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【摘 要】本文根据制造业技术发展和人才培养的需要,以UG作为支撑软件系统,从理论教学和实践教学两个方面入手,有针对性地安排不同的教学内容和实践环节,研究如何培养本科生的三维设计能力,探索三维设计能力的培养模式,提出学生三维设计能力的培养应贯穿于整个教学全过程.

【关 键 词 】三维设计 培养模式 教学方法

【中图分类号】G642.0 【文献标识码】A 【文章编号】1674-4810(2013)18-0005-03

随着三维设计和先进制造方法在机械行业中的广泛应用与迅猛发展,三维设计技术和制造方式已成为产品设计和加工制造的核心,企业越来越需要会使用三维设计的人才.三维设计CAD系统可直接进行三维设计和交流,即现代工程设计,能完成工程图样信息的生成、处理和传递,可实现以产品的几何模型为核心,CAD/CAE/CAM一体化乃至虚拟制造产品的数据管理,以优化设计促进产品改善,以智能设计促进产品创新.三维设计CAD系统是新一代数字化、虚拟化、智能化设计平台的基础,是培养创新型人才的重要手段,对高等院校制造业及相关专业的教学内容提出了新要求,必须将现代设计思想和现代设计能力的培养贯穿到整个教学过程中.哈尔滨工程大学利用数字化设计与制造实验室的师资与设备优势,为本科生开设了UG与三维设计实践课程,以UG软件为平台,培养学生的三维设计能力,探索教学过程中的模式和方法.

一、三维设计概述

将人们头脑中思考的物体变成实际物体形式,为此而做出全部信息数据的工作就是设计.三维设计是将产品设计的整个过程数字化,包括以下几部分内容.

1.建立三维设计理念

将产品的三维设计模型进行数字化模仿.通过造型方法的选择、创建基于特征的三维模型、图形图像理论、模型的数字化和参数化等方式,充分了解三维模型的设计要点.

2.建立三维模型

应用相关的工程软件对产品进行三维模型的创建,创建模型的同时要考虑生产制造过程,规划产品对象的功能要求、材料的选用、校核、加工工艺结构合理性、经济性评价等多方面因素,对人力、物力、财力、时间、场所、信息进行综合审议.


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3.对产品进行功能分析及仿真

利用三维模型对产品的功能进行分析,可以进行有限元计算分析、装配检验、运动学和动力学仿真,并对分析结果进行工程实际应用的可行性分析,通过快速修改设计方案,最终获得满意的设计结果.

二、三维设计培养模式的研究

UG与三维设计实践课程在学生的不同学习阶段,有针对性地安排不同的教学内容,循序渐进

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地培养学生的三维设计能力.为了达到教学目标,教学模式应按照建立设计理念——模拟性设计——创新性设计的全过程培养,使教学内容符合学生的学习认知规律.

1.培养三维设计理念

提高学生的综合素质及其创造力,必须让学生掌握先进的设计手段、感受三维设计的魅力、牢固专业志向.在UG与三维设计实践课程教学阶段,精心安排好第一堂课,使学生一开始就对三维设计的特点和强大功能有直观而全面的认识,通过展示历届学生的设计实例,使学生从感性上理解三维设计的主要功能,激发起学习的浓厚兴趣.通过实例展示开阔学生的设计思路,树立学生的三维设计理念,使学生从中学会思考,体会设计的乐趣,为学生的思维、表达、设计和创造能力的提升打下更为坚实的基础.

UG与三维设计实践课程教学内容主要涉及软件的基础模块,如曲线绘制、实体建模、装配、工程图等.通过教师对基础模块的讲解,重点训练学生掌握三维设计基本技能.学生根据教师提供的练习题库,利用UG软件完成各模块的实践练习,零件的特征建模,零件装配以及工作过程的动态模拟.在完成三维零件设计及其装配的过程中,学生不仅提高了二维工程图的读图能力,还加强了对零件功能、结构及其装配关系的理解,使学生具备了三维设计的基本能力.然后,学生在所学建模方法的基础上,根据自己的兴趣,完成个性化的作品创新设计,设计出了如自行车、飞机、汽车、手机等作品.通过不同的训练,加深了学生从理性上对何为设计、如何设计的理解,使学生能综合运用三维设计技能,掌握三维设计技术,提高三维设计能力.

2.培养模仿性三维设计能力

通过软件模块化实践操作,培养学生模仿性三维设计能力.在UG软件基础模块理论讲解后,针对各模块进行上机实践操作练习.学生可利用UG软件自顶向下的设计方式和其强大的参数化功能,完成已知零件的设计和装配.实践操作是在已知各零件尺寸和各零件装配关系的情况下,学生进行零件设计和装配,主要培养学生的模仿性三维设计能力.零件设计完成后进行虚拟装配,学生检验零件干涉与否,可方便地修改设计参数,使设计达到最优效果,提高设计效率和质量.在UG软件中对某些结构进行校核、修改时,只需修改零件的某个参数的数值即可完成整体修改,能使学生形象地理解零件的形状及其加工工艺,清晰地了解零件间的装配关系,对装配的技术要求也有深刻地理解.学生还可应用UG的机械运动功能,直观地观察各零件的运动状态.通过模块化实践,使学生熟悉软件的运用,掌握建模和装配的设计过程.

