試論3D設計在工程設計教學中的作用

胡文韜　王化軍

摘要：現價段工程設計教學中存在設計工具落后，教學方法陳舊，學生缺乏整體設計觀念、重視模仿、缺乏創新意識等問題。推廣應用3D設計軟件有利于消除目前工程設計教學中存在的弊端，提高教學水平。

關鍵詞：工程設計；3D設計；教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）29-0239-02

工程設計一直是高等工科教育中的重點和難點（李松、方曉波，2013）。受傳統觀念的影響，多數高校的工程設計教學都側重于理論講授（祝麗花，2016），以傳授知識為主，未能訓練出學生的實際工程應用能力。對于初學者而言，強調知識積累無可厚非，但近年來我國各領域工業技術發展迅速，社會對畢業生設計能力的需求日趨提高。傳統意義上的工程設計教學與社會需求日益脫節，以知識講授為主的教學模式愈發難以滿足教學實踐的需求，迫切需要變革以提高教育水平。

一、存在的問題

現價段設計課教學主要存在如下問題：

1.設計工具落后，教學方法陳舊。目前很多高校的工程設計教學還停留在PPT講授，2D軟件出圖的階段。而實踐中3D設計軟件已經在各大設計院和生產企業中得到廣泛應用（李家偉，2016；呂德芳，2015；周占紅，2016；王衛兵，2007），在教學中僅使用2D設計軟件會顯著拉長畢業生日后從事設計工作的適應周期。自身能力與社會需求脫節、適應性差（喬志宏、王爽、謝冰清、王禎，2011）已經成為工科畢業生日后工作面對的巨大困難。

2.缺乏整體設計意識。2D設計工具其空間可視性和細節表達能力上都遠遜于3D產品。作為初學者，學生大多是沒有從事過實際設計工作的本科生，對設計作品的整體把握能力不足，加之沒有設計經驗，畫出的圖紙往往只能做到“形似”，不能完全做到準確。

3.重視模仿，缺乏創新性。由于經驗有限，學生很難對設備的空間位置和連接關系形成整體印象，因而只能簡單模仿教科書或者其他現有圖紙中的內容。在這種情況下學生往往更傾向于將現有資料中的已有設備納入自己的工藝流程，所設計圖紙的布局和設備選型往往與參考資料高度一致。在這種情況下，學生很難提出創新性的設計。

4.專業知識碎片化，系統性差。工程設計課往往是學生進入畢業設計之前的最后一門課程，可以說是“收官之課”。如果學生不能在課上將大學四年所學的知識融會貫通，將使畢業設計的效果大打折扣，直接影響學生日后綜合利用知識的能力。

二、使用3D設計軟件的必要性

高校工程設計教學中強化使用3D設計軟件至少具有如下作用：

1.更多參數可視化，降低學生理解難度。使用3D設計軟件能夠直接進行3D建模和出圖，可將更多的參數可視化，顯著降低學生理解設備之間三維位置關系和連接方式的難度。對于初學設計的本科生，無疑可以大幅度降低入門門檻，提高自主學習能力；

2.有利于學生從整體上把握圖紙。3D設計軟件可以將工藝流程中涉及的主要設備及其空間位置關系以可視化的方式展示出來，學生可以直觀地判斷設備配置是否合理，提高學生從整體上把握圖紙的能力；

3.有助于培養學生的創新能力。三維、可視化的設計環境降低了學生的理解難度，降低了出現錯誤的機率，從而減少學生對現有圖紙的依賴。消除了“怕出錯”的思想，學生可以更多地發揮自己的創造性思維進行創新性設計，提高創新能力；

4.強化工程設計課的“總結”作用，提高學生專業知識的系統性。工程設計課及對應的課程設計是對大學知識的一次總結，學好工程設計課需要大量前期課程作為積累。采用3D設計軟件教學可以提高工程設計課的教學效果，將學生所學的專業知識融合為整體，提高專業知識的系統性。

三、使用3D設計軟件的優勢

目前高校工程設計教學中常用2D設計軟件建模。此類軟件主要用于2D，但也能進行3D設計。2D設計軟件操作簡單、上手快，用于工程設計仍具有一些優勢。此外，安裝MEP插件后用其構建的3D模型也能帶有一些實際的建筑信息，即使在一線的設計單位也有一些人員用其構建3D模型。但3D設計軟件可將擬建工程的真實信息參數化，并利用這些參數使所構建的模型具有更真實的物理信息。且利用3D設計軟件構建的模型，其中的參數化構件、族文件和項目文件可以隨時多次使用，無需重復建模、設計效率大幅度提升。同時，采取“調用”方式建模還可以降低出現誤操作的概率并簡化設計流程。3D設計軟件相對于2D設計軟件具有如下優點：

1.軟件定位更明確。2D設計軟件的開發初衷是解決2D建模問題，雖然也能兼顧3D，但其定位決定了其3D能力不會太強大。3D設計軟件則是專門用于3D建模的產品，其定位更明確、3D設計能力也更加強大；

2.視圖更靈活。3D設計軟件可以從平面、立面、剖面三個角度，及任意的三維視圖角度觀察設備布置細節，確保構建的模型準確無誤。2D設計軟件則只能在特定的視圖內定位構件，之后才能生成3D模型；在3D設計軟件中能夠方便地生成任意位置的新斷面，且這些斷面視圖可以編輯：能夠依據需要擴大或者縮小視圖范圍，還能在新視圖中修改構件參數。而2D設計軟件中的斷面視圖則是一個孤立的單元，可以查看但不能單獨編輯；

