基于三維CAD培養學生設計創新能力的探索

單瑞霞，劉安琴

（煙臺理工學院機電工程學院，山東 煙臺 26005）

在智能制造和工業4.0大放異彩的今天，制造業面臨著數字化、互聯網化、智能化變革，生產工藝趨于完善，機器功能要求日益復雜多樣，而生產工藝、機器功能的實現需要通過機械設備去實現，這就需要機械設計創新跟上時代變革的步伐，也需要應用型、創新型人才來完成機械設計創新。同時，機械專業要求培養應用型、創新型人才，要求學生能夠綜合運用專業工程基礎知識與專業核心知識，針對機械領域的工程問題設計解決方案，滿足數字化加工和智能制造的基本需求，并能夠在設計或開發過程中體現創新意識；同時要求學生具有自主學習和終身學習的意識，有不斷學習和適應發展的能力，與社會、企業需求人才標準接軌，提高學生的職業勝任力。

1 教學現狀

從學生畢業設計和課程設計的完成情況看，學生存在設計思路不清晰、無法完整表達設計意圖、缺少“最優”的設計意圖等問題，雖然掌握了設計方法和繪圖技巧，能按照教授的過程完成課堂上的設計案例制作，但一旦離開了課堂就缺乏舉一反三的思考能力，面對自己的設計創意往往感到束手無策，不知如何表達設計意圖，或者設計的產品不具有工程應用價值，對學生后期的專業課程學習和工作造成很大的困難。如圖1（a）為學生設計作品示意圖，其出料托盤雖然能滿足功能要求，但沒有考慮加工及裝配工藝要求，不具有工程應用價值；圖1（b）出料托盤為生產實際結構示意圖，采用鈑金結構即可，加工方便。

2 三維CAD與培養設計創新能力相結合

機械設計創新能力的培養一直是機械專業教育的難點和重點，也是從中國制造到中國創造轉變的重要基礎。要想培養學生的創新設計能力，需要提高學生的設計表達能力，把設計意圖想法能正確地表達出來；要想培養學生的設計表達能力，需要提高學生的構型能力和設計思維，在設計、繪圖時考慮零部件的結構特點、功能要求、加工工藝等要求；要想培養學生的構型能力和設計思維，需要提高學生的空間想象力和形體表達能力，激發學習興趣。

三維CAD提供專門工具支持創新設計，能快速定義和驗證設計的形狀、配合和功能，涵蓋設計、仿真、可持續性、技術交流和數據管理等功能。三維CAD能快速將設計構想轉化成3D模型，清晰表達設計意圖，符合設計構思的思維規律；可以通過虛擬測試驗證設計性能，快速協作和交流構思，為設計的更新和創新提供了快捷的方式和手段；可以利用現有設計工作自動執行重復的設計任務，快速創建可用于生產的 2D 工程圖，為設計變更提供了強大的技術支持，符合培養機械設計創新能力的要求[1-2]。

將三維CAD和培養學生的機械設計創新能力結合起來，探索基于三維CAD培養學生設計創新能力的方法，通過三維CAD和其他專業課程、實踐課程的融合，并對三維CAD課程的教學內容、教學方法等進行改革，以達到培養學生設計創新能力的目標。

3 三維CAD與培養設計創新能力相結合的培養模式

根據機械設計創新的要求，結合三維CAD特點，通過“讀－畫－設－創”的培養模式來提升學生設計創新水平，如圖2所示，即“讀”三維模型，培養學生的空間想象力和形體表達能力；“畫”機械零部件圖，使學生的設計理論與軟件操作有機融合起來，培養學生的構型能力和設計思維；通過項目設計掌握設計流程，使用三維CAD軟件把“設”計意圖表達出來，培養學生的設計表達能力；學生在平時注意積累，多讀多畫多思多練，在項目設計的過程中，根據要求完成“創”新設計。

3.1 三維CAD應用于《機械制圖》教學

機械設計創新的基本要求就是具有空間構型能力和形體表達能力，具有較好的繪圖、讀圖能力，而《機械制圖》主要目的是培養和學生的空間想象力和形體表達能力以及學生繪圖和讀圖的基本能力。張淑艷等展開了用三維CAD輔助工程制圖投影理論教學的探索與實踐[3]，劉向麗對SolidWorks 軟件在《機械制圖》教學中的應用進行研究[4]，把三維CAD應用于《機械制圖》教學可以提高學生的空間想象力與構型能力，并能培養圖學意識。

