“3D”數(shù)字化大賽促進(jìn)機(jī)械類教學(xué)改革和創(chuàng)新人才的培養(yǎng)

曾文忠

（重慶三峽職業(yè)學(xué)院，重慶 404115）

“3D”數(shù)字化大賽促進(jìn)機(jī)械類教學(xué)改革和創(chuàng)新人才的培養(yǎng)

曾文忠

（重慶三峽職業(yè)學(xué)院，重慶 404115）

三維數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造已成為我國制造業(yè)的主流模式，機(jī)械智能化制造技術(shù)的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)就是其中的代表。以“全國三維數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”為契機(jī)，“以賽促教、以賽促學(xué)、以賽促用、以賽促新”為宗旨，加強(qiáng)教師三維數(shù)字化機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)能力，引導(dǎo)課程改革，不斷提升職業(yè)院校學(xué)生“3D”數(shù)字化設(shè)計(jì)技能。推動(dòng)機(jī)械創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

“3D”數(shù)字化設(shè)計(jì)；“3D大賽”；“中國制造2025”；智能化制造技術(shù)

“中國制造2025”,以“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化”為發(fā)展方針的戰(zhàn)略對策和行動(dòng)計(jì)劃：①推行數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造；②提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力等八項(xiàng)戰(zhàn)略對策。

“3D”數(shù)字化設(shè)計(jì)大賽以“三維數(shù)字化”與“創(chuàng)新設(shè)計(jì)”為特色“創(chuàng)意、創(chuàng)造、創(chuàng)業(yè)”為核心。大賽要求首先是實(shí)用創(chuàng)新活動(dòng)，同時(shí)必須基于3D/三維數(shù)字化技術(shù)平臺(tái)或使用3D/三維數(shù)字化技術(shù)工具實(shí)現(xiàn)。以"以賽促教、以賽促學(xué)、以賽促用、以賽促新"為宗旨，旨在弘揚(yáng)創(chuàng)新文化、推動(dòng)創(chuàng)新人才培養(yǎng)、促進(jìn)3D技術(shù)應(yīng)用發(fā)展。

1 “3D”數(shù)字化設(shè)計(jì)成為機(jī)械設(shè)計(jì)的必然趨勢

傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)是以長期經(jīng)驗(yàn)積累為基礎(chǔ)，通過力學(xué)、數(shù)學(xué)建模及試驗(yàn)等形成的經(jīng)驗(yàn)公式，運(yùn)用條件性計(jì)算或類比方法設(shè)計(jì)，采用手工計(jì)算、繪圖、設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性差、工作周期長、效率低。以二維工程圖為載體，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員通常將表達(dá)設(shè)計(jì)思想以視圖的方式來表達(dá)，機(jī)械加工人員又必須具備讀圖的能力，這種稱為空間想象能力。目前工科院校普遍通過機(jī)械制圖課程來培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力、邏輯思維能力?！?D”數(shù)字化設(shè)計(jì)充分發(fā)揮設(shè)計(jì)者的能力，運(yùn)用“3D”軟件進(jìn)行創(chuàng)新構(gòu)思，通過創(chuàng)造性思維設(shè)計(jì)出具有新穎性、創(chuàng)造性和實(shí)用的機(jī)械產(chǎn)品；“3D”數(shù)字化設(shè)計(jì)的過程大都是先構(gòu)思后表達(dá)。從三維開始，經(jīng)過邏輯推斷、分析與決策、而產(chǎn)生設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)者更關(guān)注產(chǎn)品設(shè)計(jì)，而不是產(chǎn)品的圖形表示，有利于設(shè)計(jì)的連續(xù)性。相對于傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)更重視設(shè)計(jì)過程中的創(chuàng)造性思維。

