试论3D设计在工程设计教学中的作用

胡文韬　王化军

摘要：现价段工程设计教学中存在设计工具落后，教学方法陈旧，学生缺乏整体设计观念、重视模仿、缺乏创新意识等问题。推广应用3D设计软件有利于消除目前工程设计教学中存在的弊端，提高教学水平。

关键词：工程设计；3D设计；教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）29-0239-02

工程设计一直是高等工科教育中的重点和难点（李松、方晓波，2013）。受传统观念的影响，多数高校的工程设计教学都侧重于理论讲授（祝丽花，2016），以传授知识为主，未能训练出学生的实际工程应用能力。对于初学者而言，强调知识积累无可厚非，但近年来我国各领域工业技术发展迅速，社会对毕业生设计能力的需求日趋提高。传统意义上的工程设计教学与社会需求日益脱节，以知识讲授为主的教学模式愈发难以满足教学实践的需求，迫切需要变革以提高教育水平。

一、存在的问题

现价段设计课教学主要存在如下问题：

1.设计工具落后，教学方法陈旧。目前很多高校的工程设计教学还停留在PPT讲授，2D软件出图的阶段。而实践中3D设计软件已经在各大设计院和生产企业中得到广泛应用（李家伟，2016；吕德芳，2015；周占红，2016；王卫兵，2007），在教学中仅使用2D设计软件会显著拉长毕业生日后从事设计工作的适应周期。自身能力与社会需求脱节、适应性差（乔志宏、王爽、谢冰清、王祯，2011）已经成为工科毕业生日后工作面对的巨大困难。

2.缺乏整体设计意识。2D设计工具其空间可视性和细节表达能力上都远逊于3D产品。作为初学者，学生大多是没有从事过实际设计工作的本科生，对设计作品的整体把握能力不足，加之没有设计经验，画出的图纸往往只能做到“形似”，不能完全做到准确。

3.重视模仿，缺乏创新性。由于经验有限，学生很难对设备的空间位置和连接关系形成整体印象，因而只能简单模仿教科书或者其他现有图纸中的内容。在这种情况下学生往往更倾向于将现有资料中的已有设备纳入自己的工艺流程，所设计图纸的布局和设备选型往往与参考资料高度一致。在这种情况下，学生很难提出创新性的设计。

4.专业知识碎片化，系统性差。工程设计课往往是学生进入毕业设计之前的最后一门课程，可以说是“收官之课”。如果学生不能在课上将大学四年所学的知识融会贯通，将使毕业设计的效果大打折扣，直接影响学生日后综合利用知识的能力。

二、使用3D设计软件的必要性

高校工程设计教学中强化使用3D设计软件至少具有如下作用：

1.更多参数可视化，降低学生理解难度。使用3D设计软件能够直接进行3D建模和出图，可将更多的参数可视化，显著降低学生理解设备之间三维位置关系和连接方式的难度。对于初学设计的本科生，无疑可以大幅度降低入门门槛，提高自主学习能力；

2.有利于学生从整体上把握图纸。3D设计软件可以将工艺流程中涉及的主要设备及其空间位置关系以可视化的方式展示出来，学生可以直观地判断设备配置是否合理，提高学生从整体上把握图纸的能力；

3.有助于培养学生的创新能力。三维、可视化的设计环境降低了学生的理解难度，降低了出现错误的机率，从而减少学生对现有图纸的依赖。消除了“怕出错”的思想，学生可以更多地发挥自己的创造性思维进行创新性设计，提高创新能力；

4.强化工程设计课的“总结”作用，提高学生专业知识的系统性。工程设计课及对应的课程设计是对大学知识的一次总结，学好工程设计课需要大量前期课程作为积累。采用3D设计软件教学可以提高工程设计课的教学效果，将学生所学的专业知识融合为整体，提高专业知识的系统性。

三、使用3D设计软件的优势

目前高校工程设计教学中常用2D设计软件建模。此类软件主要用于2D，但也能进行3D设计。2D设计软件操作简单、上手快，用于工程设计仍具有一些优势。此外，安装MEP插件后用其构建的3D模型也能带有一些实际的建筑信息，即使在一线的设计单位也有一些人员用其构建3D模型。但3D设计软件可将拟建工程的真实信息参数化，并利用这些参数使所构建的模型具有更真实的物理信息。且利用3D设计软件构建的模型，其中的参数化构件、族文件和项目文件可以随时多次使用，无需重复建模、设计效率大幅度提升。同时，采取“调用”方式建模还可以降低出现误操作的概率并简化设计流程。3D设计软件相对于2D设计软件具有如下优点：

1.软件定位更明确。2D设计软件的开发初衷是解决2D建模问题，虽然也能兼顾3D，但其定位决定了其3D能力不会太强大。3D设计软件则是专门用于3D建模的产品，其定位更明确、3D设计能力也更加强大；

2.视图更灵活。3D设计软件可以从平面、立面、剖面三个角度，及任意的三维视图角度观察设备布置细节，确保构建的模型准确无误。2D设计软件则只能在特定的视图内定位构件，之后才能生成3D模型；在3D设计软件中能够方便地生成任意位置的新断面，且这些断面视图可以编辑：能够依据需要扩大或者缩小视图范围，还能在新视图中修改构件参数。而2D设计软件中的断面视图则是一个孤立的单元，可以查看但不能单独编辑；

