新工科背景下智能制造工程專業(yè)三維設計軟件教學探索與實踐

李佑長，梁傳建，廉文武，黃榮華

（玉林師范學院，廣西 玉林 537000）

0 引言

為了主動應對新一輪科技革命與產業(yè)變革，支撐服務創(chuàng)新驅動發(fā)展、“中國制造2025”等一系列國家戰(zhàn)略，2017 年2 月以來，教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，并發(fā)布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》《關于推薦新工科研究與實踐項目的通知》，全力探索形成領跑全球工程教育的中國模式、中國經驗，助力高等教育強國建設，新工科教育指引我國工程教育的方向[1-3]。智能制造工程專業(yè)是新工科專業(yè)的典型代表，是為培養(yǎng)未來智能制造領域高素質、復合型人才應運而生的。

智能制造作為國家戰(zhàn)略是“十三五”規(guī)劃重點內容，《中國制造2025》強調了信息技術和制造技術的深度融合是新一輪產業(yè)競爭的制高點，而智能制造則是搶占這一制高點的主攻方向。數(shù)字制造和智能制造是制造技術創(chuàng)新的共性使能技術，也是工業(yè)革命的關鍵與核心。近幾年，為了提升廣西區(qū)內傳統(tǒng)制造業(yè)發(fā)展質量和水平，推動制造業(yè)轉型升級和優(yōu)化發(fā)展，自治區(qū)工業(yè)和信息化廳積極開展廣西智能工廠示范企業(yè)和數(shù)字化車間認定工作，獲認定企業(yè)分別給予金額不少的獎勵，認定要求中包含CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM以及ERP 等不少要素，其中處于龍頭地位的三維設計CAD 技術占據(jù)非常重要的位置，這樣也促使中小企業(yè)的數(shù)字制造能力與管理能力上水平成為剛需。

隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，三維設計技術已成為機械類專業(yè)學生必備基本技能之一，且在應用型本科機械類專業(yè)的教學起著非常重要的作用[4-5]。因此為了提升教學效果，培養(yǎng)社會急需人才，智能制造工程專業(yè)三維設計軟件的教學改革與實踐勢在必行。

1 課程教學不足之處

1.1 學生生源問題

玉林師范學院智能制造系智能制造工程專業(yè)于2019 年申報并成為廣西首批獲準招生的幾所高校之一，于2020 年招收首批學生，可見學院本身具備較好辦學實力。但由于玉林師范學院作為一所地方性本科院校，而且是師范院校的工科專業(yè)，專業(yè)知名度較低，造成第一志愿報考本專業(yè)的學生偏少，部分學生只是被動調劑過來，導致少數(shù)學生對智能制造工程這個專業(yè)興趣不大，從而對機械制圖及三維設計方面的課程的學習效果就會打些折扣。

1.2 教學學時不足的問題

隨著學校新的培養(yǎng)方案的不斷優(yōu)化，總學時縮減，開設的機械制圖與CAD 課程理論課32 學時，實驗課16 學時，本課程在大一第一學期開設，用于學習制圖規(guī)范與CAD 繪圖入門，因此光靠大一這些學時的軟件學習很難達到較好的學習效果。

1.3 畢業(yè)生綜合能力問題

智能制造工程專業(yè)面向廣大制造企業(yè)培養(yǎng)優(yōu)秀人才，三維設計水平是必備的基本素質，到制造企業(yè)就業(yè)的應屆畢業(yè)生有些存在眼高手低的情況，到了企業(yè)實習與就業(yè)無法快速上手工作，在學校三維設計軟件實踐鍛煉較少，看圖能力也存在不少問題，互換性知識一知半解，這樣無法勝任企業(yè)的設計工作，這與培養(yǎng)的應用型工程師無法匹配，還需要到企業(yè)跟師再學習幾個月才能逐漸適應崗位，這與平時在學校實踐機會較少，軟件使用不夠熟練存在較大的關系。

