基于數字化設計的“三維造型設計基礎”課程建設與實踐

賀春山，李慶華，蔡云光

(長春大學機械與車輛工程學院，吉林長春 130022)

基于數字化設計的“三維造型設計基礎”課程建設與實踐

賀春山，李慶華，蔡云光

(長春大學機械與車輛工程學院，吉林長春 130022)

“三維造型設計基礎”是應用型本科院校機械類各專業都開設的一門技術基礎課。該課程要求在形體分析的基礎上，使用三維設計軟件(CATIA)進行零件建模、裝配，再生成零件圖和裝配圖，以此培養學生初步的數字化設計建模能力。課程以數字化設計為主線，以技能競賽為驅動，以培養創新意識和創新能力為目標。在教學實踐中增加采用開放性、綜合性的實際設計項目,作為課程學習和考核的模式，取得了比較好的效果。

三維建模；數字化設計；課程建設

工業技術現代化的三大主題——智能工廠、智能生產、智能物流都離不開數字化,數字化是現代工業技術的一個基本特征。工業技術現代化的本質就是數字化，而數字化的基礎是工業產品所有信息的數字化。高等教育要培養學生掌握數字化設計工具和設計理念，具備創新精神和創新能力。“三維造型設計基礎”就是完成這一教學目標的一門技術基礎課，它是構建復合型、創新型、應用型、發展型人才培養體系和課程體系的重要基石。

“三維造型設計基礎”課程團隊基于多年的教學實踐，不斷完善總結、再實施、再總結，逐漸形成了以數字化設計為主線，以大學生創新與技能競賽為驅動，以培養創新意識和創新能力為目標的課程體系。

1 課程建設與實踐的主要內容和特色

1.1 課程定位

三維模型是設計構思、設計分析到實際產品的具象載體，是原始設計思想、設計理念的形象化、具體化體現，也是設計完成后，后續的生產、加工、分析、宣傳、營銷等工作的數據和模型基礎。

本課程屬于具有專業性質的技術基礎課，與前面的“工程圖學”(含二維AutoCAD繪圖內容)緊密銜接，形成由手工繪圖、二維計算機繪圖、三維設計軟件建模等梯次提高的教學內容形成的教學過程,培養學生的CAD應用能力、基于三維實體造型的空間構思能力、三維設計能力和創新思維能力。在學習過程中，要求和鼓勵學生使用三維設計軟件構建自己的設計項目；同時，將三維設計軟件作為設計工具，更好地完成后續課程的設計任務。本課程在整個機械類本科課程各環節中的定位如圖1所示。

1.2 循序漸進的課程規劃

一般的三維建模軟件課，都是教師在多媒體課堂上講解，然后學生統一在機房里上機練習。授課的目標是讓學生掌握該軟件的操作過程，學會各種命令的使用和操作技巧。教學過程過分注重軟件功能模塊的講授和使用，往往缺乏對學生自主學習能力的培養，也缺乏綜合性、創新性的設計訓練，學生只是被動地接受。

圖1 課程定位

在課程建設中，應按照學生的學習規律和能力培養相關要求，優化課程結構和課程內容。課程包含四個循序漸進的模塊，即組合體建模、典型零件建模、虛擬裝配、綜合性創新設計(表1)。

表1 課程模塊和內容

1.3 課程特色與教學資源

結合課程內容，錄制教學微課資源，通過PPT、視頻等的編寫錄制，出版與課程建設相適應的教材、課件、練習題庫，以及配套的考試題庫。

課程以“邊講邊練、邊學邊講”的形式進行，每節課都要求學生完成一定量的零件建模任務。其中，“邊講邊練”要求教師提供詳細的零件圖紙。教師通過操作視頻或者現場操作來講解建模裝配過程，學生模仿完成操作，然后在練習中鞏固所學內容。這種教學模式可以理解為案例教學。在教學過程中，一般要求學生獨立完成幾個零件的建模過程。“邊練邊講”則是教師以一定主題布置設計任務。為降低難度，教師通常會提供一些關鍵零件或者設計簡圖。學生通過教師的講解和說明，完成該零件的設計建模，與教師提供的其他零件一起構成一個完整的產品。這個過程要求學生發揮創新思維和主觀能動性，來完成自己的設計作品。這種教學模式屬于任務教學，可以讓學生以小組的形式集體完成。隨著課程的深入，可以相應地提高任務教學的難度和廣度。

