譚曉丹，蔣 歡，陳 麗

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CATIA軟件在職業(yè)院校汽車專業(yè)教學中的應用

譚曉丹，蔣 歡，陳 麗

（邢臺職業(yè)技術學院 汽車工程系，河北 邢臺 054035）

利用CATIA軟件中的草圖模塊、裝配模塊、DMU（Digital MockUp）模塊等實現(xiàn)了汽車零部件及其總成的靜態(tài)和動態(tài)展示，有效提高了學生的興趣和積極性，取得了良好的教學效果，從而提高了學習的效果。

CATIA；信息化教學；汽車檢測與維修

汽車檢測與維修專業(yè)主要課程包括汽車構造與拆裝、發(fā)動機機械系統(tǒng)的檢測與修復、汽車傳動系統(tǒng)的檢測與修復、車載網絡系統(tǒng)的檢測與修復、汽車機械基礎等。盡管各院校都加大了職業(yè)院校中實踐內容的學習，進行任務式教學，但由于服務于這些課程教學的操作類教具更新速度較慢，無法達到與汽車市場整車與關鍵零部件型號與功能的高度同步性，這就要求高職院校汽車專業(yè)技能類課程的教學，不僅要通過課程的合理化設計使學生掌握必備的維修檢測等實踐技能，同時，也需要學生對相關設備及其關鍵機構的工作原理、失效機制以及故障成因具備一定的理論基礎，從而達到舉一反三的教學效果，并使學生養(yǎng)成有效的診斷思維和核心專業(yè)素養(yǎng)，達到培養(yǎng)成長型專業(yè)技術人才的教學目的。但是在實際教學過程中，以就業(yè)為目的的教學導向使得高職院校學生容易重實踐輕理論，由于自身的局限性，學生很難深刻理解理論學習在自身能力素質構建方面的重要性與緊迫性。加上學生本身數(shù)理基礎較為薄弱，傳統(tǒng)的以計算推演與實驗分析為基礎的理論教學很難調動學生的主觀積極性，這更加要求在汽車檢測與維修專業(yè)相關理論課程的教學方法與授課技術方面有所創(chuàng)新，以適應愈加精細化和專業(yè)化的汽車市場用人需求。

一、信息化教學系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，信息化教學通過將現(xiàn)代網絡技術與軟件技術運用于課堂，用來替代傳統(tǒng)的講授式教學，極大地增強了學生的課堂參與度與師生互動性，在高職教育領域展現(xiàn)出了良好的應用前景。作為一款在全球汽車工業(yè)全產業(yè)鏈中占有重要地位的設計軟件，CATIA軟件具有強大的圖形處理功能、模擬計算能力以及友好的用戶界面和便捷的虛擬現(xiàn)實接口技術，易學易用，是實現(xiàn)汽修專業(yè)信息化教學的理想平臺。

在工業(yè)生產領域，尤其是汽車制造方面，利用三維設計技術與虛擬現(xiàn)實技術，不僅可以在工廠建設期間便可以對技術工人進行操作培訓和工程訓練，還可以對實際生產中的瓶頸工位或工藝進行有效的改善，在提高效率的同時，還極大降低了技術風險和廢品率。早在上世紀90年代，隨著CATIA等三維交互式設計軟件的出現(xiàn)，DMU技術就被奧迪列入其發(fā)展戰(zhàn)略，從早期單純在懸架系統(tǒng)設計方面的應用，逐漸推廣到整車裝配技術等系統(tǒng)工程方面[1]。寶馬3系萊比錫工廠由于在早期工廠設計階段就引入了操作模擬技術，因而在投產后，誤操作率橫向比較減少了50%[2]。沃爾沃汽車公司通過數(shù)字化操作員模擬系統(tǒng)（DHM：Digital Human Modelling）對整車裝配工藝的人機工效進行評價，并對比真實人員裝配效果，直觀地量化評價了虛擬裝配系統(tǒng)的預測準確性、適用性、優(yōu)勢與不足[3]。卡瑪茲卡車公司（KAMAZ）自2008年以來，持續(xù)與高等院校展開合作，通過虛擬車輛和虛擬生產線項目使學生真切感受設計變化對產品性能與裝配生產帶來的影響，從教學效果的對比數(shù)據(jù)上來看，該培養(yǎng)模式顯著提高了學生的專業(yè)素養(yǎng)[4]。大眾集團則在2018年發(fā)布了其下階段的虛擬中心計劃，通過與虛擬技術公司Innoactive以及硬件供應商HTC展開戰(zhàn)略合作，旨在為旗下奧迪、西亞特、斯柯達以及大眾品牌提供跨品牌、多工種的柔性員工培訓，并占領未來汽車工業(yè)的虛擬技術高地。

