三維造型軟件在大學生專業創新實踐中的應用研究

黃先北 郭嬙 李小川 仇寶云

[摘 要]在建設創新型國家的時代背景下，面向創新教育的課程目標，基于能源與動力工程專業的培養方案，課題組總結了專業創新實踐的教學現狀，探究了增強學生參與度的教學方法，分析了教學內容的創新途徑。課題組還針對三維造型軟件在本專業發揮的重要作用，將造型設計列入創新實踐教學內容，融合專業研究對象和個性化設計的教學素材，發展學生的創新創造思維，通過學生作品展示了專業創新的實踐效果，為新工科人才培養注入了新的活力。

[關鍵詞]創新實踐;軟件;仿真;能源與動力工程

[中圖分類號] G64 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2020）10-0077-03

創新是推動社會發展的動力。提高自主創新能力，建設創新型國家，已成為我國重要的發展戰略。工科人才培養注重實踐，將專業理論知識和專業技能應用于工程實踐，從實踐中發現問題并尋找解決問題的辦法，是工科教學中的基本內容。在“新工科”時代背景下，需要強化工程背景，提升工程實踐能力，對工科教師和工科學生提出了新的要求。教育部《關于全面提高高等教育質量的若干意見》提出：制訂高校創新創業教育教學基本要求，開發創新創業類課程，納入學分管理[1]。眾多高校開展了創新創業類課程的建設工作，大批創新實踐課程被列入大學生的培養計劃。為了有效發揮創新實踐課在工科人才培養中的作用，課題組以揚州大學能源與動力工程專業為例，對能源與動力工程專業創新實踐課進行了教學研究。

一、創新實踐課程的教學現狀

在工科大類背景下，能源與動力工程專業以培養適應國家現代化建設需要的高級工程技術人才為目標，在“新工科”建設時期，培養知識面廣、專業基礎扎實、創新能力強的復合型高級人才，為本專業的建設明確了具體任務[2]。能源與動力工程專業學生主要學習能源利用與轉換、動力機械與測試、電氣設備及控制等方面的基礎理論，構建“能源—機械—電力”為系統的知識體系。傳統課程設置包括公共教育課程、學科基礎課程、專業必修和選修課程，近幾年新增的創新創業類課程，配合實踐性教學環節和第二課堂的學習，強化培養本專業學生順應時代發展的創新實踐能力。

目前，創新創業類課程涵蓋了專業創新基礎、專業創新思維訓練、專業創新精神與實踐等課程。課題組結合教學實例，研究能源與動力工程專業創新實踐課程的教學現狀，探討了以下內容。

（一）教學方法

不同于傳統的教師授課、學生記錄的課堂教學模式，創新實踐課程教學中貫穿了師生互動環節，通過相對頻繁的課堂提問調動學生的積極性，增強學生對課堂的參與度，但在實踐過程中發現，提問效果因學生個體差異而不同，對于部分相對被動的學生，課堂提問對其激勵作用并不顯著。于是，教學中采用探究式教學模式[3]，通過分小組的形式，布置課后學習任務，設立課堂匯報環節，培養學生自主學習、深入探究、合作交流的能力。學生通過查閱課外資料、拓展專業知識視野、掌握搜集和整理信息的方法、在講臺進行授課體驗等方式鍛煉語言組織和表達能力，匯報內容也為教師教學補充了素材，經過師生和學生間的相互學習，營造集體學習、共同進步的良好氛圍。我們在探索創新實踐課程教學方法的過程中發現，強化學生的參與意識，全面實現全員參與、全程參與和有效參與勢在必行。

（二）教學內容

專業創新課程以專業知識為背景，以創新公共基礎課程為依托，內容包括創新思維的基本概念、創新方法和創新實例，教學內容覆蓋社會生產和國民生活的多方面，引導學生從科學常識學習專業知識，避免課程與專業脫節的常見問題[4]。在此列舉一個教學實例：在眾多創新方法中，仿生創新是一種向大自然的生物學習從而發明創造并為人類服務的過程，以仿狼群學習為例，一方面，讓學生了解企業管理領域是如何學習狼群的團隊合作精神和危機處理能力，從而優化管理模式的，另一方面，為本專業學生介紹一種基于狼群群體智能的優化算法——狼群算法[5]，該算法在水電站優化調度和泵站經濟運行方面發揮著重要作用。在創新實踐課堂中，介紹本專業常用的商業軟件MATLAB，引導學生利用已掌握的計算機語言進行算法演練，深入理解優化算法在節能降耗方面的工程意義，強化訓練能源與動力工程學生的專業素養。通過諸如此類的教學實例，構建專業創新課程與創新公共基礎課程的聯系，引導學生掌握本專業數學軟件、設計軟件、仿真軟件等計算機應用技術，豐富教學內容。

