三维造型软件在大学生专业创新的应用

［摘要］在建设创新型国家的时代背景下，面向创新教育的课程目标，基于能源与动力工程专业的培养方案，课题组总结了专业创新实践的教学现状，探究了增强学生参与度的教学方法，分析了教学内容的创新途径。课题组还针对三维造型软件在本专业发挥的重要作用，将造型设计列入创新实践教学内容，融合专业研究对象和个性化设计的教学素材，发展学生的创新创造思维，通过学生作品展示了专业创新的实践效果，为新工科人才培养注入了新的活力。

［关键词］创新实践；软件；仿真；能源与动力工程

创新是推动社会发展的动力。提高自主创新能力，建设创新型国家，已成为我国重要的发展战略。工科人才培养注重实践，将专业理论知识和专业技能应用于工程实践，从实践中发现问题并寻找解决问题的办法，是工科教学中的基本内容。在“新工科”时代背景下，需要强化工程背景，提升工程实践能力，对工科教师和工科学生提出了新的要求。教育部《关于全面提高高等教育质量的若干意见》提出：制订高校创新创业教育教学基本要求，开发创新创业类课程，纳入学分管理[1]。众多高校开展了创新创业类课程的建设工作，大批创新实践课程被列入大学生的培养计划。为了有效发挥创新实践课在工科人才培养中的作用，课题组以扬州大学能源与动力工程专业为例，对能源与动力工程专业创新实践课进行了教学研究。

一、创新实践课程的教学现状

在工科大类背景下，能源与动力工程专业以培养适应国家现代化建设需要的高级工程技术人才为目标，在“新工科”建设时期，培养知识面广、专业基础扎实、创新能力强的复合型高级人才，为本专业的建设明确了具体任务[2]。能源与动力工程专业学生主要学习能源利用与转换、动力机械与测试、电气设备及控制等方面的基础理论，构建“能源—机械—电力”为系统的知识体系。传统课程设置包括公共教育课程、学科基础课程、专业必修和选修课程，近几年新增的创新创业类课程，配合实践性教学环节和第二课堂的学习，强化培养本专业学生顺应时展的创新实践能力。目前，创新创业类课程涵盖了专业创新基础、专业创新思维训练、专业创新精神与实践等课程。课题组结合教学实例，研究能源与动力工程专业创新实践课程的教学现状，探讨了以下内容。（一）教学方法。不同于传统的教师授课、学生记录的课堂教学模式，创新实践课程教学中贯穿了师生互动环节，通过相对频繁的课堂提问调动学生的积极性，增强学生对课堂的参与度，但在实践过程中发现，提问效果因学生个体差异而不同，对于部分相对被动的学生，课堂提问对其激励作用并不显著。于是，教学中采用探究式教学模式[3]，通过分小组的形式，布置课后学习任务，设立课堂汇报环节，培养学生自主学习、深入探究、合作交流的能力。学生通过查阅课外资料、拓展专业知识视野、掌握搜集和整理信息的方法、在讲台进行授课体验等方式锻炼语言组织和表达能力，汇报内容也为教师教学补充了素材，经过师生和学生间的相互学习，营造集体学习、共同进步的良好氛围。我们在探索创新实践课程教学方法的过程中发现，强化学生的参与意识，全面实现全员参与、全程参与和有效参与势在必行。（二）教学内容。专业创新课程以专业知识为背景，以创新公共基础课程为依托，内容包括创新思维的基本概念、创新方法和创新实例，教学内容覆盖社会生产和国民生活的多方面，引导学生从科学常识学习专业知识，避免课程与专业脱节的常见问题[4]。在此列举一个教学实例：在众多创新方法中，仿生创新是一种向大自然的生物学习从而发明创造并为人类服务的过程，以仿狼群学习为例，一方面，让学生了解企业管理领域是如何学习狼群的团队合作精神和危机处理能力，从而优化管理模式的，另一方面，为本专业学生介绍一种基于狼群群体智能的优化算法——狼群算法[5]，该算法在水电站优化调度和泵站经济运行方面发挥着重要作用。在创新实践课堂中，介绍本专业常用的商业软件MATLAB，引导学生利用已掌握的计算机语言进行算法演练，深入理解优化算法在节能降耗方面的工程意义，强化训练能源与动力工程学生的专业素养。通过诸如此类的教学实例，构建专业创新课程与创新公共基础课程的联系，引导学生掌握本专业数学软件、设计软件、仿真软件等计算机应用技术，丰富教学内容。（三）教学成果。考核创新实践课程的学习效果，不同于传统理论教学借助课程考试来评定，而是需要通过创新与实践成果来展现。参照各类大学生科技创新竞赛项目可见，实践成果不应止步于抽象的思路或概念，而应拓展至具体的物件或实用的方法。考虑到能源与动力工程专业的教学特点，大量与流体动力相关的科学问题依赖于实验测试与现象分析，但是实验设备少、测试周期长等因素往往制约了学生开展实验探索的亲身体验，相比实验研究，计算机辅助设计和仿真技术成为更可行的研究工具[6]。能源与动力工程专业需要运用多款计算机软件，其中制图、造型、仿真等软件的应用是能源动力类学生需要掌握的基本技能。软件学习通常不被列入课堂教学内容，学生自学又抓不到重点，需要较长的周期，实际掌握效果并不理想。借助创新实践课堂，教师可引导学生以专业软件为工具，进行专业创新探索，通过一系列的训练与实践，为从事能源与动力工程相关工作储备技术力量。