反觀國內，虛擬現(xiàn)實技術與三維設計技術的結合目前尚處于研發(fā)與應用的初級階段，目前并沒有整車廠家大規(guī)模將該技術實際應用到大規(guī)模工業(yè)生產中，大多仍處于探索與論證階段。然而，大數(shù)據(jù)時代和5G時代的到來，必將推動中國汽車工業(yè)的轉型升級，可以預見的是，虛擬現(xiàn)實與三維設計結合的信息融合技術，將在倡導節(jié)能環(huán)保的未來汽車工業(yè)全產業(yè)鏈中扮演重要的角色。這就更加要求高職院校著眼新時代的發(fā)展趨勢，以高度的使命感與危機感，同時結合自身行業(yè)參與度高、教學針對性強的優(yōu)勢與特點，及時開展基于虛擬現(xiàn)實與三維設計技術的汽車檢測與維修專業(yè)教學創(chuàng)新，為汽車行業(yè)源源不斷地輸送合格的專業(yè)技術人才。

二、汽車專業(yè)信息化教學系統(tǒng)架構

基于虛擬現(xiàn)實技術與零部件三維數(shù)字模型構建的信息化教學系統(tǒng)，不僅顯示出傳統(tǒng)拆裝教學無法比擬的安全性與便捷性，同時，基于數(shù)據(jù)庫技術的信息化教學系統(tǒng)可以快速構建與更新資源庫中的新型號零部件，保持與市場需求的高度同步性。此外，由于信息化教學系統(tǒng)基于數(shù)字信息構建，該系統(tǒng)可以對教學效果進行直接高效的量化評價。對學生而言，信息化教學系統(tǒng)可以解除傳統(tǒng)拆裝教學的場地與時間限制，僅需計算機、網絡與虛擬現(xiàn)實終端便可隨時隨地進行自主學習，利用系統(tǒng)的評價體系，及時準確地進行調整與提高。此外，信息化教學系統(tǒng)的高度互動性與趣味性也將顯著激發(fā)學生的學習熱情，有助于達成培養(yǎng)目標。

CATIA軟件是構建這一教學系統(tǒng)的重要依托。CATIA軟件是由法國達索飛機制造公司旗下的達索系統(tǒng)公司于20世紀70年代開發(fā)的CAD/CAE/CAM/PLM一體化的工程設計軟件。CATIA軟件有V1-V6總共六個版本，前四個版本的開發(fā)平臺為UNIX，從V5開始可應用于Windows NT平臺。CATIA擁有強大的零件設計和曲面設計功能，在航空領域、汽車領域、造船業(yè)等行業(yè)應用最為廣泛。在汽車領域中，CATIA軟件是歐洲、北美和亞洲主要汽車制造廠商所用的核心軟件，其客戶包括大眾、奔馳、寶馬、豐田、本田、日產、一汽集團、上汽集團等國內外主流汽車公司。

CATIA軟件功能十分強大，包括零件設計、裝配設計、草圖編輯器、工程制圖、曲面設計、加工模擬、數(shù)字化裝配、人機工程設計與分析等模塊，其功能涵蓋從設計、制造到裝配的整個加工過程。CATIA軟件有許多模塊，包括草圖模塊、DMU運動機構模塊、加工模擬模塊等。不同的模塊可以幫助學生理解不同類型的知識點。

具體來說，草圖模塊是一個二維設計平面，通常用于零件的斷面繪制，利用該模塊可代替書本上的機構簡圖，與書本上靜止的機構簡圖相比，具有動態(tài)性和交互性。DMU運動機構模塊能夠進行運動仿真，適用于零部件數(shù)目較多、結構復雜的運動機構，不但可以幫助理解內部結構，還可以清楚明晰零部件之間的配合關系以及運動原理。

三、汽車專業(yè)信息化教學案例

本文以發(fā)動機配氣相位的講解為例，簡要闡述利用CATIA軟件DMU模塊開展高互動性信息化教學的過程。

發(fā)動機是汽車上功能最重要、結構最復雜、成本較高的部件之一，它在汽車上的作用舉足輕重。在汽車發(fā)動機部分，配氣相位是一個重要的知識點。只有掌握了配氣相位的知識內容才能深入理解發(fā)動機先進可變配氣相位技術，包括豐田公司的VVT-i、本田公司的VTEC、寶馬的VANOS和VALVETRONIC，以及奧迪的Valvelift技術等。用曲軸轉角表示的進、排氣門開閉時刻和開啟持續(xù)時間，稱為配氣相位。配氣相位的概念相對抽象，傳統(tǒng)的教學手段是通過多張靜止的機構簡圖或者是由Flash制作的原理動圖來進行講解。這種方式缺乏人機交互性，其背后零部件之間的配合關系不夠直觀，而職業(yè)院校學生抽象思維較為薄弱，因此成為該門課程中一個較難理解的難點。

