基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的三維實體設(shè)計課程教學研究

丁 羽，李傳峰，李 平

（塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300）

0 引言

三維實體設(shè)計課程是教授學生使用三維設(shè)計軟件對工程產(chǎn)品和創(chuàng)意設(shè)計進行三維建模的一門學科基礎(chǔ)課程，該課程通過圖形交互技術(shù)、圖形變換技術(shù)、實體造型技術(shù)等能夠更加直觀、快捷、準確的反映設(shè)計者的思想與意圖，提高設(shè)計工作的效率和質(zhì)量，是設(shè)計者表達創(chuàng)新設(shè)計的主要方法。該課程的學習對于激發(fā)學生的創(chuàng)新活力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維，促進相關(guān)專業(yè)課程學習的積極性和學習的效果有重要的作用。而目前針對該門課的教學大多數(shù)情況下只局限于一門簡單的計算機課程來學習，沒有充分的將該門課與專業(yè)、企業(yè)應用、現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)相結(jié)合，沒有發(fā)揮該課程對學生創(chuàng)新思維的啟迪作用，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，提升學生的創(chuàng)新能力。本文從以下幾個方面提出了一些方法[1]。

1 基于學生空間思維能力培養(yǎng)和工程制圖動態(tài)學習的三維實體設(shè)計課程教學

機械及機電相關(guān)專業(yè)均開設(shè)畫法幾何及機械制圖課程，該課程是用圖形來表達設(shè)計思維的一門基礎(chǔ)課，是通過課程的學習來培養(yǎng)學生的空間思維能力，繪圖讀圖能力，構(gòu)型分析能力、造型設(shè)計和創(chuàng)新設(shè)計能力。是培養(yǎng)學生空間思維能力的基礎(chǔ)，其傳統(tǒng)的解題方式先是二維想象到三維，然后由腦中的三維再到二維的設(shè)計思路，對于初次接觸到專業(yè)圖形的一些同學，因三維空間思維的培養(yǎng)需要一定時間和過程的限制，學習起來較為困難且會感覺到枯燥。針對這種情況我們采用機械制圖與三維實體設(shè)計雙線并行教學，三維實體設(shè)計和機械制圖課程同時獨立開設(shè)，或者三維實體設(shè)計可稍微提前，兩門課程并行學習，以不同于目前兩門課互相摻合在一起的教學模式，保證兩門課各自的學習主線明確，避免雜亂無章的狀況。在三維實體設(shè)計的教學中主動引導學生用所學的知識去解決機械制圖中的問題，提升學生學習機械制圖的興趣，進而提升學生的創(chuàng)新思維能了，另外學生在用三維實體設(shè)計課程解決機械制圖中問題的同時又促進了三維實體課程的學習，進而提升學生創(chuàng)新思維培養(yǎng)。其相互的應用和促進流程如圖1所示。

學生在學習制圖課程時，當有想不清楚時，可以通過三維建模一點點，由局部到整體，最后完成整個圖形的構(gòu)造，再結(jié)合相關(guān)的投影知識完成視圖的繪制。二維、三維交互動態(tài)表征，使機械制圖的學習充滿樂趣，在高效學習相關(guān)制圖知識的同時，打開了一條創(chuàng)新之路，學生可將自己的設(shè)計思想通過三維模型很容易的展現(xiàn)出來，提升了學生創(chuàng)新的積極性。

圖1 基于三維實體設(shè)計的工程制圖課程動態(tài)學習模式

2 基于創(chuàng)新項目考核的三維實體設(shè)計課程教學

目前大多數(shù)的三維設(shè)計課程考核方式均采用上機考試，指定圖形讓學生在規(guī)定的時間內(nèi)完成建模，因考試時間和考核內(nèi)容有限，不能全面的反映該課程的掌握程度。更重要的一點是這種考核方式只能使學生對這門課進行機械的學習，沒有充分體現(xiàn)課程的核心思想——創(chuàng)新設(shè)計的，不能充分發(fā)揮學生應用課程進行創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此我們建立了以項目為基礎(chǔ)的三維實體設(shè)計課程的學習和考核模型，如圖2所示。教師指定一些題目或者由學生自擬一些題目使用三維設(shè)計軟件進行建模，學生在建模的過程中既提高了該課程的學習效果，又能充分發(fā)揮自己的想象力進行創(chuàng)新設(shè)計，最后根據(jù)學生提交作品評定該門成績，在評定成績時考慮到這門課的教學目標主要是在學生熟練掌握建模知識的情況下培養(yǎng)創(chuàng)新意識，因此在評定成績時建模的復雜程度占總成績的60%，創(chuàng)新部分占總成績的40%，通過項目式的考核方式，進一步提升了學生自主學習的積極性。

