培養學生三維設計能力的研究與實踐

【摘 要】本文根據制造業技術發展和人才培養的需要，以UG作為支撐軟件系統，從理論教學和實踐教學兩個方面入手，有針對性地安排不同的教學內容和實踐環節，研究如何培養本科生的三維設計能力，探索三維設計能力的培養模式，提出學生三維設計能力的培養應貫穿于整個教學全過程。

【關鍵詞】三維設計 培養模式 教學方法

【中圖分類號】G642.0 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810（2013）18-0005-03

隨著三維設計和先進制造方法在機械行業中的廣泛應用與迅猛發展，三維設計技術和制造方式已成為產品設計和加工制造的核心，企業越來越需要會使用三維設計的人才。三維設計CAD系統可直接進行三維設計和交流，即現代工程設計，能完成工程圖樣信息的生成、處理和傳遞，可實現以產品的幾何模型為核心，CAD/CAE/CAM一體化乃至虛擬制造產品的數據管理，以優化設計促進產品改善，以智能設計促進產品創新。三維設計CAD系統是新一代數字化、虛擬化、智能化設計平臺的基礎，是培養創新型人才的重要手段，對高等院校制造業及相關專業的教學內容提出了新要求，必須將現代設計思想和現代設計能力的培養貫穿到整個教學過程中。哈爾濱工程大學利用數字化設計與制造實驗室的師資與設備優勢，為本科生開設了UG與三維設計實踐課程，以UG軟件為平臺，培養學生的三維設計能力，探索教學過程中的模式和方法。

一 三維設計概述

將人們頭腦中思考的物體變成實際物體形式，為此而做出全部信息數據的工作就是設計。三維設計是將產品設計的整個過程數字化，包括以下幾部分內容。

1.建立三維設計理念

將產品的三維設計模型進行數字化模仿。通過造型方法的選擇、創建基于特征的三維模型、圖形圖像理論、模型的數字化和參數化等方式，充分了解三維模型的設計要點。

2.建立三維模型

應用相關的工程軟件對產品進行三維模型的創建，創建模型的同時要考慮生產制造過程，規劃產品對象的功能要求、材料的選用、校核、加工工藝結構合理性、經濟性評價等多方面因素，對人力、物力、財力、時間、場所、信息進行綜合審議。

3.對產品進行功能分析及仿真

利用三維模型對產品的功能進行分析，可以進行有限元計算分析、裝配檢驗、運動學和動力學仿真，并對分析結果進行工程實際應用的可行性分析，通過快速修改設計方案，最終獲得滿意的設計結果。

二 三維設計培養模式的研究

UG與三維設計實踐課程在學生的不同學習階段，有針對性地安排不同的教學內容，循序漸進地培養學生的三維設計能力。為了達到教學目標，教學模式應按照建立設計理念——模擬性設計——創新性設計的全過程培養，使教學內容符合學生的學習認知規律。

1.培養三維設計理念

提高學生的綜合素質及其創造力，必須讓學生掌握先進的設計手段、感受三維設計的魅力、牢固專業志向。在UG與三維設計實踐課程教學階段，精心安排好第一堂課，使學生一開始就對三維設計的特點和強大功能有直觀而全面的認識，通過展示歷屆學生的設計實例，使學生從感性上理解三維設計的主要功能，激發起學習的濃厚興趣。通過實例展示開闊學生的設計思路，樹立學生的三維設計理念，使學生從中學會思考，體會設計的樂趣，為學生的思維、表達、設計和創造能力的提升打下更為堅實的基礎。

UG與三維設計實踐課程教學內容主要涉及軟件的基礎模塊，如曲線繪制、實體建模、裝配、工程圖等。通過教師對基礎模塊的講解，重點訓練學生掌握三維設計基本技能。學生根據教師提供的練習題庫，利用UG軟件完成各模塊的實踐練習，零件的特征建模，零件裝配以及工作過程的動態模擬。在完成三維零件設計及其裝配的過程中，學生不僅提高了二維工程圖的讀圖能力，還加強了對零件功能、結構及其裝配關系的理解，使學生具備了三維設計的基本能力。然后，學生在所學建模方法的基礎上，根據自己的興趣，完成個性化的作品創新設計，設計出了如自行車、飛機、汽車、手機等作品。通過不同的訓練，加深了學生從理性上對何為設計、如何設計的理解，使學生能綜合運用三維設計技能，掌握三維設計技術，提高三維設計能力。