（三）教學成果

考核創新實踐課程的學習效果，不同于傳統理論教學借助課程考試來評定，而是需要通過創新與實踐成果來展現。參照各類大學生科技創新競賽項目可見，實踐成果不應止步于抽象的思路或概念，而應拓展至具體的物件或實用的方法。考慮到能源與動力工程專業的教學特點，大量與流體動力相關的科學問題依賴于實驗測試與現象分析，但是實驗設備少、測試周期長等因素往往制約了學生開展實驗探索的親身體驗，相比實驗研究，計算機輔助設計和仿真技術成為更可行的研究工具[6]。能源與動力工程專業需要運用多款計算機軟件，其中制圖、造型、仿真等軟件的應用是能源動力類學生需要掌握的基本技能。軟件學習通常不被列入課堂教學內容，學生自學又抓不到重點，需要較長的周期，實際掌握效果并不理想。借助創新實踐課堂，教師可引導學生以專業軟件為工具，進行專業創新探索，通過一系列的訓練與實踐，為從事能源與動力工程相關工作儲備技術力量。

二、應用三維造型軟件的專業創新實踐教學

能源與動力工程專業涉及多種流體機械的研究，各類流體機械的結構形狀、尺寸大小、工作原理等信息，往往需要通過圖形、圖像直觀展現，學生通過學習制圖技術，積累能夠應用于能源動力工程設計、制造、安裝等環節的能力。畫法幾何、機械制圖、機械設計課程為本專業學生奠定了手工制圖的技術基礎，計算機輔助設計（Computer Aided Design，簡稱CAD）提高了制圖的效率，靈活運用CAD技術也成為眾多工科專業學生需要掌握的技能[7]。

AutoCAD軟件是由Autodesk公司開發且成為國際上廣為流行的制圖工具，應用該軟件熟悉繪制、編輯圖形的技術，已成為能源與動力工程專業的本科教學內容，培養學生掌握二維制圖和基本的三維設計方法。三維建模是在二維制圖基礎上，將繪圖目標立體化和形象化，有助于直觀認識各類流體機械。三維造型技術已從最初的三維CAD發展到目前專用的基于特征造型的三維軟件，常用軟件有UG/NX、SolidWorks、CATIA、Pro/E等。在本科生的畢業設計階段，圍繞流體機械的結構設計、流動仿真等工作都離不開三維造型軟件的使用，學生零基礎自學三維造型軟件常面臨周期長、抓不到重點的問題，嚴重時影響畢業設計的進度和任務主次關系。因此，應利用本科新生的專業創新實踐課程，將三維造型軟件的應用列入教學計劃，引導學生盡早掌握能源與動力工程的專業技能。教學改革的具體環節如下。

（一）課程指導

各類三維造型軟件因內置模塊和標準件庫的差異，在不同領域的適用性略有不同，但基本操作和制圖原理是相通的，本次教學實踐選擇UG（Unigraphics NX）軟件作為教學工具。首先，介紹UG軟件中的草圖界面，在草圖單一平面上繪制圖線、編輯圖形、約束尺寸，相關操作與學生已掌握的AutoCAD二維制圖類似，引導學生熟悉UG軟件的操作方法。其次，介紹在草圖中創建不同平面的方法，建立空間圖形的區域輪廓，為三維造型奠定基礎。最后，圍繞三維造型的常用操作，演示調用圖庫元素和根據草圖構建曲面或實體的制圖方法。課程指導以教師的演示為主，學生在課堂同步操作，同時錄制了相應的教學視頻，供學生課后進行針對性學習，并加強課后練習，夯實對軟件基本操作的認識。

（二）造型訓練

離心泵是能源與動力工程專業水動力方向的研究對象，在泵站工程中廣泛使用，并與國民生活息息相關。離心泵的葉輪是一種典型的旋轉部件，其葉片建模涉及空間曲面的造型，泵體外殼的非對稱性增加了三維造型的復雜程度，以離心泵流道的三維造型作為訓練題目，有助于掌握流體機械三維造型的相關基本操作。圖1展示了學生對離心泵三維造型的完成情況。從繪制二維木模圖到生成三維流道及葉片，學生掌握了利用UG軟件進行草圖繪制和實體構建的技能。通過了解離心泵的設計和制造流程，學生認識了離心泵的旋轉葉輪結構，為后續專業課程的課程設計奠定了基礎。

