新工科背景下智能制造工程专业三维设计软件教学探索与实践

李佑长，梁传建，廉文武，黄荣华

（玉林师范学院，广西 玉林 537000）

0 引言

为了主动应对新一轮科技革命与产业变革，支撑服务创新驱动发展、“中国制造2025”等一系列国家战略，2017 年2 月以来，教育部积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”，并发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》《关于推荐新工科研究与实践项目的通知》，全力探索形成领跑全球工程教育的中国模式、中国经验，助力高等教育强国建设，新工科教育指引我国工程教育的方向[1-3]。智能制造工程专业是新工科专业的典型代表，是为培养未来智能制造领域高素质、复合型人才应运而生的。

智能制造作为国家战略是“十三五”规划重点内容，《中国制造2025》强调了信息技术和制造技术的深度融合是新一轮产业竞争的制高点，而智能制造则是抢占这一制高点的主攻方向。数字制造和智能制造是制造技术创新的共性使能技术，也是工业革命的关键与核心。近几年，为了提升广西区内传统制造业发展质量和水平，推动制造业转型升级和优化发展，自治区工业和信息化厅积极开展广西智能工厂示范企业和数字化车间认定工作，获认定企业分别给予金额不少的奖励，认定要求中包含CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM以及ERP 等不少要素，其中处于龙头地位的三维设计CAD 技术占据非常重要的位置，这样也促使中小企业的数字制造能力与管理能力上水平成为刚需。

随着计算机技术的迅猛发展，三维设计技术已成为机械类专业学生必备基本技能之一，且在应用型本科机械类专业的教学起着非常重要的作用[4-5]。因此为了提升教学效果，培养社会急需人才，智能制造工程专业三维设计软件的教学改革与实践势在必行。

1 课程教学不足之处

1.1 学生生源问题

玉林师范学院智能制造系智能制造工程专业于2019 年申报并成为广西首批获准招生的几所高校之一，于2020 年招收首批学生，可见学院本身具备较好办学实力。但由于玉林师范学院作为一所地方性本科院校，而且是师范院校的工科专业，专业知名度较低，造成第一志愿报考本专业的学生偏少，部分学生只是被动调剂过来，导致少数学生对智能制造工程这个专业兴趣不大，从而对机械制图及三维设计方面的课程的学习效果就会打些折扣。

1.2 教学学时不足的问题

随着学校新的培养方案的不断优化，总学时缩减，开设的机械制图与CAD 课程理论课32 学时，实验课16 学时，本课程在大一第一学期开设，用于学习制图规范与CAD 绘图入门，因此光靠大一这些学时的软件学习很难达到较好的学习效果。

1.3 毕业生综合能力问题

智能制造工程专业面向广大制造企业培养优秀人才，三维设计水平是必备的基本素质，到制造企业就业的应届毕业生有些存在眼高手低的情况，到了企业实习与就业无法快速上手工作，在学校三维设计软件实践锻炼较少，看图能力也存在不少问题，互换性知识一知半解，这样无法胜任企业的设计工作，这与培养的应用型工程师无法匹配，还需要到企业跟师再学习几个月才能逐渐适应岗位，这与平时在学校实践机会较少，软件使用不够熟练存在较大的关系。

2 以学生综合能力培养为导向的教学实践

针对以上存在的不足之处，三维设计软件的教学需要以学生综合能力培养为导向，进行一系列综合改革，才能取得较好的学习效果。

2.1 掌握三维设计软件学习的规律

当前三维设计软件已相当普及，而且种类非常多，学习资源也非常多，但根本无法在短时间内全部学习，这就必须在学软件之前告诉学生需要掌握好软件学习的规律。

总体来说，主流CAD 软件有高端的曲面功能相对更强大的西门子公司UG、法国达索CATIA、美国PTC 公司Pro/E（现改为Creo 软件），也有中档的西门子公司Solidedge、达索公司Solidworks、美国AutoDesk公司Inventor 以及中国的CAXA、中望CAD、浩辰CAD 等软件。各种软件的特点不一，其中国产软件性价比高，比如北京数码大方的CAXA 软件，学习资料齐全，标准件库丰富，三维球的功能非常有特色，二维出图标注非常方便，与Autocad 习惯基本一致，而且一些尺寸公差与形位公差不用另外查资料，可直接在软件中选择标注，特别是出装配图非常方便，如图1 所示，一键就可以生成明细栏，而且装配零件更改与增减也可自动更新内容，自动计算重量，给广大工程师节省了非常宝贵的时间，大大提升了设计的效率。

图1 CAXA 装配示意图

三维软件学习一般均包括草图、曲面、零件设计、装配、钣金、工程图等功能，只是不同软件有不同操作特点，因此首先掌握好一个软件的使用，其他软件熟悉一个星期左右基本可以建好一个简单模型，这样学习效率大大提升。

此外，学好三维软件一定要弄清楚各软件文件的后缀是什么，搞清楚各三维软件之间的接口格式，普遍使用的三维接口为STP 格式、parasolid 格式（后缀*.x_t）、STL 格式、DWG 格式、PDF 格式等，当然有些软件可以直接打开另一软件的模型，带来了不少的便利。通过不同软件接口格式的实践，让学生用实例验证并掌握好，水平就会有实质性提升，而且在大学期间就至少学会三种以上软件，将来到企业就业可以很快适应工作岗位。