2 以學生綜合能力培養(yǎng)為導向的教學實踐

針對以上存在的不足之處，三維設計軟件的教學需要以學生綜合能力培養(yǎng)為導向，進行一系列綜合改革，才能取得較好的學習效果。

2.1 掌握三維設計軟件學習的規(guī)律

當前三維設計軟件已相當普及，而且種類非常多，學習資源也非常多，但根本無法在短時間內全部學習，這就必須在學軟件之前告訴學生需要掌握好軟件學習的規(guī)律。

總體來說，主流CAD 軟件有高端的曲面功能相對更強大的西門子公司UG、法國達索CATIA、美國PTC 公司Pro/E（現(xiàn)改為Creo 軟件），也有中檔的西門子公司Solidedge、達索公司Solidworks、美國AutoDesk公司Inventor 以及中國的CAXA、中望CAD、浩辰CAD 等軟件。各種軟件的特點不一，其中國產軟件性價比高，比如北京數(shù)碼大方的CAXA 軟件，學習資料齊全，標準件庫豐富，三維球的功能非常有特色，二維出圖標注非常方便，與Autocad 習慣基本一致，而且一些尺寸公差與形位公差不用另外查資料，可直接在軟件中選擇標注，特別是出裝配圖非常方便，如圖1 所示，一鍵就可以生成明細欄，而且裝配零件更改與增減也可自動更新內容，自動計算重量，給廣大工程師節(jié)省了非常寶貴的時間，大大提升了設計的效率。

圖1 CAXA 裝配示意圖

三維軟件學習一般均包括草圖、曲面、零件設計、裝配、鈑金、工程圖等功能，只是不同軟件有不同操作特點，因此首先掌握好一個軟件的使用，其他軟件熟悉一個星期左右基本可以建好一個簡單模型，這樣學習效率大大提升。

此外，學好三維軟件一定要弄清楚各軟件文件的后綴是什么，搞清楚各三維軟件之間的接口格式，普遍使用的三維接口為STP 格式、parasolid 格式（后綴*.x_t）、STL 格式、DWG 格式、PDF 格式等，當然有些軟件可以直接打開另一軟件的模型，帶來了不少的便利。通過不同軟件接口格式的實踐，讓學生用實例驗證并掌握好，水平就會有實質性提升，而且在大學期間就至少學會三種以上軟件，將來到企業(yè)就業(yè)可以很快適應工作崗位。

2.2 教學內容改進

為了更好地培養(yǎng)學生，學校在新專業(yè)建設過程中專門投入資金購買了CAXA 軟件用于教學與科研，包含了CAD/CAPP/PLM 模塊，充分利用軟件公司的培訓資源，除了在“機械制圖與CAD”課程中利用CAXA 軟件進行實驗課三維建模與二維出圖外，充分利用物理與電信工程學院科技活動月的契機，在北京數(shù)碼大方公司的大力協(xié)助下，成功舉辦首屆“北京數(shù)碼大方杯”三維建模比賽，極大地提升了學生的學習熱情與使用水平，取得了非常好的效果。此外，在“互換性與測量技術”課程學習中，也鼓勵學生使用CAXA 軟件進行尺寸公差與形位公差、粗糙度的標注，讓學生更好地理解精度設計理論，與實踐相結合，知識點掌握更加牢靠。在大二的“機械原理”與“機械設計”以及課程設計等課程中所用的模型鼓勵學生用CAXA 軟件或其他軟件來建，從而達到進一步提升看圖與創(chuàng)新設計的能力。此外，積極利用新購買的VisuaOne 全方位智能工廠虛擬仿真系統(tǒng)軟件，如圖2 所示，該軟件可用于智能制造生產線規(guī)劃和數(shù)字化車間布局設計，進行智能制造過程仿真和數(shù)據(jù)收集與分析，除利用已有的大量模型外，也可以利用好自己構建的三維模型融入其中進行相關的設計，從而拓展新的應用場景。上課過程中，結合企業(yè)實際設計案例融入課程思政元素對重點知識進行講解，培養(yǎng)學生較強的責任心與認真態(tài)度。

圖2 VisualOne 虛擬智能工廠

2.3 項目式教學模式[6]

為了進一步鞏固軟件使用水平，與CAXA 軟件公司緊密合作，開發(fā)一系列小項目來進行項目式教學，用一個個項目問題來引導學生學習與熟練掌握三維設計軟件的技巧。比如對一個產品進行裝配設計，掌握裝配功能，學習自上而下或者自下而上的設計思路，體會創(chuàng)新產品開發(fā)過程中的細節(jié)。通過布置動畫任務，讓學生去進行動畫制作學習，從而熟悉產品的功能與特點，用于制作宣傳視頻或者用于溝通，達到非常好的效果。通過生成爆炸圖，讓學生學會利用三維設計軟件編寫說明書或零件圖冊，更加理解作為機械類專業(yè)學生掌握三維設計軟件的強大優(yōu)勢。