2 運(yùn)用“3D”軟件輔助教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的3D意識

運(yùn)用“3D”軟件于機(jī)械專業(yè)課程的輔助教學(xué)，教學(xué)效果事半功倍。在《機(jī)械制圖》教學(xué)中，工科院校的學(xué)生剛進(jìn)大學(xué)校門，空間想象力較差。因此，課堂教學(xué)要求教師采用更好的手段方法。在機(jī)械制圖教學(xué)中，運(yùn)用三維CAD軟件的零件造型模塊輔助三視圖投影教學(xué)，構(gòu)建由基本體到組合體一系列的實(shí)體模型，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用投影規(guī)律認(rèn)識模型與視圖之間的關(guān)系，熟悉這些視圖所對應(yīng)的空間形體，實(shí)現(xiàn)從平面到空間的思維轉(zhuǎn)換；通過演示零件的建模過程，也可以幫助學(xué)生認(rèn)識零件結(jié)構(gòu)，把學(xué)生不容易理解的抽象理論和復(fù)雜空間視圖變成形象、具體、易掌握的內(nèi)容。在工程圖中，很多形體內(nèi)部還有其它各式各樣的結(jié)構(gòu)，通過對模型的翻轉(zhuǎn)、修改，學(xué)生直觀進(jìn)入三維空間，更能理解三維實(shí)體與三視圖的投影關(guān)系，有效的培養(yǎng)學(xué)生的空間想象、創(chuàng)造能力?！稒C(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程，理論性、系統(tǒng)性很強(qiáng)。在教學(xué)中具有承上啟下的作用。要求學(xué)生掌握一般機(jī)械中常用機(jī)構(gòu)的工作原理、組成、性能特點(diǎn)，具備對機(jī)構(gòu)和零件進(jìn)行分析計(jì)算和使用技術(shù)資料的能力，具有設(shè)計(jì)簡單機(jī)械和簡單傳動(dòng)裝置及分析、解決一般工程問題的能力。利用“3D”數(shù)字化設(shè)計(jì)，首先根據(jù)功能要求，創(chuàng)建關(guān)鍵零部件的實(shí)體模型，然后進(jìn)行強(qiáng)度、剛度分析，虛擬裝配、全局干涉分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真模擬。同時(shí)考慮加工工藝，反復(fù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整，直到設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)合理、工藝性強(qiáng)和生產(chǎn)便利的產(chǎn)品，學(xué)生直觀感受產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程。運(yùn)用“3D”軟件的強(qiáng)大功能到《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程各知識點(diǎn)的教學(xué)中。學(xué)生對機(jī)械設(shè)計(jì)有更好的理解和把握。“3D”意識在學(xué)習(xí)過程中潛移默化的達(dá)成。

3 加強(qiáng)教學(xué)，強(qiáng)化學(xué)生的3D意識，掌握“3D”數(shù)字化設(shè)計(jì)技能

三維模型的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造已成為我國制造業(yè)的主流模式，由于產(chǎn)品三維模型具有可視化、數(shù)字化和虛擬化等特點(diǎn),使其成為產(chǎn)品開發(fā)各環(huán)節(jié)（CAD、CAE、CAPP、CAM等）不可或缺的基礎(chǔ)載體。目前主流的三維CAD軟件：UG NX、Pro／Engineer、CATIA等軟件內(nèi)容涵蓋了產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)、工業(yè)造型設(shè)計(jì)、三維模型設(shè)計(jì)、分析計(jì)算、動(dòng)態(tài)模擬、加工制造，能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)至生產(chǎn)全過程集成到一起，實(shí)現(xiàn)并行工程設(shè)計(jì)。重慶三峽職業(yè)學(xué)院以參加“全國三維數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”為契機(jī)，以“以賽促教、以賽促學(xué)、以賽促用、以賽促新”為宗旨。精心設(shè)計(jì)人才培養(yǎng)方案，分別在第三、四學(xué)期開設(shè)了《三維零件結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)》、《CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用》等課程。通過學(xué)習(xí)本軟件，培養(yǎng)學(xué)生三維軟件的操作、零件造型設(shè)計(jì)、產(chǎn)品裝配、工程圖制作、三維建模能力。建立CAD/CAM的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，培養(yǎng)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

（1）課程設(shè)計(jì)的總體思路。按照機(jī)械類人才的成長規(guī)律，教學(xué)過程以學(xué)生為主體，以能力目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)為核心。將教學(xué)過程分解為理論教學(xué)、實(shí)訓(xùn)、機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)三大部分，各個(gè)環(huán)節(jié)有機(jī)銜接，教學(xué)過程依次展開，課堂理論教學(xué)、上機(jī)實(shí)際操作、方案設(shè)計(jì)討論、企業(yè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、評價(jià)都全部貫穿于整個(gè)教學(xué)活動(dòng)之中。把企業(yè)先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)理念貫穿其中，了解行業(yè)對三維軟件的使用情況和利用率，并及時(shí)跟蹤其產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)發(fā)展最新動(dòng)態(tài)。

（2）教學(xué)內(nèi)容的組織與安排。三維建模技能的教學(xué)過程，更是為學(xué)生建立三維設(shè)計(jì)思想，拓展三維設(shè)計(jì)視野，為今后學(xué)習(xí)更專業(yè)的3D參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件做鋪墊的過程。因此在教學(xué)中不僅要重視通過建模實(shí)例熟悉命令，更應(yīng)注重通過三維建模思路的分析比較，學(xué)生在學(xué)習(xí)中不拘于教材或老師的建模步驟而獨(dú)立完成三維建模，讓學(xué)生能舉一反三，熟悉三維建模的思維過程，達(dá)到真正理解與掌握三維建模過程的目的。針對高職學(xué)生的特點(diǎn)，要將該課程教學(xué)的重點(diǎn)放在其應(yīng)用上，大量采用源于企業(yè)的典型教學(xué)案例、全國和各省市歷屆“3D”大賽的題目，以項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)的形式來完成。既有重復(fù)性的技能操作，又有綜合性、設(shè)計(jì)性、探索性題目，還有來自企業(yè)一線的具體課題。圍繞核心知識技能點(diǎn)，以任務(wù)引領(lǐng)，將知識點(diǎn)進(jìn)行反復(fù)運(yùn)用，通過工程項(xiàng)目的綜合演練，讓學(xué)生牢固掌握教學(xué)內(nèi)容，并能夠真正運(yùn)用于實(shí)際。使教學(xué)環(huán)節(jié)和教學(xué)內(nèi)容最大限度與實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)相結(jié)合。