信息化教學中，首先，利用CATIA中的建模功能建立發(fā)動機配氣機構、曲軸連桿組以及活塞組的三維零件模型，并根據(jù)運動學關系建立對應的運動學約束。在建模階段，使學生通過軟件操作，對主要零部件的形狀與關鍵設計參數(shù)進行復習，同時，授課教師則穿插著對各組件常見故障及成因進行簡要介紹，達到與外語教學中“灌耳音”相類似的教學效果。完成建模之后，利用CATIA軟件中的DMU模塊進行機構的裝配并施加驅動。驅動成功后再利用CATIA軟件中的截面功能建立配氣機構的觀察截面，通過對發(fā)動機工作過程直觀、動態(tài)的展示從而幫助學生更好地理解配氣相位的概念。在此基礎上，通過參數(shù)化設計技術在CATIA軟件中對凸輪參數(shù)進行編輯[5][6]，構建若干種典型凸輪輪廓，使學生可以通過窗口界面對凸輪輪廓進行修改或選擇，結合DMU運動分析，使其可以直觀地觀察到凸輪輪廓的變化對配氣機構性能的影響。

圖1 發(fā)動機裝配體虛擬樣機模型

圖1中所示為CATIA環(huán)境下汽車發(fā)動機內部結構裝配體，包括曲軸連桿組件、氣缸組件、正時系統(tǒng)組件、凸輪組件、氣門及頂桿組件。通過DMU模塊中的命令能夠實現(xiàn)曲軸的旋轉運動、活塞的直線往復運動以及進氣氣門和排氣氣門的開閉等運動學仿真，其中，曲軸的旋轉運動為驅動，其余運動為從動，依靠運動學約束形成對應的運動學關系。

圖2（a）配氣機構觀察截面圖

圖2（b）活塞、氣門、曲軸運動學關系

圖2中所示為曲軸旋轉一周進排氣門的運動行程，其中圖2（a）為觀察界面，圖2（b）為活塞、進氣門與排氣門隨著曲軸旋轉而產生的行程。從圖2（b）可以清晰地看到，在發(fā)動機進氣、壓縮、做功、排氣四個工作過程中，當發(fā)動機進氣時，活塞從上止點往下止點運動，進氣氣門提前一定角度打開，排氣氣門延遲一定角度關閉；壓縮和做功時，進氣氣門和排氣氣門都關閉；排氣時活塞從下止點往上止點運動，排氣氣門提前打開，進氣氣門處于關閉狀態(tài)。進氣氣門和排氣氣門并非在活塞上止點或下止點的位置剛好打開或關閉。通過基于CATIA軟件的信息化教學，使學生直觀、清楚地觀察到了氣門開閉與曲軸運動之間的復雜關系，此外，通過改變凸輪輪廓，使學生了解到配氣機構的工作原理以及不同凸輪輪廓對配氣機構工作性能的影響。

四、結論

將CATIA軟件運用到高職院校汽車相關專業(yè)理論教學課堂中的信息化教學模式可以使學生在課堂上有更多的動手操作時間，不需要過多的語言講授以及公式推演，直觀的演示與觀察激發(fā)了學生的學習興趣，使得學生能夠更加快捷、深刻地掌握相關知識點；同時，信息化教學能夠使師生間進行深入互動，學生之間的協(xié)作學習進一步促進了知識和技能的內化；此外，基于信息化教學系統(tǒng)，合理的教學設計和完善的監(jiān)控、評價機制保障了學生的自主學習效果。教學實踐結果表明，在專業(yè)課程中利用CATIA軟件是可行的，不僅學習效果和學習效率有了較大的提升，而且學生的主動學習能力和實踐能力也得以提高。

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Exploration on the Application of CATIA Software in Digitizing Teaching of Higher Vocational Colleges

TAN Xiao-dan，CHEN Li，JIANG Huan

（Xingtai Polytechnic College, Xingtai, Hebei 054035, China）

This paper explores the application of CATIA software in automotive professional teaching. Through using the sketch module, assembly module and DMU（Digital Mock UP）module in CATIA software, teachers have realized the static and dynamic display of auto parts and their assemblies, thus effectively improving students’ interest and enthusiasm. And this method has achieved good teaching results and improved the quality of learning.

CATIA; information-based teaching, vehicle inspection and maintenance

2018—08—08

譚曉丹（1989—），湖南湘潭人，邢臺職業(yè)技術學院汽車工程系，助教。

G712

A

1008—6129（2018）05—0023—04