3.培养创造性三维设计能力

UG与三维设计实践课程采用“课题式”教学模式,设计课题由学生自主选择,教师给予学生技术指导,本过程是对学生所学知识的应用及能力的综合训练过程.学生自主选

题培养了学生的创新意识,更好地挖掘了学生的潜能.三维设计可进行单机的设计、参数化设计、优化设计、过程的模拟仿真等,所涉及的知识面更宽、综合性更强,因此,学生在设计过程中,综合能力可得到极大地训练和提高.三维设计不仅能使学生直观地看到自己的设计成果,增强学生的成就感,而且能大大激发学生的学习兴趣和主动性.学生在完成三维设计后,还要将其直接转换生成二维的零件图和装配图,最终完成课程设计所要求的图纸.这样,学生对三维设计与二维工程图之间关系的理解会得到进一步地加深.整个设计过程使学生从感性和理性上能更加深入地理解设计内涵,能更好地增强学生的设计想象力. 三 培养三维设计能力的教学方法


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1.以传授方法为主,传授知识为辅

古人云:“授人以鱼,不如授人以渔.”在课堂教学中应以传授方法为主,传授知识为辅,通过传授知识的过程,达到传授方法的目的,做到“少而精”的教学原则.不能单纯为了学软件而学软件,要培养学生举一反三、触类旁通的能力.由于UG软件具有多个模块,在学时有限的课堂上,不可能面面俱到地将软件中的所有知识都讲到,所以必须培养学生自主利用软件的设计能力和分析能力.使学生在进行三维设计时,能分析出零件的建模思路,并将零件的建模思路转化为可用的具体命令,完成零件的三维设计.如对弹簧进行建模时,首先要建立螺旋线作为引导线,再建立端面曲线(圆、正方形)为截面线,最后利用扫描功能完成弹簧的实体建模.只要学会建模思路,在任何三维设计软件中都能行得通.

本课程中的实体设计模块采用参数化的、全新的思维和方式来进行模型的创建和修改,参数化是用约束来表达模型的形状特征的方法,通过调整参数来修改设计模型,是本课程建模设计的精髓,也是后续学习的基础,是本课程的重点内容之一.在讲解实体设计模块时,不仅要讲建模所需命令的概念和用法,更要将建模手段传授给学生,侧重介绍平时容易忽略但很重要的问题,以及遇到问题的处理技巧和解决办法.如基于特征的建模,建模过程实质是仿真零件加工过程,从生成毛坯到对毛坯的粗加工,最后进行精加工的过程.

2.以上机实践为主,理论授课为辅

由于三维设计课程的实践性很强,理论教学只能为学生提供理论知识,实践操作技能必须通过上机操作才能得到提高,为此数字化设计与制造实验室全天为学生开放,提供上机实践操作的良好环境.学生通过填写申请表并 门卡便可随时到实验室上机学习.在实践过程中教师随时解决学生遇到的问题,做到问题随时解决,提高了学生的学习效率.通过大量的实际上机训练,不仅能快速地培养学生熟练操作软件的能力,更有利于增强解决实际问题的能力.

在学习过程中,学生根据自己的专业背景和兴趣爱好,以4~6人的小组为单位自选课题,在进行三维设计的同时培养了学生的创新能力和团队合作能力.每组在开课2~3周后,开始进入三维设计课题研究.学生可选择各种模型作为三维设计的载体,如自行车、直升机、遥控车等.确定小组研究对象后,首先要查阅相关资料,撰写开题报告,教师利用1~2堂课为学生举办开题报告会,帮助每个小组分析课题的可行性,确定课题的实施方案.学生在进行课题的研究过程中,以小组为单位充分发挥每位成员的主观能动性,互相协助、取长补短,通过分工和合作共同完成课题的研究.在学期末,每小组要对完成的课题进行答辩,答辩成绩作为学生期末成绩考核指标.结果表明,以小组为单位进行三维设计,大大提高了学生的学习兴趣、动手能力、观察能力、分析能力和创新能力,同时也培养了学生的团队合作能力.

3.运用多媒体辅助教学手段

软件类的课程都离不开投影仪和大屏幕,利用投影仪教师可以在课堂上“现身说法”,现场操作应用程序,演示零件设计的操作过程,不仅有利于课堂教学,更有助于学生对理论授课内容的理解和消化.现代化教学手段的运用,节约了大量的板书时间,增加了课堂教学的信息量,提高了教学效率.在教学过程中,如果仅讲述命令的概念和用法,学生的认识只能停留在理解上,在实际应用时很难达到学了即用的效果.通过多媒体操作UG软件,让学生看到命令的操作过程、看到教师操作时的细节,从而提高教学质量.课前提前做好教学案例设计,授课过程中穿插讲解案例制作过程还能提高学生的学习兴趣.如在讲授曲线操作时,以工程制图中的二维图为例,给学生演示如何利用曲面操作命令绘制二维图;在介绍装配模块时,演示各零件是如何装配的,各零件之间的相互位置关系、装拆顺序,让学生不仅学会了如何使用UG软件,还明白了装配时应注意的问题.这样能在较短时间内给学生提供正确示范,培养学生合理的设计思维,也能充分发挥计算机与教师的双重作用.

培养学生三维设计能力的与实践参考属性评定
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4.运用多种手段,激发学习兴趣

在教学过程中采用多种手段,激发和保持学生的学习兴趣.

第一,充分利用绪论课.在绪论课上让学生观看用三维设计软件绘制出的各种机械零件、装配动画和模拟仿真加工等教学资料,使学生一开始就对这门课程产生浓厚的学习兴趣.如图1是发动机的三维装配模型,图2是可变轴铣仿真过程图.

第二,利用学科前沿知识.每节课前给学生观看三维设计相关领域前沿技术的视频资料,如快速原型技术、宝马车的制作过程、产品检测软件、FreeForm触觉式设计系统等,并在讲课过程中穿插讲解一些先进技术知识,拓展学生的知识面、满足学生的好奇心、激发学生的学习兴趣.

第三,合理利用教学案例.课堂上将常用机械零件的三维设计过程Ë

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