二、应用三维造型软件的专业创新实践教学

能源与动力工程专业涉及多种流体机械的研究，各类流体机械的结构形状、尺寸大小、工作原理等信息，往往需要通过图形、图像直观展现，学生通过学习制图技术，积累能够应用于能源动力工程设计、制造、安装等环节的能力。画法几何、机械制图、机械设计课程为本专业学生奠定了手工制图的技术基础，计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，简称CAD）提高了制图的效率，灵活运用CAD技术也成为众多工科专业学生需要掌握的技能[7]。AutoCAD软件是由Autodesk公司开发且成为国际上广为流行的制图工具，应用该软件熟悉绘制、编辑图形的技术，已成为能源与动力工程专业的本科教学内容，培养学生掌握二维制图和基本的三维设计方法。三维建模是在二维制图基础上，将绘图目标立体化和形象化，有助于直观认识各类流体机械。三维造型技术已从最初的三维CAD发展到目前专用的基于特征造型的三维软件，常用软件有UG/NX、Solid⁃Works、CATIA、Pro/E等。在本科生的毕业设计阶段，围绕流体机械的结构设计、流动仿真等工作都离不开三维造型软件的使用，学生零基础自学三维造型软件常面临周期长、抓不到重点的问题，严重时影响毕业设计的进度和任务主次关系。因此，应利用本科新生的专业创新实践课程，将三维造型软件的应用列入教学计划，引导学生尽早掌握能源与动力工程的专业技能。教学改革的具体环节如下。（一）课程指导。各类三维造型软件因内置模块和标准件库的差异，在不同领域的适用性略有不同，但基本操作和制图原理是相通的，本次教学实践选择UG（UnigraphicsNX）软件作为教学工具。首先，介绍UG软件中的草图界面，在草图单一平面上绘制图线、编辑图形、约束尺寸，相关操作与学生已掌握的AutoCAD二维制图类似，引导学生熟悉UG软件的操作方法。其次，介绍在草图中创建不同平面的方法，建立空间图形的区域轮廓，为三维造型奠定基础。最后，围绕三维造型的常用操作，演示调用图库元素和根据草图构建曲面或实体的制图方法。课程指导以教师的演示为主，学生在课堂同步操作，同时录制了相应的教学视频，供学生课后进行针对性学习，并加强课后练习，夯实对软件基本操作的认识。（二）造型训练。离心泵是能源与动力工程专业水动力方向的研究对象，在泵站工程中广泛使用，并与国民生活息息相关。离心泵的叶轮是一种典型的旋转部件，其叶片建模涉及空间曲面的造型，泵体外壳的非对称性增加了三维造型的复杂程度，以离心泵流道的三维造型作为训练题目，有助于掌握流体机械三维造型的相关基本操作。图1展示了学生对离心泵三维造型的完成情况。从绘制二维木模图到生成三维流道及叶片，学生掌握了利用UG软件进行草图绘制和实体构建的技能。通过了解离心泵的设计和制造流程，学生认识了离心泵的旋转叶轮结构，为后续专业课程的课程设计1离心泵造型展示（三）创新实践。创新类课程鼓励学生创造、更新，引导学生把自己的想法融入课程学习过程中。于是，在学生掌握了离心泵的三维造型技能之后，提供姓名设计和动漫造型两个素材，以期提升学生的学习兴趣和创新动力，推动学生进一步熟悉UG软件的造型功能。教学实践表明，姓名设计环节突破了学生对软件自身添加文字功能的认识，强化了学生对草图绘制方法的应用。图2是部分学生的姓名设计作品，悉心融入了个人的创造特色。（a）学生作品一（b）学生作品二图2利用UG软件的姓名符号造型（a）学生作品一（b）学生作品二图3利用UG软件的动漫造型动漫造型的想法源于网络热议的“小猪佩奇”形象，在“佩奇”成为各行业创新优选素材的同时，有能源与动力工程专业的学生利用UG进行了“佩奇”的三维造型。这个看似玩闹的行为却体现了对专业软件的灵活应用，同时为本课程的创新训练提供了思路。图3是学生自选动漫形象的造型作品，自学探索的过程中体现了学生对零件拼接、结构布局、颜色渲染等造型技能的掌握。（四）经验交流。实践环节中充满了探索与尝试，其中不乏成功与挫败的经历，创新实践课堂为学生提供了经验交流的平台。通过展示个性创造成果，分享自主学习的乐趣，学生的逻辑思维能力和语言表达能力得到了提升。汇报过程中，学生自主设计演示文稿，融入个人特色和创新元素，进一步促进了创新思维的发展。通过总结经验教训，提出学习中遇到的疑惑和困难，学生勤于思考的习惯得到培养。经验交流环节促进了师生间的共同讨论与相互帮助，教师为学生答疑解惑、引导思路，学生作品也为教师提供了丰富的教学素材，同时明确了教学内容中的难点和要点。师生之间的相互探讨，活跃了教学氛围，增强了学生的课堂参与度。实践表明：针对能源与动力工程专业，应用三维造型软件进行创新实践教学，有利于学生熟悉并掌握本专业的学习工具，加强了对本专业“能源—机械—电力”知识系统中的科学问题的认知，拓展了学生的专业领域视野，为本专业其他课程的教学与实践奠定了基础。