2.培養模仿性三維設計能力

通過軟件模塊化實踐操作，培養學生模仿性三維設計能力。在UG軟件基礎模塊理論講解后，針對各模塊進行上機實踐操作練習。學生可利用UG軟件自頂向下的設計方式和其強大的參數化功能，完成已知零件的設計和裝配。實踐操作是在已知各零件尺寸和各零件裝配關系的情況下，學生進行零件設計和裝配，主要培養學生的模仿性三維設計能力。零件設計完成后進行虛擬裝配，學生檢驗零件干涉與否，可方便地修改設計參數，使設計達到最優效果，提高設計效率和質量。在UG軟件中對某些結構進行校核、修改時，只需修改零件的某個參數的數值即可完成整體修改，能使學生形象地理解零件的形狀及其加工工藝，清晰地了解零件間的裝配關系，對裝配的技術要求也有深刻地理解。學生還可應用UG的機械運動功能，直觀地觀察各零件的運動狀態。通過模塊化實踐，使學生熟悉軟件的運用，掌握建模和裝配的設計過程。

3.培養創造性三維設計能力

UG與三維設計實踐課程采用“課題式”教學模式，設計課題由學生自主選擇，教師給予學生技術指導，本過程是對學生所學知識的應用及能力的綜合訓練過程。學生自主選

題培養了學生的創新意識，更好地挖掘了學生的潛能。三維設計可進行單機的設計、參數化設計、優化設計、過程的模擬仿真等，所涉及的知識面更寬、綜合性更強，因此，學生在設計過程中，綜合能力可得到極大地訓練和提高。三維設計不僅能使學生直觀地看到自己的設計成果，增強學生的成就感，而且能大大激發學生的學習興趣和主動性。學生在完成三維設計后，還要將其直接轉換生成二維的零件圖和裝配圖，最終完成課程設計所要求的圖紙。這樣，學生對三維設計與二維工程圖之間關系的理解會得到進一步地加深。整個設計過程使學生從感性和理性上能更加深入地理解設計內涵，能更好地增強學生的設計想象力。

三 培養三維設計能力的教學方法

1.以傳授方法為主，傳授知識為輔

古人云：“授人以魚，不如授人以漁。”在課堂教學中應以傳授方法為主，傳授知識為輔，通過傳授知識的過程，達到傳授方法的目的，做到“少而精”的教學原則。不能單純為了學軟件而學軟件，要培養學生舉一反三、觸類旁通的能力。由于UG軟件具有多個模塊，在學時有限的課堂上，不可能面面俱到地將軟件中的所有知識都講到，所以必須培養學生自主利用軟件的設計能力和分析能力。使學生在進行三維設計時，能分析出零件的建模思路，并將零件的建模思路轉化為可用的具體命令，完成零件的三維設計。如對彈簧進行建模時，首先要建立螺旋線作為引導線，再建立端面曲線（圓、正方形）為截面線，最后利用掃描功能完成彈簧的實體建模。只要學會建模思路，在任何三維設計軟件中都能行得通。

本課程中的實體設計模塊采用參數化的、全新的思維和方式來進行模型的創建和修改，參數化是用約束來表達模型的形狀特征的方法，通過調整參數來修改設計模型，是本課程建模設計的精髓，也是后續學習的基礎，是本課程的重點內容之一。在講解實體設計模塊時，不僅要講建模所需命令的概念和用法，更要將建模手段傳授給學生，側重介紹平時容易忽略但很重要的問題，以及遇到問題的處理技巧和解決辦法。如基于特征的建模，建模過程實質是仿真零件加工過程，從生成毛坯到對毛坯的粗加工，最后進行精加工的過程。

2.以上機實踐為主，理論授課為輔

由于三維設計課程的實踐性很強，理論教學只能為學生提供理論知識，實踐操作技能必須通過上機操作才能得到提高，為此數字化設計與制造實驗室全天為學生開放，提供上機實踐操作的良好環境。學生通過填寫申請表并辦理門卡便可隨時到實驗室上機學習。在實踐過程中教師隨時解決學生遇到的問題，做到問題隨時解決，提高了學生的學習效率。通過大量的實際上機訓練，不僅能快速地培養學生熟練操作軟件的能力，更有利于增強解決實際問題的能力。

