基于创新能力培养的三维实体设计课程教学研究

丁 羽，李传峰，李 平

（塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300）

0 引言

三维实体设计课程是教授学生使用三维设计软件对工程产品和创意设计进行三维建模的一门学科基础课程，该课程通过图形交互技术、图形变换技术、实体造型技术等能够更加直观、快捷、准确的反映设计者的思想与意图，提高设计工作的效率和质量，是设计者表达创新设计的主要方法。该课程的学习对于激发学生的创新活力，培养学生的创新思维，促进相关专业课程学习的积极性和学习的效果有重要的作用。而目前针对该门课的教学大多数情况下只局限于一门简单的计算机课程来学习，没有充分的将该门课与专业、企业应用、现代设计技术相结合，没有发挥该课程对学生创新思维的启迪作用，培养学生的创新意识，提升学生的创新能力。本文从以下几个方面提出了一些方法[1]。

1 基于学生空间思维能力培养和工程制图动态学习的三维实体设计课程教学

机械及机电相关专业均开设画法几何及机械制图课程，该课程是用图形来表达设计思维的一门基础课，是通过课程的学习来培养学生的空间思维能力，绘图读图能力，构型分析能力、造型设计和创新设计能力。是培养学生空间思维能力的基础，其传统的解题方式先是二维想象到三维，然后由脑中的三维再到二维的设计思路，对于初次接触到专业图形的一些同学，因三维空间思维的培养需要一定时间和过程的限制，学习起来较为困难且会感觉到枯燥。针对这种情况我们采用机械制图与三维实体设计双线并行教学，三维实体设计和机械制图课程同时独立开设，或者三维实体设计可稍微提前，两门课程并行学习，以不同于目前两门课互相掺合在一起的教学模式，保证两门课各自的学习主线明确，避免杂乱无章的状况。在三维实体设计的教学中主动引导学生用所学的知识去解决机械制图中的问题，提升学生学习机械制图的兴趣，进而提升学生的创新思维能了，另外学生在用三维实体设计课程解决机械制图中问题的同时又促进了三维实体课程的学习，进而提升学生创新思维培养。其相互的应用和促进流程如图1所示。

学生在学习制图课程时，当有想不清楚时，可以通过三维建模一点点，由局部到整体，最后完成整个图形的构造，再结合相关的投影知识完成视图的绘制。二维、三维交互动态表征，使机械制图的学习充满乐趣，在高效学习相关制图知识的同时，打开了一条创新之路，学生可将自己的设计思想通过三维模型很容易的展现出来，提升了学生创新的积极性。

图1 基于三维实体设计的工程制图课程动态学习模式

2 基于创新项目考核的三维实体设计课程教学

目前大多数的三维设计课程考核方式均采用上机考试，指定图形让学生在规定的时间内完成建模，因考试时间和考核内容有限，不能全面的反映该课程的掌握程度。更重要的一点是这种考核方式只能使学生对这门课进行机械的学习，没有充分体现课程的核心思想——创新设计的，不能充分发挥学生应用课程进行创新能力的培养。因此我们建立了以项目为基础的三维实体设计课程的学习和考核模型，如图2所示。教师指定一些题目或者由学生自拟一些题目使用三维设计软件进行建模，学生在建模的过程中既提高了该课程的学习效果，又能充分发挥自己的想象力进行创新设计，最后根据学生提交作品评定该门成绩，在评定成绩时考虑到这门课的教学目标主要是在学生熟练掌握建模知识的情况下培养创新意识，因此在评定成绩时建模的复杂程度占总成绩的60%，创新部分占总成绩的40%，通过项目式的考核方式，进一步提升了学生自主学习的积极性。

图2 基于创新项目的三维实体建模教学模式

教学实践证明学生阶段的创新能力是很强的，三维实体设计课程的教学对于他们树立强烈的创新意识和激发创新动能是很重要的一门课，我院很多学生在没有开此课程之前参与或申报大学生创新项目的积极性很低，当学完这门课后，都会有一个很大的提升，并且申报项目的学生三维实体设计课程的成绩都较好。

3 基于3D打印模型的三维数实体设计课程考核

在三维实体设计课程的考核中将3D打印模型作为课程考核的一部分，实现了三维实体设计与3D打印机操作的一体化，学生在学习三维实体设计的同时，提升了对3D打印机的了解与操作，使学生感觉到学以致用，对于提升学生对课程学习的兴趣以及以后的就业都有很大的帮助[2]。

3D打印可以将复杂形状的设计打印出实体，将学生的创意设计转化为实体，实现学生的创意到成品之间转化。当学生的创意以实物展现在眼前时，会提升他们的成就感，进而进一步调动他们的创新兴趣，培养他们的创新意识和创新能力。

因此，三维实体设计课程将3D打印模型的复杂程度、精巧程度和打印的效果作为该课程的考核指标之一，对于调动学生学习该课程的积极性以及学生创新思维和创新能力的培养具有重要的作用。

4 加强三维实体设计课程应用的毕业设计改革

目前大多数装置的三维设计完之后，在用于制造的时候，首先要生成了二维图纸，工作量大，很容易出错。1996年，波音公司与世界16家知名企业合作，推动美国机械工程师协会，花了7年时间，形成了ASME Y14.41的标准，这个标准就是基于模型的定义MBD标准，是在三维模型上可以表达工艺、制造和检测的所有数据。因此未来在制造产品过程中，取消蓝图、取消工艺卡片将成为趋势。三维数字化设计是现代设计技术的基础，相对于传统的制造业的三大技术：设计技术、制造技术和实验技术，在新工业体系下，首先使用三维数字化设计技术完成产品的设计、工艺、装配、制造，最后形成一个完整的产品，在虚拟的试验环境中来做产品的实验验证[3]。

基于此，我院的毕业设计除了最后综合答辩之外，专门设置了三维设计答辩。采用毕业设计过程控制“三答辩”模式，即开题答辩、三维答辩、二维与说明书答辩，如图3所示每次的答辩必须通过后才能进入下一环节的工作，答辩的成绩将做为毕业设计过程考核的平时成绩，加强过程的监管和考核。在此模式中学生在确定机器结构和方案后首先进行三维数字化设计，根据三维图的完成情况以及创新性来决定是否将继续进行毕业设计，将毕业设计中的三维设计是否能通过，作为毕业设计是否能继续的前提。另外在未来的毕业设计中还将增加基于三维数字化设计的虚拟仿真和加工制造相关内容。

通过加强三维数字化设计在毕业设计中的应用，提升了我院毕业设计中的创新成分，提高了毕业设计的效率和毕业设计的质量。在最近几年的毕业设计中学生设计的复杂程度以及绘图的质量都有明显的提升。

图3 毕业设计三维实体建模创新应用模式

5 总结

不论是创新设计还是一般结构设计，其思考的过程都是由三维到二维，而三维实体设计课程可实现所想即所得，对于复杂结构的设计尤为重要。三维实体设计，因其直观生动，学生学习兴趣高，对于激发学生创新的热情和创新能力很重要，因此能很好的将该课程的教学与专业的学习、与企业的应用、与创新教育融合在一起，对于创新人才的培养有重要的作用。