3.可實現關聯性修改。利用3D軟件建模時，設計者在某一視圖中所做的修改能自動在其他的相關視圖中得到同步體現。這可省去大量重復工作，同時減少錯誤；而在2D設計軟件中修改3D模型則必須在平面視圖下進行，之后再分別手動修改其他視圖；

4.優化設計更便捷。3D設計軟件中的族就是參數化構件，是一類圖元的總稱。根據創建時設置的參數，不同類型的族可以具有尺寸、形狀、材質或其他參數變量，使圖元具有了特定的物理意義。設計者只需更改構件或項目的參數就能通過參數賦值可以依據設計需求進行模型尺寸、外觀、材質、渲染效果等多種優化設計；而2D設計軟件只能進行簡單的尺寸修改；

5.樣板文件豐富。3D設計軟件內置了種類多樣的設備樣板，具備很強的3D建模功能。利用這些樣板，設計者能夠便捷地構造出符合設計要求的特殊構件；而2D設計軟件中的構件和設備都是預先定制的，設計者不能根據設計需求自主構建未經定制的新構件或設備；

6.是真正的3D設計軟件。利用3D設計軟件可直接在3D狀態下建模，無需參照2D圖紙。施工所需的2D圖紙可直接從3D模型中生成，無需重復進行2D設計；

可見，未來3D建模軟件的應用范圍將更加廣泛，其在工程設計教學中的重要性也會提高。但設計工作具有很強的慣性，2D設計軟件在國內的應用時間較長，絕大多數設計單位不可能在短期內放棄使用2D設計軟件。而且2D軟件也在不斷完善自身功能，仍在推出新的版本。因此，在可預見的未來2D設計軟件都不會消失，但3D設計軟件所占份額會逐漸提高，在3D設計方面逐漸替代2D產品。

四、教學的心得

工程設計課一般安排在大學四年級開設，學生在接觸3D設計軟件之前已經在前期課程中學習過2D設計軟件對其使用方法和思路比較熟悉。如前所述，2D與3D設計軟件存在較大差別，這在一定程度上反而成為學生學習3D設計軟件的負擔。筆者在教學過程中反復實踐逐漸總結出如下教學要點：

1.強調前期準備的重要性。3D設計軟件集成度高，必須要求學生在動手設計之前做好各種準備、搜集并整理好充足的原始素材，做到有的放矢。大學生思維靈活，但自主學習的動力不足（劉亞娟，2016），需要加強訓練、促使其養成良好的設計習慣。

2.培養宜簡則簡意識。多數3D軟件都對電腦自身的配置有較高的需求，這一點與2D軟件差別很大。教學過程中應盡量強調屏蔽無效的作用，僅顯示最必要的核心內容，培養學生養成良好的設計習慣。

3.使用工作集。3D設計軟件工作集不僅在團隊協作場合，對個體設計者也來說也能帶來如下好處：首先，能夠提高建模效率。建模過程中只需要打開正在修改中的工作集，這樣需要顯示的內容就大大減少，硬件負擔相應降低；其次，能簡化操作。關掉暫時不用的工作集能避免大量的臨時性隱藏操作。因為處于打開狀態的內容減少，觀察模型更方便、顯示細節更突出；最后，方便批量操作。使用個人工作集后可以非常便捷地將項目中的某部分直接提取或選定，方便批量刪除或修改。

4.強化學生的條理意識。構建模型時模型中的結構，如墻、梁、設備等構件要嚴格按照圖紙進行命名和標注，保持細節一致。

5.盡量用公用族。3D設計軟件用于具體的專業時往往需要使用一些不常見、不通用的構件。為了方便設計者一般需要根據具體的需要構建一些新族。在教學實踐中應鼓勵或者直接要求學生將這些新構件建成公用族，以增加族文件的通用性。

筆者發現在工程設計教學中應用3D設計軟件可將擬建工程的真實信息參數化，使所構建的模型具有更真實的物理信息，方便學生理解；將抽象的參數可視化，提高學生從整體上把握設計的能力；新構建的族和項目文件可以重復使用，大幅度提升設計效率。

參考文獻：

[1]李松，方曉波.給排水工程課程設計教學改革的研究與實踐[J].化工高等教育，2013，（2）：29-34.

[2]祝麗花.工程教育專業認證下工程電磁場課程改革[J].學周刊，2016，（3）：235-236.

[3]李家偉.基于Solidworks工程技術應用能力培養研究與實踐-以武昌工學院為例[J].大學教育，2015，（12）：147-148.

[4]呂德芳.三維CAD與機械制圖教學改革[J].內江科技，2015，（12）：152.

[5]王衛兵.UG NX5中文版產品設計案例導航視頻教程[M].北京：清華大學出版社，2007.

[6]周占紅.三維CAD技術在機械制圖教學中的合理運用[J].科技視界，2016，（4）：231.

[7]喬志宏，王爽，謝冰清，王禎.大學生就業能力的結構及其對就業結果的影響[J].心理發展與教育，2011，（3）：274-281.

[8]劉亞娟.國內關于網絡環境下大學生自主學習研究綜述[J].教育教學論壇，2016，（4）：1-3.