在學習過程中，學生根據自己的專業背景和興趣愛好，以4～6人的小組為單位自選課題，在進行三維設計的同時培養了學生的創新能力和團隊合作能力。每組在開課2～3周后，開始進入三維設計課題研究。學生可選擇各種模型作為三維設計的載體，如自行車、直升機、遙控車等。確定小組研究對象后，首先要查閱相關資料，撰寫開題報告，教師利用1～2堂課為學生舉辦開題報告會，幫助每個小組分析課題的可行性，確定課題的實施方案。學生在進行課題的研究過程中，以小組為單位充分發揮每位成員的主觀能動性，互相協助、取長補短，通過分工和合作共同完成課題的研究。在學期末，每小組要對完成的課題進行答辯，答辯成績作為學生期末成績考核指標。結果表明，以小組為單位進行三維設計，大大提高了學生的學習興趣、動手能力、觀察能力、分析能力和創新能力，同時也培養了學生的團隊合作能力。

3.運用多媒體輔助教學手段

軟件類的課程都離不開投影儀和大屏幕，利用投影儀教師可以在課堂上“現身說法”，現場操作應用程序，演示零件設計的操作過程，不僅有利于課堂教學，更有助于學生對理論授課內容的理解和消化。現代化教學手段的運用，節約了大量的板書時間，增加了課堂教學的信息量，提高了教學效率。在教學過程中，如果僅講述命令的概念和用法，學生的認識只能停留在理解上，在實際應用時很難達到學了即用的效果。通過多媒體操作UG軟件，讓學生看到命令的操作過程、看到教師操作時的細節，從而提高教學質量。課前提前做好教學案例設計，授課過程中穿插講解案例制作過程還能提高學生的學習興趣。如在講授曲線操作時，以工程制圖中的二維圖為例，給學生演示如何利用曲面操作命令繪制二維圖；在介紹裝配模塊時，演示各零件是如何裝配的，各零件之間的相互位置關系、裝拆順序，讓學生不僅學會了如何使用UG軟件，還明白了裝配時應注意的問題。這樣能在較短時間內給學生提供正確示范，培養學生合理的設計思維，也能充分發揮計算機與教師的雙重作用。

4.運用多種手段，激發學習興趣

在教學過程中采用多種手段，激發和保持學生的學習興趣。

第一，充分利用緒論課。在緒論課上讓學生觀看用三維設計軟件繪制出的各種機械零件、裝配動畫和模擬仿真加工等教學資料，使學生一開始就對這門課程產生濃厚的學習興趣。如圖1是發動機的三維裝配模型，圖2是可變軸銑仿真過程圖。

第二，利用學科前沿知識。每節課前給學生觀看三維設計相關領域前沿技術的視頻資料，如快速原型技術、寶馬車的制作過程、產品檢測軟件、FreeForm觸覺式設計系統等，并在講課過程中穿插講解一些先進技術知識，拓展學生的知識面、滿足學生的好奇心、激發學生的學習興趣。

第三，合理利用教學案例。課堂上將常用機械零件的三維設計過程作為教學案例，如齒輪、軸承、彈簧等。通過學生比較熟悉并有感性認識的零件作為切入點，逐步完成設計過程，使學生掌握各命令的使用方法，為課后學生自主練習奠定基礎。

第四，適當利用視頻錄像。通過案例視頻錄像，幫助教師突破教學重點和難點，使教學的難點更加清晰、生動、形象。并為學生提供示范標準，調動學生的學習積極性。將軟件的操作過程錄制成視頻，讓學生邊學邊練，沒有掌握的內容可反復播放。在講“裝配模塊”時，把發動機、摩托車等的零件裝配過程做成動畫，使學生看到形象、動態的拆裝過程。

四 結論

三維設計是工業發展的必然。通過課程實踐表明，學生明顯提高了零件設計空間思維能力、設計表達能力、綜合設計能力、創新設計能力。開設UG與三維設計實踐課程，培養學生的三維設計能力，這種培養模式更有利于提高學生的

實際工程設計能力，有利于培養學生的創新意識，有利于提高學生就業的競爭力。

參考文獻

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〔責任編輯：李爽〕

* 本文為課題《以問題為基礎討論式教學方法的研究與實踐》的研究成果，得到了哈爾濱工程大學基礎課程教學改革研究計劃的資助