工程圖學(xué)系列課程二維
——三維雙向式創(chuàng)新教學(xué)新體系改革研究＊

楊放瓊，云 忠

(中南大學(xué)機電工程學(xué)院，湖南長沙410083)

工程圖學(xué)系列課程二維
——三維雙向式創(chuàng)新教學(xué)新體系改革研究＊

楊放瓊，云 忠

(中南大學(xué)機電工程學(xué)院，湖南長沙410083)

通過引入現(xiàn)代設(shè)計理念，在二維教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，突出三維設(shè)計思想，將原有的以計算機三維實體造型為主線的工程圖學(xué)課程體系改變?yōu)楹窕A(chǔ)、重創(chuàng)新、強能力的工程制圖二維、三維雙向式創(chuàng)新教學(xué)課程新體系。實踐證明:該教學(xué)模式已取得了初步成效，具有一定的推廣應(yīng)用價值。

工程圖學(xué);雙向式;現(xiàn)代設(shè)計

一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

目前，隨著制造業(yè)信息化技術(shù)的加速，帶來了設(shè)計方式的巨大變革。以計算機輔助設(shè)計CAD為例，三維CAD設(shè)計制造技術(shù)的出現(xiàn)，不僅使直接進行三維設(shè)計成為可能，更是從真正意義上實現(xiàn)了以產(chǎn)品幾何模型為核心的CAD/CAPP/CAM一體化設(shè)計。隨著知識更新的加快，原本是研究生課程的CAX課程群正逐步向本科生課程轉(zhuǎn)移，并融入到機械系列課程的各環(huán)節(jié)。工程圖學(xué)課程作為該課程群的最基本單元，必須順應(yīng)這一潮流的變化。同時，工程圖學(xué)課程是工科類學(xué)生的一門量大面廣的重要技術(shù)基礎(chǔ)課程，也是各高校都十分重視的一門主干課程。而由于傳統(tǒng)的工程制圖教學(xué)遠遠不能適應(yīng)先進制造業(yè)的飛速發(fā)展的需求，工程圖學(xué)的教學(xué)改革一直是工科院校課程體系改革的主要內(nèi)容;反過來，工程信息化，產(chǎn)品設(shè)計數(shù)字化等先進制造技術(shù)也為工程圖學(xué)的發(fā)展提供了新的契機［1，2］。

目前存在著兩種不同的設(shè)計方法:一種是以二維為主、三維為輔的設(shè)計方法，這是一種由二維設(shè)計向三維設(shè)計過渡時期的設(shè)計方法;另一種是完全立體化、數(shù)字化的三維設(shè)計方法。面對現(xiàn)代工程的需求，國內(nèi)各高校都展開了該方面的研究［3，4］。而中南大學(xué)的教學(xué)模式可以分為兩個部分，第一部分將二維CAD繪圖與傳統(tǒng)的工程制圖相結(jié)合，并強調(diào)徒手草繪能力的訓(xùn)練;第二部分將三維實體造型與學(xué)生綜合實踐相結(jié)合，采用Pro/E軟件，在二年級機械類學(xué)生中進行，著重培養(yǎng)學(xué)生的實體造型與創(chuàng)新能力。

國外高校在該課程的改革研究方面的做法是［5］:1)美國的一些高校近年來加強了徒手草圖以及三維建模的教學(xué)內(nèi)容。例如，弗吉尼亞州立大學(xué)《工程圖學(xué)》的教學(xué)大綱中，有關(guān)二維的內(nèi)容為畫軸測圖、用繪圖軟件畫二維圖;三維內(nèi)容為用Solidworks生成零件實體模;三維—二維的轉(zhuǎn)換內(nèi)容為由實體模型生成二維圖等。美國國家先進制造協(xié)會建議教育界應(yīng)提高學(xué)生的二維讀圖能力以及三維實體造型與形體表達能力。2)根據(jù)1995年12月由日本設(shè)計工程學(xué)會發(fā)起的“工業(yè)界對大學(xué)設(shè)計制圖的期望”的147個公司返回的問卷調(diào)查，日本武藏大學(xué)的平野重雄和東京大學(xué)的鈴木教授提出了他們對二維與三維在工程圖學(xué)中關(guān)系的看法。他們的結(jié)論是:(1)必須掌握制圖基礎(chǔ)和制圖技能;(2)具備快速表達自己設(shè)計思想和圖形的能力;(3)手工繪圖對發(fā)展學(xué)生的空間想象能力和創(chuàng)新能力很有用;(4)要把手工繪圖和CAD二者結(jié)合起來，沒有手工繪圖的基礎(chǔ)就不會掌握CAD;(5)三維CAD時代正在快速走來，它使傳統(tǒng)設(shè)計與繪圖的思想、內(nèi)容與方法都發(fā)生了變化，現(xiàn)在是討論三維CAD教育的目的與內(nèi)容的最好時候。

