数控仿真，将加工制造的缺陷发现在模拟阶段。
　　四、第四把金钥匙：基于任务驱动的CAD一体化教学
　　在传统的CAD教学中，老师只是简单教会学生CAD工具和命令的使用。老师教一个图，学生就会一个，学生自主学习不够。而基于任务驱动的CAD一体化教学，可以让学生变被动为主动，在做中学，在学中做。在学材的编写上，可以将CAD教材中的章节融入到一个个具体的学习任务中。学生通过对任务的实施掌握CAD绘图技巧，理解各命令含义。在学材编写方面，平面图和轴测图重点以AutoCAD软件为主，三维造型则以ProE或UG为主，任务涵盖基本体、拉伸体、旋转体、组合体、曲面造型等，其中包含轴类、盘类、拨叉类、箱体类等零件。学生在掌握软件同时，熟悉各零件结构特点，可以为后面专业操作打下基础。
　　五、第五把金钥匙：翻转课堂在CAD一体化教学中的有效运用
　　一体化教学，可以让学生成为学习的主体，激发学生学习兴趣。但是CAD教学都是运用计算机来完成的。如果能将翻转课堂与一体化教学有效地运用在CAD教学中，那么CAD教学将如虎添翼。什么是翻转课堂呢？所谓的翻转课堂，就是教师创建教学视频，学生在家中或课外观看视频中的教师讲解，回到课堂上师生面对面交流和完成作业的一种教学形态。而在CAD教学中，如何将翻转课堂与一体化教学进行有效融合呢？首先是课前学习：课前将CAD教学微课或视频以及CAD任务书通过微信或QQ传给学生，让学生自主学习，并草拟任务计划书。接着是课中内化：课中学生通过小组讨论，协作分工，共同探讨完成任务书，教师则采用个性化指导，形成新的认知结构。然后是评价反馈：学生通过小组评价，指出学习中存在的困难，教师则采用集体化指导与个性化指导相结合的方式进行答疑解惑。然后是研讨总结，进行教学反思，优化并开发微课程。最后是课后巩固：课后再通过反复观看微课等视频，巩固课堂所学。翻转课堂在CAD一体化教学中的有效运用，是桂林市技工院校将学校的信息化与一体化教学进行有效融合的有益尝试。
　　六、如何才能使五把金钥匙发挥其神奇的魔力
　　首先，在教学计划安排方面，AutoCAD课程最好安排在一年级的下学期。因为这个时候，学生已经学习了机械制图课程一个学期，基本掌握了机械制图的基本知识，对三视图的原理也有了初步的了解。AutoCAD课程的及时开设，既便于AutoCAD课程和机械制图的有效融合，又便于为桂林中职学生技能竞赛机械制图和AutoCAD两个项目培养好苗子。到二年级上学期，则可以开设CAXA制造工程师。CAXA电子图板和AutoCAD课程极为相似，要求老师只对CAXA电子图板与AutoCAD不同的地方进行介绍，教学的重点放在CAXA制造上。为什么这样安排呢？因为学生一年级已经学习了AutoCAD，已经基本掌握了简单立体图的绘制，对立体图形的成形原理，有了初步的了解。这个时候开设CAXA制造课程，既可以强化学生绘制复杂三维图形的能力，又可以教会学生CAXA辅助编程技术和数控仿真。二年级的学生是技能竞赛的主力军。CAXA制造的开设将极大地提高他们的数控编程能力。到了三年级高级工班，随着3D打印课程的开设，可以增设ProE或UG课程。虽然AutoCAD也可以绘制简单的立体图，输出3D打印所需的stl文件，但对于复杂曲面造型却束手无策。CAXA制造虽然在造型方面功能也不错，却不能直接输出stl文件进行打印，而ProE或UG课程的开设则可以弥补这些不足。
　　其次，桂林市各技工院校近年来进行的国家级或自治区级高技能人才基地项目建设，在学校一体化实训室建设和学校信息化建设中投入了大量的资金，机械制图和CAD一体化实训室的创建卓有成效。同时，每个学校都建有数控仿真实训室，每个常规教室也配备有先进的云博士多媒体教学智能终端。云博士将传统的计算机、实物展台、无线MIC、读卡器等功能集于一体，特别是实物教学摄像功能，为CAD一体化和翻转课堂的教学提供了有力的硬件支撑。3D打印一体化实训室的建立，为CAD与3D打印的有效融合提供了便利的条件。
　　第三，开设了合理的课程，有了完整的配套硬件设施，不仅要求桂林市技工院校教师机械专业技能过硬，还要求教师计算机操作技能娴熟，对于3D打印等新兴技术也要与时俱进地进行学习。目前，高素质CAD教师的欠缺，是掌握CAD一体化教学的五把金钥匙最大的瓶颈。而要破解这个困局可以從以下方面努力。第一，要优化教师引入的渠道。将相关专业和桂林市相关企业具有丰富CAD操作经验的人才引入学校任教，对学校机械专业教师进行传、帮、带。第二，教师定期轮岗实习。可以让广东国光电器等企业派工程师到学校进行3D打印培训，也可以让桂林福达有限公司等桂林本地企业派技术人员到学校进行CAXA数控编程培训，同时可以派教师定期到相关企业学习，使学校和企业建立长期稳定的合作关系。第三，加大培训力度，开设专题讲座。第四，完善评价体系，优化绩效激励机制。
　　最后，要真正掌握CAD一体化教学的五把金钥匙，除了好的教学计划，完善的硬件设施，精良的师资，还需要编写适合桂林市技工院校CAD一体化教学的学材。比如教材在典型任务的提取上，零件应该涵盖轴类、盘类、拨叉类、箱体类等机械零件。在学材内容上应该包含平面图、轴测图、立体图、装配图等。条件允许的话，如轴类零件CAXA学材的选取，可以结合桂林本土企业桂林福达曲轴有限公司的曲轴编程进行编写。学生在课堂上进行一体化学习，将来参加工作也可以拿来参考，可以极大地提高学生学习兴趣。
　　总而言之，只要桂林市技工院校全体同行勤于探索，行政主管部门大力支持，优化教学计划，完善硬件，配备精良的师资，编写合适的一体化学材，掌握CAD一体化教学的五把金钥匙便指日可待。
　　参考文献：
　　〔1〕雨晨。3D打印会把CAD带向何方〔N〕。中华读书报，2013317。
　　〔2〕袁芳。技工学校机械制图和CAD课程整合〔J〕。软件：教育现代化，2014（6）。