河南工业大学机电学院 河南 郑州 450007
摘 要：随着机械设计、机械分析及机械制造过程的高度数字化的推进，在高校设置CAD/CAE/CAM软件开发的教学课程对提高学生的专业能力具有重要的价值。然而CAD/CAE/CAM软件开发涉及跨学科知识，对教师和学生的知识背景都有较高的要求，在有限的课时内教好此课程具有一定的难度。本文基于CAD/CAE/CAM软件开发课程的自身特点，在分析知识结构与知识背景的基础上，提出了有效的教学方法。
关键词：高校 教学 CAD /CAE/CAM 软件开发
随着计算机技术的发展，机械设计过程已经从图板与铅笔的传统模式转化为采用CAD软件的无纸化设计方式。零件完成造型之后，需要对其设计的合理性进行分析，采用CAE软件可以完成机械零件或机构的应力计算、运动模拟、干涉检验与热变形等计算过程。在制造业方面，以加工中心为代表的数控机床普及率越来越高，机床切削速度和精度不断提高，加工零件向着高精度、微尺度的方向发展。CAM软件是连接计算机与数控机床的桥梁，通过设计数据生成的控制代码对机床进行控制，完成加工过程。
目前，机械产品的复杂化及标准化的特点对学生的知识储备要求越来越高，具备CAD/CAE/CAM软件开发能力是新时期对机械类专业学生提出的新要求。然而，在机械类本科教学中，计算机语言的教学量在教学大纲中所占的比例较少，大部分还停留在面向过程编程模式的层面上。因此，如何使编程能力较为薄弱的机械类专业学生具备初级的CAD/CAE/CAM软件开发能力，并由浅入深地使其对软件开发的过程、思路及内核具有深刻理解，最终能够熟练使用面向对象的编程语言，利用已有的几何造型内核和显示引擎快速开发出具有实际应用价值的CAD/CAE/CAM软件是本文需要解决的难点与重点。
一、CAD/CAE/CAM软件开发课程的知识结构
在开展CAD/CAE/CAM软件开发课程教学之前，需要了解掌握该技术的知识结构，该课程知识结构的基础是计算机图形学，内容不仅涉及二维与三维图形几何元素的生成，还涉及图像的处理和算法等专业知识。在CAD/CAE/CAM软件开发过程中通常只包含图形方面的内容，可以忽略图像方面的内容来节约教学时间。点、线、面的生成算法、三维几何体的生成、曲面布尔运算是学习的重点。计算机图形学理论基础对后期的模块开发起重要作用；第二层知识结构要求掌握面向对象的C++编程技能以及数据结构在CAD/CAE/CAM软件开发的应用是教学重点和难点。第三层知识结构要求利用C++建立好程序框架和数据结构之后，实现在几何造型内核基础上构建几何元素和实体，快速生成复杂实体和布尔运算。第四层知识结构要求能够将专业的显示引擎作为可视化模块实现快速显示与模拟大型的机械装配体运动的功能。
二、CAD/CAE/CAM软件开发教学思路及流程
CAD/CAE/CAM软件开发这门课程具有知识背景广、跨度大、难度大的特点，通常需要在两个学期内完成教学任务。在教学过程中，首先要引导学生从C语言的面向过程的编程模式转向面向对象的编程模式，深刻理解C++语言中“类”的概念与类之间的调用。除了理论讲解，需要通过上机的操作提高独立编程能力，尤其是对复杂机械几何实体的构建能力。
由于知识基础不同，有部分学生逻辑思维能力强能够很快入门，也有一部分学生不擅长这方面的运用。在设计上机题目时，遵循先易后难的原则，逐步深化，可以通过编写一个小型的数据管理软件，让学生既认识“类”在程序中的地位又了解数据结构中链表与堆栈在数据存储和调用方面的作用。在后期作业中，可布置一些较复杂的程序，例如使用C++自带的图形函数库编写一个简单的绘图软件，要求实现二维简单、规则机械零件的绘制、尺寸标注和特征点捕捉功能。绘制过程中以“类”的形式调用，通过“类”调用C++内部的API函数实现图形的绘制，并且将几何图形的尺寸写入数据结构实现特征点的捕捉。
