基于數(shù)字化設(shè)計(jì)的“三維造型設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程建設(shè)與實(shí)踐

賀春山，李慶華，蔡云光

(長(zhǎng)春大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130022)

基于數(shù)字化設(shè)計(jì)的“三維造型設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程建設(shè)與實(shí)踐

賀春山，李慶華，蔡云光

(長(zhǎng)春大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130022)

“三維造型設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”是應(yīng)用型本科院校機(jī)械類各專業(yè)都開設(shè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課。該課程要求在形體分析的基礎(chǔ)上，使用三維設(shè)計(jì)軟件(CATIA)進(jìn)行零件建模、裝配，再生成零件圖和裝配圖，以此培養(yǎng)學(xué)生初步的數(shù)字化設(shè)計(jì)建模能力。課程以數(shù)字化設(shè)計(jì)為主線，以技能競(jìng)賽為驅(qū)動(dòng)，以培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力為目標(biāo)。在教學(xué)實(shí)踐中增加采用開放性、綜合性的實(shí)際設(shè)計(jì)項(xiàng)目,作為課程學(xué)習(xí)和考核的模式，取得了比較好的效果。

三維建模；數(shù)字化設(shè)計(jì)；課程建設(shè)

工業(yè)技術(shù)現(xiàn)代化的三大主題——智能工廠、智能生產(chǎn)、智能物流都離不開數(shù)字化,數(shù)字化是現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的一個(gè)基本特征。工業(yè)技術(shù)現(xiàn)代化的本質(zhì)就是數(shù)字化，而數(shù)字化的基礎(chǔ)是工業(yè)產(chǎn)品所有信息的數(shù)字化。高等教育要培養(yǎng)學(xué)生掌握數(shù)字化設(shè)計(jì)工具和設(shè)計(jì)理念，具備創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。“三維造型設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”就是完成這一教學(xué)目標(biāo)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，它是構(gòu)建復(fù)合型、創(chuàng)新型、應(yīng)用型、發(fā)展型人才培養(yǎng)體系和課程體系的重要基石。

“三維造型設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程團(tuán)隊(duì)基于多年的教學(xué)實(shí)踐，不斷完善總結(jié)、再實(shí)施、再總結(jié)，逐漸形成了以數(shù)字化設(shè)計(jì)為主線，以大學(xué)生創(chuàng)新與技能競(jìng)賽為驅(qū)動(dòng)，以培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力為目標(biāo)的課程體系。

1 課程建設(shè)與實(shí)踐的主要內(nèi)容和特色

1.1 課程定位

三維模型是設(shè)計(jì)構(gòu)思、設(shè)計(jì)分析到實(shí)際產(chǎn)品的具象載體，是原始設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)理念的形象化、具體化體現(xiàn)，也是設(shè)計(jì)完成后，后續(xù)的生產(chǎn)、加工、分析、宣傳、營(yíng)銷等工作的數(shù)據(jù)和模型基礎(chǔ)。

本課程屬于具有專業(yè)性質(zhì)的技術(shù)基礎(chǔ)課，與前面的“工程圖學(xué)”(含二維AutoCAD繪圖內(nèi)容)緊密銜接，形成由手工繪圖、二維計(jì)算機(jī)繪圖、三維設(shè)計(jì)軟件建模等梯次提高的教學(xué)內(nèi)容形成的教學(xué)過程,培養(yǎng)學(xué)生的CAD應(yīng)用能力、基于三維實(shí)體造型的空間構(gòu)思能力、三維設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新思維能力。在學(xué)習(xí)過程中，要求和鼓勵(lì)學(xué)生使用三維設(shè)計(jì)軟件構(gòu)建自己的設(shè)計(jì)項(xiàng)目；同時(shí)，將三維設(shè)計(jì)軟件作為設(shè)計(jì)工具，更好地完成后續(xù)課程的設(shè)計(jì)任務(wù)。本課程在整個(gè)機(jī)械類本科課程各環(huán)節(jié)中的定位如圖1所示。