三、结语

以扬州大学能源与动力工程专业创新实践类课程为研究对象，总结专业创新实践课的教学现状，对比分析了传统与探究式的教学方法，利用专业软件和专业知识丰富了教学内容，强化了成果创造和展示的考核机制。基于三维造型软件在能源与动力工程专业中的重要应用，将软件教学列入专业创新实践课程内容，通过课程指导、造型训练、创新实践和经验交流等教学环节，引导学生学习三维造型软件，经历从陌生到了解、从能用到会用的积累过程，将创新思维培养和创造力训练贯穿教学始终，最终，学生的作品诠释了对共性和个性的理解，也体现了对专业软件的熟练应用。创新是不断发展和创造更新的过程，以上教学改革方案也会随教学实践的过程进一步更新和完善。

［参考文献］

［1］孙国友.我国高等教育质量政策价值取向研究：基于《关于全面提高高等教育质量的若干意见》及其配套政策文本分析［J］.高教探索,2015（1）:39-42.

［2］新工科建设指南（“北京指南”）［J］.高等工程教育研究,2017（4）:16-19.

［3］刘根梅.探究式教学模式在食品生物技术课程中的应用［J］.轻工科技,2019,35（8）:159-160+166.

［4］古翠凤,梁韦娟.应用型高校创新创业教育研究［J］.重庆科技学院学报（社会科学版）,2019（3）:93-96+118.

［5］李励,赖喜德,陈小明.基于改进狼群算法的水电站厂内优化运行研究［J］.水电能源科学,2019,37（6）:164-168.

［6］郭嫱,黄先北,仇宝云,等.能源动力类本科毕业设计教学改革探析［J］.大学教育,2019（7）:65-67.

［7］张玉萍,马燕,杨燕勤,等.“新工科”下计算机辅助设计课程的改革与探索［J］.教育教学论坛,2018（7）:115-116.

作者:黄先北 郭 嫱 李小川 仇宝云 单位:扬州大学电气与能源动力工程学院