（三）創新實踐

創新類課程鼓勵學生創造、更新，引導學生把自己的想法融入課程學習過程中。于是，在學生掌握了離心泵的三維造型技能之后，提供姓名設計和動漫造型兩個素材，以期提升學生的學習興趣和創新動力，推動學生進一步熟悉UG軟件的造型功能。教學實踐表明，姓名設計環節突破了學生對軟件自身添加文字功能的認識，強化了學生對草圖繪制方法的應用。圖2是部分學生的姓名設計作品，悉心融入了個人的創造特色。

動漫造型的想法源于網絡熱議的“小豬佩奇”形象，在“佩奇”成為各行業創新優選素材的同時，有能源與動力工程專業的學生利用UG進行了“佩奇”的三維造型。這個看似玩鬧的行為卻體現了對專業軟件的靈活應用，同時為本課程的創新訓練提供了思路。圖3是學生自選動漫形象的造型作品，自學探索的過程中體現了學生對零件拼接、結構布局、顏色渲染等造型技能的掌握。

（四）經驗交流

實踐環節中充滿了探索與嘗試，其中不乏成功與挫敗的經歷，創新實踐課堂為學生提供了經驗交流的平臺。通過展示個性創造成果，分享自主學習的樂趣，學生的邏輯思維能力和語言表達能力得到了提升。匯報過程中，學生自主設計演示文稿，融入個人特色和創新元素，進一步促進了創新思維的發展。通過總結經驗教訓，提出學習中遇到的疑惑和困難，學生勤于思考的習慣得到培養。經驗交流環節促進了師生間的共同討論與相互幫助，教師為學生答疑解惑、引導思路，學生作品也為教師提供了豐富的教學素材，同時明確了教學內容中的難點和要點。師生之間的相互探討，活躍了教學氛圍，增強了學生的課堂參與度。

實踐表明：針對能源與動力工程專業，應用三維造型軟件進行創新實踐教學，有利于學生熟悉并掌握本專業的學習工具，加強了對本專業“能源—機械—電力”知識系統中的科學問題的認知，拓展了學生的專業領域視野，為本專業其他課程的教學與實踐奠定了基礎。

三、結語

以揚州大學能源與動力工程專業創新實踐類課程為研究對象，總結專業創新實踐課的教學現狀，對比分析了傳統與探究式的教學方法，利用專業軟件和專業知識豐富了教學內容，強化了成果創造和展示的考核機制。基于三維造型軟件在能源與動力工程專業中的重要應用，將軟件教學列入專業創新實踐課程內容，通過課程指導、造型訓練、創新實踐和經驗交流等教學環節，引導學生學習三維造型軟件，經歷從陌生到了解、從能用到會用的積累過程，將創新思維培養和創造力訓練貫穿教學始終，最終，學生的作品詮釋了對共性和個性的理解，也體現了對專業軟件的熟練應用。創新是不斷發展和創造更新的過程，以上教學改革方案也會隨教學實踐的過程進一步更新和完善。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 孫國友.我國高等教育質量政策價值取向研究：基于《關于全面提高高等教育質量的若干意見》及其配套政策文本分析[J].高教探索，2015（1）：39-42.

[2] 新工科建設指南（“北京指南”）[J].高等工程教育研究，2017（4）：16-19.

[3] 劉根梅.探究式教學模式在食品生物技術課程中的應用[J].輕工科技，2019，35（8）：159-160+166.

[4] 古翠鳳，梁韋娟.應用型高校創新創業教育研究[J].重慶科技學院學報（社會科學版），2019（3）：93-96+118.

[5] 李勵，賴喜德，陳小明.基于改進狼群算法的水電站廠內優化運行研究[J].水電能源科學，2019，37（6）：164-168.

[6] 郭嬙，黃先北，仇寶云，等.能源動力類本科畢業設計教學改革探析[J].大學教育，2019（7）：65-67.

[7] 張玉萍，馬燕，楊燕勤，等.“新工科”下計算機輔助設計課程的改革與探索[J].教育教學論壇，2018（7）：115-116.

[責任編輯：鐘 嵐]