1.2 循序漸進(jìn)的課程規(guī)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(xué)生統(tǒng)一在機(jī)房里上機(jī)練習(xí)。授課的目標(biāo)是讓學(xué)生掌握該軟件的操作過程，學(xué)會(huì)各種命令的使用和操作技巧。教學(xué)過程過分注重軟件功能模塊的講授和使用，往往缺乏對(duì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，也缺乏綜合性、創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)訓(xùn)練，學(xué)生只是被動(dòng)地接受。

圖1 課程定位

在課程建設(shè)中，應(yīng)按照學(xué)生的學(xué)習(xí)規(guī)律和能力培養(yǎng)相關(guān)要求，優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)和課程內(nèi)容。課程包含四個(gè)循序漸進(jìn)的模塊，即組合體建模、典型零件建模、虛擬裝配、綜合性創(chuàng)新設(shè)計(jì)(表1)。

表1 課程模塊和內(nèi)容

1.3 課程特色與教學(xué)資源

結(jié)合課程內(nèi)容，錄制教學(xué)微課資源，通過PPT、視頻等的編寫錄制，出版與課程建設(shè)相適應(yīng)的教材、課件、練習(xí)題庫，以及配套的考試題庫。

課程以“邊講邊練、邊學(xué)邊講”的形式進(jìn)行，每節(jié)課都要求學(xué)生完成一定量的零件建模任務(wù)。其中，“邊講邊練”要求教師提供詳細(xì)的零件圖紙。教師通過操作視頻或者現(xiàn)場(chǎng)操作來講解建模裝配過程，學(xué)生模仿完成操作，然后在練習(xí)中鞏固所學(xué)內(nèi)容。這種教學(xué)模式可以理解為案例教學(xué)。在教學(xué)過程中，一般要求學(xué)生獨(dú)立完成幾個(gè)零件的建模過程。“邊練邊講”則是教師以一定主題布置設(shè)計(jì)任務(wù)。為降低難度，教師通常會(huì)提供一些關(guān)鍵零件或者設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖。學(xué)生通過教師的講解和說明，完成該零件的設(shè)計(jì)建模，與教師提供的其他零件一起構(gòu)成一個(gè)完整的產(chǎn)品。這個(gè)過程要求學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)新思維和主觀能動(dòng)性，來完成自己的設(shè)計(jì)作品。這種教學(xué)模式屬于任務(wù)教學(xué)，可以讓學(xué)生以小組的形式集體完成。隨著課程的深入，可以相應(yīng)地提高任務(wù)教學(xué)的難度和廣度。

1.4 開放性、綜合性的項(xiàng)目任務(wù)和競(jìng)賽驅(qū)動(dòng)，增加學(xué)習(xí)深度

在學(xué)生完成“三維造型設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程之后，會(huì)緊接著安排“零件測(cè)繪綜合實(shí)踐”課程設(shè)計(jì)。要求學(xué)生在零部件測(cè)繪的基礎(chǔ)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(jī)，并畫出三維軸測(cè)分解圖。這個(gè)訓(xùn)練，進(jìn)一步加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)三維設(shè)計(jì)的理解。

在課程結(jié)束后，舉行“三維設(shè)計(jì)創(chuàng)新協(xié)會(huì)”和“三維CAD興趣組”納新活動(dòng)，吸收學(xué)習(xí)欲望強(qiáng)、有興趣的學(xué)生加入?yún)f(xié)會(huì)和興趣組，并委派課程組成員為指導(dǎo)教師。通過對(duì)常用的電動(dòng)工具、裝夾具、小家電、自行車等的拆裝、建模，完成這些產(chǎn)品的三維建模；發(fā)揮學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，對(duì)這些產(chǎn)品進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)和創(chuàng)新；對(duì)已驗(yàn)證可行的產(chǎn)品，可要求學(xué)生完成設(shè)計(jì)圖紙。這一過程可以很好地鍛煉學(xué)生的三維建模能力，使他們?cè)趯?shí)踐中理解什么是創(chuàng)新、什么是設(shè)計(jì),同時(shí)為學(xué)生參加一系列的全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)大賽提供技術(shù)保證。學(xué)生用學(xué)過的三維建模軟件作為設(shè)計(jì)工具來參加機(jī)械創(chuàng)新大賽、工業(yè)設(shè)計(jì)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(xiàn)代設(shè)計(jì)手段、創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力。