圖2 基于創(chuàng)新項目的三維實體建模教學模式

教學實踐證明學生階段的創(chuàng)新能力是很強的，三維實體設(shè)計課程的教學對于他們樹立強烈的創(chuàng)新意識和激發(fā)創(chuàng)新動能是很重要的一門課，我院很多學生在沒有開此課程之前參與或申報大學生創(chuàng)新項目的積極性很低，當學完這門課后，都會有一個很大的提升，并且申報項目的學生三維實體設(shè)計課程的成績都較好。

3 基于3D打印模型的三維數(shù)實體設(shè)計課程考核

在三維實體設(shè)計課程的考核中將3D打印模型作為課程考核的一部分，實現(xiàn)了三維實體設(shè)計與3D打印機操作的一體化，學生在學習三維實體設(shè)計的同時，提升了對3D打印機的了解與操作，使學生感覺到學以致用，對于提升學生對課程學習的興趣以及以后的就業(yè)都有很大的幫助[2]。

3D打印可以將復雜形狀的設(shè)計打印出實體，將學生的創(chuàng)意設(shè)計轉(zhuǎn)化為實體，實現(xiàn)學生的創(chuàng)意到成品之間轉(zhuǎn)化。當學生的創(chuàng)意以實物展現(xiàn)在眼前時，會提升他們的成就感，進而進一步調(diào)動他們的創(chuàng)新興趣，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

因此，三維實體設(shè)計課程將3D打印模型的復雜程度、精巧程度和打印的效果作為該課程的考核指標之一，對于調(diào)動學生學習該課程的積極性以及學生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有重要的作用。

4 加強三維實體設(shè)計課程應用的畢業(yè)設(shè)計改革

目前大多數(shù)裝置的三維設(shè)計完之后，在用于制造的時候，首先要生成了二維圖紙，工作量大，很容易出錯。1996年，波音公司與世界16家知名企業(yè)合作，推動美國機械工程師協(xié)會，花了7年時間，形成了ASME Y14.41的標準，這個標準就是基于模型的定義MBD標準，是在三維模型上可以表達工藝、制造和檢測的所有數(shù)據(jù)。因此未來在制造產(chǎn)品過程中，取消藍圖、取消工藝卡片將成為趨勢。三維數(shù)字化設(shè)計是現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的基礎(chǔ)，相對于傳統(tǒng)的制造業(yè)的三大技術(shù)：設(shè)計技術(shù)、制造技術(shù)和實驗技術(shù)，在新工業(yè)體系下，首先使用三維數(shù)字化設(shè)計技術(shù)完成產(chǎn)品的設(shè)計、工藝、裝配、制造，最后形成一個完整的產(chǎn)品，在虛擬的試驗環(huán)境中來做產(chǎn)品的實驗驗證[3]。

基于此，我院的畢業(yè)設(shè)計除了最后綜合答辯之外，專門設(shè)置了三維設(shè)計答辯。采用畢業(yè)設(shè)計過程控制“三答辯”模式，即開題答辯、三維答辯、二維與說明書答辯，如圖3所示每次的答辯必須通過后才能進入下一環(huán)節(jié)的工作，答辯的成績將做為畢業(yè)設(shè)計過程考核的平時成績，加強過程的監(jiān)管和考核。在此模式中學生在確定機器結(jié)構(gòu)和方案后首先進行三維數(shù)字化設(shè)計，根據(jù)三維圖的完成情況以及創(chuàng)新性來決定是否將繼續(xù)進行畢業(yè)設(shè)計，將畢業(yè)設(shè)計中的三維設(shè)計是否能通過，作為畢業(yè)設(shè)計是否能繼續(xù)的前提。另外在未來的畢業(yè)設(shè)計中還將增加基于三維數(shù)字化設(shè)計的虛擬仿真和加工制造相關(guān)內(nèi)容。

通過加強三維數(shù)字化設(shè)計在畢業(yè)設(shè)計中的應用，提升了我院畢業(yè)設(shè)計中的創(chuàng)新成分，提高了畢業(yè)設(shè)計的效率和畢業(yè)設(shè)計的質(zhì)量。在最近幾年的畢業(yè)設(shè)計中學生設(shè)計的復雜程度以及繪圖的質(zhì)量都有明顯的提升。

圖3 畢業(yè)設(shè)計三維實體建模創(chuàng)新應用模式

5 總結(jié)

不論是創(chuàng)新設(shè)計還是一般結(jié)構(gòu)設(shè)計，其思考的過程都是由三維到二維，而三維實體設(shè)計課程可實現(xiàn)所想即所得，對于復雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計尤為重要。三維實體設(shè)計，因其直觀生動，學生學習興趣高，對于激發(fā)學生創(chuàng)新的熱情和創(chuàng)新能力很重要，因此能很好的將該課程的教學與專業(yè)的學習、與企業(yè)的應用、與創(chuàng)新教育融合在一起，對于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)有重要的作用。