1.4 開放性、綜合性的項目任務和競賽驅動，增加學習深度

在學生完成“三維造型設計基礎”課程之后，會緊接著安排“零件測繪綜合實踐”課程設計。要求學生在零部件測繪的基礎上，完成減速器或者齒輪油泵的三維建模和裝配，形成虛擬電子樣機，并畫出三維軸測分解圖。這個訓練，進一步加強了學生對三維設計的理解。

在課程結束后，舉行“三維設計創新協會”和“三維CAD興趣組”納新活動，吸收學習欲望強、有興趣的學生加入協會和興趣組，并委派課程組成員為指導教師。通過對常用的電動工具、裝夾具、小家電、自行車等的拆裝、建模，完成這些產品的三維建模；發揮學生的想象力和創造力，對這些產品進行適當的改進和創新；對已驗證可行的產品，可要求學生完成設計圖紙。這一過程可以很好地鍛煉學生的三維建模能力，使他們在實踐中理解什么是創新、什么是設計,同時為學生參加一系列的全國大學生創新、創業大賽提供技術保證。學生用學過的三維建模軟件作為設計工具來參加機械創新大賽、工業設計大賽，不僅可以提高參賽作品的水平，也可以提高自身使用現代設計手段、創新設計的能力。

2 課程建設和實踐的效果

通過課程建設與實踐，以及參加全國大學生機械創新大賽、全國大學生工業設計大賽、全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽，學生得到了鍛煉，教師的專業水平也得以提升。

2.1 學生的設計能力提高顯著

課程建設與實踐調動起學生的學習熱情，提升了他們的自主學習能力、三維造型設計能力和創新能力。在教學過程中，教師可以構建復雜的零件模型，也可以選擇一個設計項目,讓學生完成所有零件的建模和裝配、渲染。在校內外的創新創業大賽中，鼓勵學生拿出自己的好點子、好想法，踴躍報名參賽，爭取好成績。通過機械類相關專業的畢業生回訪可以看出，用人單位對三維設計軟件應用能力和創新設計能力非常看重。在實際工作中，擁有較高水平的三維創新設計能力的學生薪酬明顯高出其他同類畢業生。

2.2 學生后續課程設計水平得到提高

學生經過“三維造型設計基礎”課程培訓之后，可以采用三維建模設計軟件完成后續課程設計，并通過三維模型的創建和裝配、生成零件圖和裝配圖，大大提高設計效率和設計水平。學生通過三維建模和裝配，可以對設計的零件結構和形狀進行非常直觀的構建。在裝配過程中，學生對各零件的定位、裝配關系理解到位，能夠通過軟件進行干涉分析、運動仿真，極大地提高了課程設計的水平，教學效果非常明顯。

2.3 使課程團隊得到鍛煉，其專業水平和教學水平得到提高

通過課程實踐，教學團隊成員在指導學生參加創新創業大賽的過程中，一方面提高了參賽作品的水平，另一方面師生用共同開發的設計作品申請了14項實用新型專利。其中一部分競賽的作品模型作為教學案例，被寫入教師的教案。

3 結語

“三維造型設計基礎”作為專業基礎課程，從課程目標、內容設計、教學組織、教學方法等各方面，都能夠體現對培養學生專業技能、創新能力、創新理念的重視。通過課程建設與實踐，以及開放性、創新性設計項目設計的完成，驗證了該教學設計的可行性，教學實踐總體效果良好。

[1]劉檢華,孫連勝,張旭,等.三維數字化設計制造技術內涵及關鍵問題[J].計算機集成制造系統,2014(3):494-504.

[2]楊方飛.機械產品數字化設計及關鍵技術研究與應用[D].北京:中國農業機械化科學研究院,2005.

[3]段小東,顧立志.機械產品的數字化設計特點與技術進展[J].機械工程師,2007(12):37-40.

[4]賀春山,劉曉杰,李慶華.基于數字化設計的現代工程圖學教學模式研究[J].長春大學學報,2011(12):104-106.

2016-10-13

長春大學教學改革項目“基于數字化設計的三維造型設計基礎課程的建設與實踐”(XJZD15-10)。

賀春山(1969- )，男，副教授，從事機械數字化設計與制造技術研究。

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2095-7602(2017)02-0123-03