（3）強(qiáng)化實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，突出機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)?！?D”數(shù)字化設(shè)計(jì)大賽以“三維數(shù)字化”與“創(chuàng)新設(shè)計(jì)”為特色。整個(gè)參賽過程經(jīng)歷產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)、零部件的三維建模、裝配、數(shù)控加工。為了突出機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，注重實(shí)訓(xùn)的效果。通過安排足夠的實(shí)訓(xùn)時(shí)間，訓(xùn)練學(xué)生的操作技能。為此，我們精心設(shè)計(jì)了學(xué)生基本技能實(shí)訓(xùn)、專項(xiàng)技能實(shí)訓(xùn)及綜合設(shè)計(jì)能力實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，形成了一套較為完整的實(shí)踐教學(xué)體系，并使其貫穿于整個(gè)教學(xué)過程的始終。能力訓(xùn)練的過程循序漸進(jìn)，通過實(shí)際機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制作，每一個(gè)項(xiàng)目首先組織學(xué)生分析工藝方案、研討實(shí)施方案，引導(dǎo)學(xué)生充分利用CAD軟件的各項(xiàng)功能獨(dú)立完成整個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目。學(xué)生在設(shè)計(jì)中對比不同的建模思路、方法對產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)果的影響，達(dá)到舉一反三的效果。結(jié)合全國“3D”數(shù)字化設(shè)計(jì)大賽，筆者設(shè)計(jì)一系列的技能實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。項(xiàng)目由簡單的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)到復(fù)雜的夾具、模具等機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。如課程設(shè)計(jì)“夾具”項(xiàng)目，改變以前完成設(shè)計(jì)方案和繪制工程圖的做法，現(xiàn)在按照“3D”數(shù)字化設(shè)計(jì)的要求，學(xué)生接到設(shè)計(jì)任務(wù)后，通過分析設(shè)計(jì)要求，確定設(shè)計(jì)方案，采用從上至下的設(shè)計(jì)理念，分析其工作原理，產(chǎn)品的整體輪廓，細(xì)化零部件的具體結(jié)構(gòu)和尺寸，對整個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)劃設(shè)計(jì)。運(yùn)用三維CAD軟件完成零部件的建模。按照機(jī)械零件的裝配要求，完成虛擬裝配。然后對產(chǎn)品進(jìn)行詳細(xì)的分析、通過干涉檢查，檢驗(yàn)零件的建模是否存在錯(cuò)誤，反復(fù)修改設(shè)計(jì)方案，最終生成夾具的工程圖。運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)，再將零部件再進(jìn)行實(shí)際的加工和裝配。通過一個(gè)個(gè)工作項(xiàng)目的完成，學(xué)生進(jìn)行復(fù)雜機(jī)械類零部件的設(shè)計(jì)、裝配、分析，工程實(shí)踐能力大為提高，同時(shí)對三維CAD技術(shù)的應(yīng)用有了更加充分的認(rèn)識。學(xué)生逐步養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度、獲得熟練的操作技能、大膽的創(chuàng)新思路。配合全國“3D”大賽，鼓勵(lì)學(xué)生積極參加學(xué)院“3D”建模大賽，大賽在內(nèi)容和形式上都要求靈活多樣，可以單人設(shè)計(jì)，也可以幾個(gè)學(xué)生合作設(shè)計(jì)，方法上以學(xué)生設(shè)計(jì)為主，選拔優(yōu)秀的學(xué)生參加全國大賽，學(xué)生以“學(xué)3D!用3D!我創(chuàng)造!我快樂!”，推動(dòng)3D技術(shù)創(chuàng)新人才培養(yǎng)道路。

4 結(jié)語

基于三維模型數(shù)字的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造已成為我國制造業(yè)的主流模式，機(jī)械智能化制造技術(shù)的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)，職業(yè)院校在教學(xué)過程中強(qiáng)化CAD教學(xué)，注重培養(yǎng)學(xué)生的三維CAD的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，推動(dòng)3D技術(shù)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。利用“3D”數(shù)字化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

［1］宋波.論機(jī)械制造的智能化技術(shù)發(fā)展趨勢［J］.現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2009，（21）.

［2］李文澤，單玉梅.機(jī)械產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)特點(diǎn)與技術(shù)進(jìn)步［J］.民營科技，2010，（6）.

曾文忠（1969-），男，重慶萬州人，大學(xué)本科，副教授，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件在機(jī)械方面的應(yīng)用。