綜合目前國內(nèi)外的現(xiàn)狀，特別是我國的國情，各地區(qū)、各行業(yè)間的差異很大，完全改變工程圖的設(shè)計模式，用三維取代二維還是不現(xiàn)實的，工程圖學(xué)中要正確把握二、三維的關(guān)系，既不要保守，也不要冒進?；趯δ壳皣鴥?nèi)外現(xiàn)狀的分析及專家的看法，作者提出了面向現(xiàn)代工程的二維—三維雙向式的工程圖學(xué)教學(xué)模式，以適應(yīng)新形勢下機械類人才培養(yǎng)的目標和要求。

二、《工程圖學(xué)》系列課程教學(xué)新體系的基本內(nèi)容

面向機械類專業(yè)的機械制圖課程包括工程制圖和機械制圖綜合實踐，工程制圖課程以二維為主，包括制圖基本知識和理論、機械圖的繪制、計算機繪圖、徒手繪圖等;而機械制圖綜合實踐課程著重于工程測繪、草圖繪制等動手能力的培養(yǎng)，測繪對象為齒輪減速箱，有求學(xué)生繪制所有的零件草圖并拼畫出裝配圖。由于工程制圖課中已涉及到測繪齒輪油泵的內(nèi)容，因此，擬將機械制圖綜合實踐課程內(nèi)容進行改革，以三維構(gòu)型為主，由三維圖生成二維工程圖;而工程圖學(xué)課程以二維為主，加入三維實體構(gòu)型初步的內(nèi)容，形成由二維到三維，再由三維到二維的雙向教學(xué)，使學(xué)生既能掌握由零部件到工程圖的轉(zhuǎn)換，完成設(shè)計的過程，又能實現(xiàn)由工程圖到具體的零部件的轉(zhuǎn)換，從而能夠校驗設(shè)計過程的合理性，理解設(shè)計的過程是一個不斷反復(fù)、不斷優(yōu)化的過程，以符合現(xiàn)代工程設(shè)計的需要。經(jīng)過幾年的改革實踐，將原有的以計算機三維實體造型為主線的工程圖學(xué)課程體系改變?yōu)楹窕A(chǔ)、重創(chuàng)新、強能力的工程制圖二維——三維雙向式創(chuàng)新教學(xué)課程新體系。

(一)基于傳統(tǒng)工程圖學(xué)課程改革與學(xué)生空間思維構(gòu)型能力培養(yǎng)——厚基礎(chǔ)

對大學(xué)一年級的學(xué)生，重點培養(yǎng)其空間想象能力，讀圖、繪圖能力，計算機二維繪圖能力。針對學(xué)生入門難的特點，從三維入手，逐漸建立三維與二維的對應(yīng)關(guān)系，由淺入深、循序漸進，又由于時間關(guān)系，以及畢業(yè)設(shè)計反饋信息表明，學(xué)生二維繪圖能力不太強，因此，計算機三維繪圖為輔，重點培養(yǎng)其二維繪圖、讀圖能力。適當(dāng)削減復(fù)雜相貫、標準件等內(nèi)容，加強構(gòu)型設(shè)計、徒手草繪、工程設(shè)計能力的培養(yǎng)，特別是增加模型測繪，培養(yǎng)學(xué)生掌握零部件的拆裝、結(jié)構(gòu)、測量、公差等概念及其圖形表達、標注的方法。

(二)基于綜合創(chuàng)新實踐課程改革與學(xué)生工程設(shè)計能力、團隊協(xié)作能力培養(yǎng)——重創(chuàng)新

對大學(xué)三年級的學(xué)生，重點培養(yǎng)其計算機三維構(gòu)型設(shè)計能力和創(chuàng)新能力。采取項目組的形式，學(xué)生自由組合進行創(chuàng)意設(shè)計，給出開放性的設(shè)計主題，由學(xué)生自主進行產(chǎn)品開發(fā)前期的調(diào)研，項目的組織管理，以及具體的設(shè)計、建模、虛擬設(shè)計與裝配工作。每個學(xué)生完成各自的零件草圖的繪制以及Pro－E三維造型，并在小組內(nèi)進行虛擬裝配，并生成二維工程圖。使學(xué)生在由部件到零件、零件到部件的過程中不斷完善設(shè)計方案，實現(xiàn)由二維到三維，再由三維到二維并行的雙向式教學(xué)。具體內(nèi)容如圖1所示。