2 課程建設(shè)和實(shí)踐的效果

通過課程建設(shè)與實(shí)踐，以及參加全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新大賽、全國(guó)大學(xué)生工業(yè)設(shè)計(jì)大賽、全國(guó)大學(xué)生先進(jìn)成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模創(chuàng)新大賽，學(xué)生得到了鍛煉，教師的專業(yè)水平也得以提升。

2.1 學(xué)生的設(shè)計(jì)能力提高顯著

課程建設(shè)與實(shí)踐調(diào)動(dòng)起學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提升了他們的自主學(xué)習(xí)能力、三維造型設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力。在教學(xué)過程中，教師可以構(gòu)建復(fù)雜的零件模型，也可以選擇一個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目,讓學(xué)生完成所有零件的建模和裝配、渲染。在校內(nèi)外的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中，鼓勵(lì)學(xué)生拿出自己的好點(diǎn)子、好想法，踴躍報(bào)名參賽，爭(zhēng)取好成績(jī)。通過機(jī)械類相關(guān)專業(yè)的畢業(yè)生回訪可以看出，用人單位對(duì)三維設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力非常看重。在實(shí)際工作中，擁有較高水平的三維創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的學(xué)生薪酬明顯高出其他同類畢業(yè)生。

2.2 學(xué)生后續(xù)課程設(shè)計(jì)水平得到提高

學(xué)生經(jīng)過“三維造型設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程培訓(xùn)之后，可以采用三維建模設(shè)計(jì)軟件完成后續(xù)課程設(shè)計(jì)，并通過三維模型的創(chuàng)建和裝配、生成零件圖和裝配圖，大大提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)水平。學(xué)生通過三維建模和裝配，可以對(duì)設(shè)計(jì)的零件結(jié)構(gòu)和形狀進(jìn)行非常直觀的構(gòu)建。在裝配過程中，學(xué)生對(duì)各零件的定位、裝配關(guān)系理解到位，能夠通過軟件進(jìn)行干涉分析、運(yùn)動(dòng)仿真，極大地提高了課程設(shè)計(jì)的水平，教學(xué)效果非常明顯。

2.3 使課程團(tuán)隊(duì)得到鍛煉，其專業(yè)水平和教學(xué)水平得到提高

通過課程實(shí)踐，教學(xué)團(tuán)隊(duì)成員在指導(dǎo)學(xué)生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)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(fā)的設(shè)計(jì)作品申請(qǐng)了14項(xiàng)實(shí)用新型專利。其中一部分競(jìng)賽的作品模型作為教學(xué)案例，被寫入教師的教案。

3 結(jié)語

“三維造型設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”作為專業(yè)基礎(chǔ)課程，從課程目標(biāo)、內(nèi)容設(shè)計(jì)、教學(xué)組織、教學(xué)方法等各方面，都能夠體現(xiàn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)技能、創(chuàng)新能力、創(chuàng)新理念的重視。通過課程建設(shè)與實(shí)踐，以及開放性、創(chuàng)新性設(shè)計(jì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的完成，驗(yàn)證了該教學(xué)設(shè)計(jì)的可行性，教學(xué)實(shí)踐總體效果良好。

[1]劉檢華,孫連勝,張旭,等.三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)內(nèi)涵及關(guān)鍵問題[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2014(3):494-504.

[2]楊方飛.機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[D].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院,2005.

[3]段小東,顧立志.機(jī)械產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)特點(diǎn)與技術(shù)進(jìn)展[J].機(jī)械工程師,2007(12):37-40.

[4]賀春山,劉曉杰,李慶華.基于數(shù)字化設(shè)計(jì)的現(xiàn)代工程圖學(xué)教學(xué)模式研究[J].長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào),2011(12):104-106.

2016-10-13

長(zhǎng)春大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目“基于數(shù)字化設(shè)計(jì)的三維造型設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的建設(shè)與實(shí)踐”(XJZD15-10)。

賀春山(1969- )，男，副教授，從事機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究。

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2095-7602(2017)02-0123-03