2.4 利用卓越班進行教學改革

為樹立“面向工業(yè)、面向世界、面向未來”的工程教育理念，遵循“三創(chuàng)”教育的辦學思想，以社會需求為導向，以實際工程為背景，以工程實踐為主線，改革和創(chuàng)新遞進式工程教育人才培養(yǎng)模式，物理與電信工程學院面向全校相關專業(yè)在大二學生中招聘卓越工程師班（智能制造方向），學員30 人，其中融合了智能制造、機械電子、電子信息、光電等不同專業(yè)的特點，以結果為導向進行三維設計軟件培訓，特別是聘請玉柴主持建設智能制造產線中的高級別人才以及其他企業(yè)高級技術人才為企業(yè)導師，讓企業(yè)導師發(fā)揮其自身專業(yè)優(yōu)勢，以企業(yè)的實際問題來指導學生，從而可以更好地激發(fā)學生的學習動力。經過大學幾年的學習，圍繞三維設計能力的培養(yǎng)不斷發(fā)力，逐步提升水平。

2.5 利用現(xiàn)代產業(yè)學院優(yōu)勢資源培養(yǎng)人才

《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》《國務院辦公廳關于深化產教融合的若干意見》先后指出，改革任務中，要構建社會參與機制，加快完善與行業(yè)企業(yè)密切合作的模式，推進與科研院所、社會團體等資源共享，形成協(xié)調合作的有效機制。因此，校企共建產業(yè)學院成為當今教育改革的趨勢。

物理與電信工程學院于2021 年聯(lián)合了區(qū)內外幾家企業(yè)成立了智能制造產業(yè)學院（校級），以培養(yǎng)優(yōu)秀工程師人才為目的，共同建設產業(yè)學院，開展了一系列內涵建設的工作，包括校企雙方人才交流、CAD 設計軟件1+X 證書、CAPP 工藝1+X 證書等證書的頒發(fā)，項目式教學的改革與訂單式人才的培養(yǎng)，倒逼人才培養(yǎng)方案的修訂與完善，一切為了圍繞培養(yǎng)學生而服務，通過一系列改革方案的實施，有效利用企業(yè)與學校的優(yōu)勢資源指導學生利用三維設計軟件完成各個項目。

2.6 學科競賽促學習

學習軟件關鍵要創(chuàng)造良好的氛圍，從大一第一個學期就著手組建三維建模興趣小組，取得了較好的效果。通過創(chuàng)新性地讓學生在講臺自己講解思路，其余同學在臺下共同討論，或者通過小組形式學習，分別學習不同的模塊，然后再交叉相互學習，從而大大提升學習效率。此外利用3D 模型進行3D 打印，對三維模型會有更深的理解，特別是針對物理與電信工程學院在學?；@球、排球比賽中歷年獲得多項冠軍進行冠軍杯設計、北京冬奧火爆的冰墩墩三維建模打印出來檢驗三維建模水平，積累寶貴的設計經驗，取得了非常不錯的效果。

有了平時的軟件使用經驗的積累，具體到全國機械創(chuàng)新設計大賽、全國三維數(shù)字化創(chuàng)新設計大賽、全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創(chuàng)新大賽等各參賽平臺，積極報名參加各項比賽的培訓與比賽，通過比賽不斷完善方案，水平就在不斷改進方案中逐步提升，以賽促學，以賽促改，以賽促教，通過學科競賽幾年的積累，在本專業(yè)的建設中形成了良好的學習環(huán)境與培養(yǎng)模式，也為企業(yè)、社會培養(yǎng)急需的智能制造高端人才，從而逐步解決周濟院士提出的“智能制造作為第四次工業(yè)革命的核心技術需要培養(yǎng)三類人才三支隊伍”的問題。

3 結語

針對三維設計軟件在機械類專業(yè)中特殊地位，讓學生從大一就認識到三維軟件學習的重要性，探討了智能制造工程專業(yè)三維設計軟件學習的一些方法與經驗，結合“全國大學生先進成圖技術與產品信息建模大賽”、“全國機械創(chuàng)新設計大賽”等學科競賽，利用好物理與電信工程學院歷年來參加各種學科競賽積累的好經驗，以小組形式學習相互促進，結合卓越班、智能制造產業(yè)學院的各項資源，以及玉林周邊制造企業(yè)較多的優(yōu)勢，積極調動學生的學習積極性，以小批優(yōu)秀學生帶動一大批同學進入到自覺學習的氛圍中。經過幾年的努力，一定能培養(yǎng)出企業(yè)急需的應用型研發(fā)人才，為國家、廣西制造業(yè)做出玉林師范學院應有的貢獻，辦出玉林師范學院的“應用型”典型特色。