圖1 綜合創(chuàng)新實踐課程體系

(三)基于畢業(yè)設(shè)計的綜合運用能力的拓展——強能力

對大學(xué)四年級的學(xué)生，重點培養(yǎng)其綜合運用能力。副教授以上的老師結(jié)合自己的科研課題，利用三維建模技術(shù)、可視化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等指導(dǎo)畢業(yè)設(shè)計，形成了一個可以不斷反饋、不斷改進教學(xué)效果的良性循環(huán)課程體系。

三、具體實施

(一)采取的具體措施

1.自由分組和開放式選題

通過自由分組和開放式課題選擇，促使學(xué)生獨立思考、觀察生活、積極收集信息、相互討論，博采眾家之長，有利于培養(yǎng)互幫互助、協(xié)同合作精神。

2.項目設(shè)計

要求在一定時期內(nèi)完成相應(yīng)的設(shè)計項目，撰寫中英文說明，促使學(xué)生熟練掌握Pro/Engineer，AutoCAD等計算機輔助設(shè)計軟件;通過文獻檢索、中英文閱讀以及歸納總結(jié)，不斷提高自學(xué)能力。

3.公開答辯

通過公開的設(shè)計答辯環(huán)節(jié)讓學(xué)生將自己設(shè)計的作品展示在老師和同學(xué)面前，并回答老師和同學(xué)的提問，進而提高他們的學(xué)習(xí)能力，增強自我認識、自我體驗、自我評價的能力;同時讓老師更全面地了解學(xué)生和診斷自身教學(xué)中存在的問題，以便幫助、督促學(xué)生更快地進步［6］。

(二)實施效果

學(xué)生們在教師的指導(dǎo)下，采用 Pro/ENGINEER、Inventor、Solidworks等設(shè)計工具，對機械產(chǎn)品、日常用品等進行了三維數(shù)字建模設(shè)計，極大地促進了三維設(shè)計方法在我校的推廣及應(yīng)用。2006年7月9日，由湖南省高等院校機械設(shè)計研究會和湖南省高等院校機械原理教學(xué)研究會主辦，中南大學(xué)機電學(xué)院承辦的“山河智能杯”第二屆湖南省大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽成功舉行。2008年劉舜堯老師指導(dǎo)的“福娃爬桿清潔除冰智能機器人”學(xué)生創(chuàng)新作品獲國家級一等獎;2006年云忠老師指導(dǎo)的學(xué)生作品獲第二屆大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽國家一等獎1項、省級二等獎2項;2009年，中南大學(xué)機電專業(yè)被劃為全國第一批創(chuàng)新型高級工程人才試驗班(4+1+1)，體現(xiàn)了我院在探索創(chuàng)新型高級工程技術(shù)人才培養(yǎng)道路上“敢為人先”的改革精神。

四、結(jié)語

1.引入現(xiàn)代設(shè)計方法與理念，即設(shè)計過程為部件—零件—部件間不斷完善、不斷優(yōu)化的過程，從設(shè)計對象的整體出發(fā)，將傳統(tǒng)的零件—部件的教學(xué)順序改為部件—零件—部件，將傳統(tǒng)獨立的機件表達方法融入零部件圖樣表達之中，實現(xiàn)從三維到二維，再從二維到三維的雙向教學(xué)。

2.突破了傳統(tǒng)教學(xué)模式，加強課程的綜合性、實踐性，實現(xiàn)工程圖學(xué)與機械工程訓(xùn)練基礎(chǔ)等相關(guān)課程的銜接與整體優(yōu)化。

［1］馬彩祝，謝 堅.畫法幾何，何去何從［J］.工程圖學(xué)學(xué)報［J］.2008，29(6):144－148.

［2］袁寶民，閆成新.面向現(xiàn)代工程中兩種設(shè)計方法的工程制圖教學(xué)改革［J］.工程圖學(xué)學(xué)報，2006，(4):138－143.

［3］焦永和，張彤，陳軍，等.第7次普通高等學(xué)校圖學(xué)教育現(xiàn)狀的調(diào)查與研究［J］.工程圖學(xué)學(xué)報，2009，(3):068－072.

［4］童秉樞，易素君，徐曉慧.工程圖學(xué)中引入三維幾何建模的情況綜述與思考［J］.工程圖學(xué)學(xué)報，2005，(4):131－135.

［5］舒宏，胡清泥，高菲.中日機械制圖教材的比較及對教學(xué)改革的啟示［J］.工程圖學(xué)學(xué)報2005，(1):166－171.

［6］云忠，王艾倫.基于創(chuàng)新大賽的機械工程拓展型人才培養(yǎng)模式的研究與實踐［J］.高等教育研究學(xué)報，2010，(9):116 －120.

2011－05－03

湖南省高校教學(xué)改革研究項目(湘教通［2010］243號)

楊放瓊(1966－)，女，湖南長沙人，副教授，博士。