在《機械制圖》教學過程中，創建教學案例的3D模型，上傳至EverCraft在線3D協作平臺，不需要教師或學生用指定軟件打開，可以隨時隨地通過分享的鏈接二維碼使用手機看圖，如圖3所示，在查看零件時可對其進行任意角度的旋轉、剖切和測量等，在查看裝配體時還可以爆炸視圖和隱藏零件，也可查看形體的基本視圖和軸測圖，可實現二維平面圖形和三維空間形體快速切換，有利于對空間形體的形象思維能力和初步的創造性構形設計能力的培養，更符合設計學的要求。

圖3 形體鏈接及形體查看界面

3.2 三維CAD課程教學改革

機械設計創新的過程不是一個人就可以完成的，而是一個團隊協作的過程，這就要求設計者把產品結構表達出來，通過三維CAD軟件畫圖更能直觀地體現設計意圖。但對于初學者來說，缺少正確的三維CAD軟件使用規范和設計經驗，為了建模而建模，沒有考慮后續模型修改及重復利用需求，這就導致機械設計效率低，畫出的結構不具有應用價值。通過總結長期從事機械結構設計和三維CAD教學工作的經驗，采用任務驅動教學法[5]，在保證學生軟件功能學習的基礎上，更注重設計思路的練習，拋掉設計就是建模的思想，鍛煉學生對設計意圖的正確規劃，這樣才能為機械設計創新打好扎實的基礎；同時采用項目教學法，以實際生產中的常用設備為參考，如圖4所示，把學生大賽作品的某機構作為設計項目，教師提供一些參考資料，學生也可以自己查找資料文獻，最終分組完成項目設計；完成后學生分別展示自己的作品，并相互交流點評。對于缺乏設計經驗的學生，可以從模仿已有設計或簡單的設計開始，學習自頂向下和自底向上的設計方法，鍛煉學生對設計過程的正確規劃，能將自己的設計意圖通過三維CAD體現，保證設計的零部件能正確地使用；同時通過分組協作培養學生團隊協作能力和溝通交流能力，使學生具備良好的工程素養。

圖4 項目教學內容

3.3 基于三維CAD進行項目實踐

項目實踐是培養機械設計創新能力必不可少的環節。實踐課程、機械類大賽是進行項目實踐的有效途徑，分析機械專業學生的實踐課程和主要參加的先進成圖技術與產品信息建模創新大賽、三維數字化創新設計大賽、大學生機電產品創新設計大賽、“互聯網+”大學生創新創業大賽，均需要學生具有一定的繪圖能力和設計基礎，為此采用“賽教融合”教學方法，如圖5所示，以三維CAD為基點、以專業課程為主線、以實踐課程和大賽為平臺，提升學生的專業技能和設計創新水平。

圖5 課程與大賽關系框架

在進行項目實踐時，與實踐課程相結合，采用層次遞進培養模式，如圖6所示，機械制圖測繪主要培養學生繪圖讀圖的基本能力、空間構型能力，同時初步培養三維CAD建模思路；機械原理課程設計、機械設計課程設計、機械制造工藝課程設計主要培養學生通過三維CAD構型能力和表達設計意圖的能力，熟悉項目的開發流程并具有一定的創新意識；通過先進成圖技術與產品信息建模創新大賽培養學生繪圖讀圖的基本能力、三維CAD構型能力，熟悉產品設計表達方法；通過畢業設計、三維數字化創新設計大賽、大學生機電產品創新設計大賽、“互聯網+”大學生創新創業大賽使學生把理論知識與工程實際相聯系，能夠提高學生的機械設計創新能力、團隊合作能力、計算能力、分析問題和解決問題的能力。

圖6 項目實踐培養模式

4 教學改革實施效果

近年來，我校依托三維CAD對機械制圖的教學模式進行了教學改革，同時對三維CAD課程也進行教學改革，對于課設設計等實踐課程鼓勵學生優先使用三維CAD進行設計，鼓勵學生參加學科競賽。圖7為學生近三年參加“山東省大學生機電產品創新設計競賽”獲獎作品數量，從圖可以看出，獲獎作品逐年增加，學生的設計創新能力有了提高。

圖7 “大學生機電產品創新設計競賽”獲獎情況

5 結束語

根據三維CAD的特點，把培養學生的機械設計創新能力和結合三維CAD起來，通過三維CAD和《機械制圖》課程的融合、對三維CAD課程的教學改革以及項目實踐以達到培養學生設計創新能力的目標。培養學生機械設計創新能力的措施很多，這是需要不斷探索和研究的問題。