3.可实现关联性修改。利用3D软件建模时，设计者在某一视图中所做的修改能自动在其他的相关视图中得到同步体现。这可省去大量重复工作，同时减少错误；而在2D设计软件中修改3D模型则必须在平面视图下进行，之后再分别手动修改其他视图；

4.优化设计更便捷。3D设计软件中的族就是参数化构件，是一类图元的总称。根据创建时设置的参数，不同类型的族可以具有尺寸、形状、材质或其他参数变量，使图元具有了特定的物理意义。设计者只需更改构件或项目的参数就能通过参数赋值可以依据设计需求进行模型尺寸、外观、材质、渲染效果等多种优化设计；而2D设计软件只能进行简单的尺寸修改；

5.样板文件丰富。3D设计软件内置了种类多样的设备样板，具备很强的3D建模功能。利用这些样板，设计者能够便捷地构造出符合设计要求的特殊构件；而2D设计软件中的构件和设备都是预先定制的，设计者不能根据设计需求自主构建未经定制的新构件或设备；

6.是真正的3D设计软件。利用3D设计软件可直接在3D状态下建模，无需参照2D图纸。施工所需的2D图纸可直接从3D模型中生成，无需重复进行2D设计；

可见，未来3D建模软件的应用范围将更加广泛，其在工程设计教学中的重要性也会提高。但设计工作具有很强的惯性，2D设计软件在国内的应用时间较长，绝大多数设计单位不可能在短期内放弃使用2D设计软件。而且2D软件也在不断完善自身功能，仍在推出新的版本。因此，在可预见的未来2D设计软件都不会消失，但3D设计软件所占份额会逐渐提高，在3D设计方面逐渐替代2D产品。

四、教学的心得

工程设计课一般安排在大学四年级开设，学生在接触3D设计软件之前已经在前期课程中学习过2D设计软件对其使用方法和思路比较熟悉。如前所述，2D与3D设计软件存在较大差别，这在一定程度上反而成为学生学习3D设计软件的负担。笔者在教学过程中反复实践逐渐总结出如下教学要点：

1.强调前期准备的重要性。3D设计软件集成度高，必须要求学生在动手设计之前做好各种准备、搜集并整理好充足的原始素材，做到有的放矢。大学生思维灵活，但自主学习的动力不足（刘亚娟，2016），需要加强训练、促使其养成良好的设计习惯。

2.培养宜简则简意识。多数3D软件都对电脑自身的配置有较高的需求，这一点与2D软件差别很大。教学过程中应尽量强调屏蔽无效的作用，仅显示最必要的核心内容，培养学生养成良好的设计习惯。

3.使用工作集。3D设计软件工作集不仅在团队协作场合，对个体设计者也来说也能带来如下好处：首先，能够提高建模效率。建模过程中只需要打开正在修改中的工作集，这样需要显示的内容就大大减少，硬件负担相应降低；其次，能简化操作。关掉暂时不用的工作集能避免大量的临时性隐藏操作。因为处于打开状态的内容减少，观察模型更方便、显示细节更突出；最后，方便批量操作。使用个人工作集后可以非常便捷地将项目中的某部分直接提取或选定，方便批量删除或修改。

4.强化学生的条理意识。构建模型时模型中的结构，如墙、梁、设备等构件要严格按照图纸进行命名和标注，保持细节一致。

5.尽量用公用族。3D设计软件用于具体的专业时往往需要使用一些不常见、不通用的构件。为了方便设计者一般需要根据具体的需要构建一些新族。在教学实践中应鼓励或者直接要求学生将这些新构件建成公用族，以增加族文件的通用性。

笔者发现在工程设计教学中应用3D设计软件可将拟建工程的真实信息参数化，使所构建的模型具有更真实的物理信息，方便学生理解；将抽象的参数可视化，提高学生从整体上把握设计的能力；新构建的族和项目文件可以重复使用，大幅度提升设计效率。

参考文献：

[1]李松，方晓波.给排水工程课程设计教学改革的研究与实践[J].化工高等教育，2013，（2）：29-34.

[2]祝丽花.工程教育专业认证下工程电磁场课程改革[J].学周刊，2016，（3）：235-236.

[3]李家伟.基于Solidworks工程技术应用能力培养研究与实践-以武昌工学院为例[J].大学教育，2015，（12）：147-148.

[4]吕德芳.三维CAD与机械制图教学改革[J].内江科技，2015，（12）：152.

[5]王卫兵.UG NX5中文版产品设计案例导航视频教程[M].北京：清华大学出版社，2007.

[6]周占红.三维CAD技术在机械制图教学中的合理运用[J].科技视界，2016，（4）：231.

[7]乔志宏，王爽，谢冰清，王祯.大学生就业能力的结构及其对就业结果的影响[J].心理发展与教育，2011，（3）：274-281.

[8]刘亚娟.国内关于网络环境下大学生自主学习研究综述[J].教育教学论坛，2016，（4）：1-3.