2.2 教学内容改进

为了更好地培养学生，学校在新专业建设过程中专门投入资金购买了CAXA 软件用于教学与科研，包含了CAD/CAPP/PLM 模块，充分利用软件公司的培训资源，除了在“机械制图与CAD”课程中利用CAXA 软件进行实验课三维建模与二维出图外，充分利用物理与电信工程学院科技活动月的契机，在北京数码大方公司的大力协助下，成功举办首届“北京数码大方杯”三维建模比赛，极大地提升了学生的学习热情与使用水平，取得了非常好的效果。此外，在“互换性与测量技术”课程学习中，也鼓励学生使用CAXA 软件进行尺寸公差与形位公差、粗糙度的标注，让学生更好地理解精度设计理论，与实践相结合，知识点掌握更加牢靠。在大二的“机械原理”与“机械设计”以及课程设计等课程中所用的模型鼓励学生用CAXA 软件或其他软件来建，从而达到进一步提升看图与创新设计的能力。此外，积极利用新购买的VisuaOne 全方位智能工厂虚拟仿真系统软件，如图2 所示，该软件可用于智能制造生产线规划和数字化车间布局设计，进行智能制造过程仿真和数据收集与分析，除利用已有的大量模型外，也可以利用好自己构建的三维模型融入其中进行相关的设计，从而拓展新的应用场景。上课过程中，结合企业实际设计案例融入课程思政元素对重点知识进行讲解，培养学生较强的责任心与认真态度。

图2 VisualOne 虚拟智能工厂

2.3 项目式教学模式[6]

为了进一步巩固软件使用水平，与CAXA 软件公司紧密合作，开发一系列小项目来进行项目式教学，用一个个项目问题来引导学生学习与熟练掌握三维设计软件的技巧。比如对一个产品进行装配设计，掌握装配功能，学习自上而下或者自下而上的设计思路，体会创新产品开发过程中的细节。通过布置动画任务，让学生去进行动画制作学习，从而熟悉产品的功能与特点，用于制作宣传视频或者用于沟通，达到非常好的效果。通过生成爆炸图，让学生学会利用三维设计软件编写说明书或零件图册，更加理解作为机械类专业学生掌握三维设计软件的强大优势。

2.4 利用卓越班进行教学改革

为树立“面向工业、面向世界、面向未来”的工程教育理念，遵循“三创”教育的办学思想，以社会需求为导向，以实际工程为背景，以工程实践为主线，改革和创新递进式工程教育人才培养模式，物理与电信工程学院面向全校相关专业在大二学生中招聘卓越工程师班（智能制造方向），学员30 人，其中融合了智能制造、机械电子、电子信息、光电等不同专业的特点，以结果为导向进行三维设计软件培训，特别是聘请玉柴主持建设智能制造产线中的高级别人才以及其他企业高级技术人才为企业导师，让企业导师发挥其自身专业优势，以企业的实际问题来指导学生，从而可以更好地激发学生的学习动力。经过大学几年的学习，围绕三维设计能力的培养不断发力，逐步提升水平。

2.5 利用现代产业学院优势资源培养人才

《国家中长期人才发展规划纲要（2010-2020年）》《国务院办公厅关于深化产教融合的若干意见》先后指出，改革任务中，要构建社会参与机制，加快完善与行业企业密切合作的模式，推进与科研院所、社会团体等资源共享，形成协调合作的有效机制。因此，校企共建产业学院成为当今教育改革的趋势。

物理与电信工程学院于2021 年联合了区内外几家企业成立了智能制造产业学院（校级），以培养优秀工程师人才为目的，共同建设产业学院，开展了一系列内涵建设的工作，包括校企双方人才交流、CAD 设计软件1+X 证书、CAPP 工艺1+X 证书等证书的颁发，项目式教学的改革与订单式人才的培养，倒逼人才培养方案的修订与完善，一切为了围绕培养学生而服务，通过一系列改革方案的实施，有效利用企业与学校的优势资源指导学生利用三维设计软件完成各个项目。

2.6 学科竞赛促学习

学习软件关键要创造良好的氛围，从大一第一个学期就着手组建三维建模兴趣小组，取得了较好的效果。通过创新性地让学生在讲台自己讲解思路，其余同学在台下共同讨论，或者通过小组形式学习，分别学习不同的模块，然后再交叉相互学习，从而大大提升学习效率。此外利用3D 模型进行3D 打印，对三维模型会有更深的理解，特别是针对物理与电信工程学院在学校篮球、排球比赛中历年获得多项冠军进行冠军杯设计、北京冬奥火爆的冰墩墩三维建模打印出来检验三维建模水平，积累宝贵的设计经验，取得了非常不错的效果。

有了平时的软件使用经验的积累，具体到全国机械创新设计大赛、全国三维数字化创新设计大赛、全国大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛等各参赛平台，积极报名参加各项比赛的培训与比赛，通过比赛不断完善方案，水平就在不断改进方案中逐步提升，以赛促学，以赛促改，以赛促教，通过学科竞赛几年的积累，在本专业的建设中形成了良好的学习环境与培养模式，也为企业、社会培养急需的智能制造高端人才，从而逐步解决周济院士提出的“智能制造作为第四次工业革命的核心技术需要培养三类人才三支队伍”的问题。

3 结语

针对三维设计软件在机械类专业中特殊地位，让学生从大一就认识到三维软件学习的重要性，探讨了智能制造工程专业三维设计软件学习的一些方法与经验，结合“全国大学生先进成图技术与产品信息建模大赛”、“全国机械创新设计大赛”等学科竞赛，利用好物理与电信工程学院历年来参加各种学科竞赛积累的好经验，以小组形式学习相互促进，结合卓越班、智能制造产业学院的各项资源，以及玉林周边制造企业较多的优势，积极调动学生的学习积极性，以小批优秀学生带动一大批同学进入到自觉学习的氛围中。经过几年的努力，一定能培养出企业急需的应用型研发人才，为国家、广西制造业做出玉林师范学院应有的贡献，办出玉林师范学院的“应用型”典型特色。