通过该训练，学生基本上对面向对象的图形软件开发有了较为清晰的认识，为第二学期的深入学习打下良好基础。在第二学期的教学内容中，主要以几何造型内核的讲解为主。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆目前较为流行的几何造型内核有ACIS、ParaSolid、OpenCasCad、OpenGL和DirectX等，其中OpenGL和DirectX属于通用型的造型内核，ACIS、ParaSolid和OpenCasCad是针对CAD/CAE/CAM软件快速开发的专业几何造型内核。OpenCasCad是开放源码的免费内核，但功能和稳定性有限，ACIS与ParaSolid是商业内核，已经具有许多成功的开发案例。与免费内核相比商业内核在函数说明、库函数的容量、数据兼容性方面具有显著的优势，便于学生入门和理解。因此，在教学中最好选用商业试用版内核作为教学和上机使用。ParaSolid和ACIS内核均有显示的功能，但其主要优势在于几何造型，通常利用专业的图形显示内核HOOPS作为显示引擎。因此，在讲授完造型内核后需要介绍显示引擎的显示原理及API函数调用。
在实践阶段，上机训练分为三个阶段：第一阶段是入门阶段，要求学生在VC编程环境下，利用ACIS内核建立典型机械零件的三维模型，并且实现可视化；第二阶段是提高阶段，要求搭建一个多文档结构的应用软件框架，图形显示采用HOOPS内核，造型构建采用ACIS内核。软件功能包括规则几何特征的生成模块，具有复杂曲面的几何模型的构建，实现线之间、面之间与体之间的布尔运算；第三阶段是高级阶段，要求将非拓扑信息加入几何数据库，实现三维实体的自动尺寸标注功能和干涉检验，网格划分等功能，用“类”的形式为软件框架添加功能模块。
三、CAD/CAE/CAM软件开发教学过程中难点与解决方法
根据实际教学情况，讲授此课程的难点主要有：1.如何克服学生心理排斥，机械类专业的学生在计算机技术方面的水平良莠不齐，甚至有相当一部分学生存在排斥和畏惧的心理。因此，需要在教学初期，由教师展示一些趣味性强的采用图形内核编写的游戏等趣味型软件，激发学生的兴趣，并展示程序的流程图和源代码，让学生有一个总体的认识，进而逐步深入。2.C++面向对象的编程的核心思想是“类”概念的提出，取代了C语言中的函数和结构体，使程序能够实现更复杂的功能。需要通过多次的上机操作学生才能熟练掌握“类”的建立和相互调用。3.几何造型内核需要掌握构建实体的原理，认识拓扑信息和几何信息的区别。讲解造型内核时最好先从几何信息入手讲解点、线、面和体的构建，再介绍与拓扑信息有关的布尔运算、搜索算法等。4.几何造型内核与图形显示引擎的交互, 两者需要通过函数调用才能互通，可以先从单个实体的显示入手，讲解点线面的显示，再逐渐讲解包含多个零件的机构显示并介绍二叉树图形显示原理，最后介绍动态显示。
四、结论
CAD/CAE/CAM软件开发是一门实践性强、理论深的课程，不仅涉及大量专业知识而且要求具有较强的编程能力。本文分析了掌握CAD/CAE/CAM软件开发技术需要的知识结构背景，并介绍了在实际教学过程中发现的教学难点与解决方法。该门课程的教学效果不仅对授课老师在相关知识的深度和广度上有很高的要求，而且对学生逻辑思维能力、自学能力也提出了较高的要求。在不断的探索中，机械类CAD/CAE/CAM软件开发的教学将越来越走向成熟。
本文研究内容获得河南工业大学高等教育研究资助项目及河南工业大学校级教学研究项目的支持。
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作者简介
王赞（1978-），男，河南郑州人，河南工业大学机电学院，博士，讲师，主要从事CAD/CAE/CAM软件系统研究。
论文作者:王赞 蔡星宇
论文发表刊物:《教育学文摘》2019年10月总第314期
论文发表时间:2019/8/20
标签：内核论文; 几何论文; 软件论文; 造型论文; 学生论文; 课程论文; 图形论文; 《教育学文摘》2019年10月总第314期论文;