多學(xué)時(shí)制圖課程融入三維CAD的教學(xué)探討

舒 宏， 高 菲， 陳 霞

（大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

隨著現(xiàn)代制造技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷融合發(fā)展，大學(xué)工程圖學(xué)課程由過(guò)去的畫法幾何學(xué)與工程制圖并重的傳統(tǒng)教學(xué)模式逐步演變?yōu)楫嫹◣缀螌W(xué)的投影法、工程制圖及CAD制圖相輔相成的格局。調(diào)查顯示，截至2008年，85%的學(xué)校開(kāi)設(shè)了計(jì)算機(jī)繪圖課程，其中32%的學(xué)校開(kāi)展三維 CAD，CAD繪圖課程的平均學(xué)時(shí)為 25左右[1]。從AutoCAD軟件的二維繪圖到 Inventor、Solidworks等軟件的三維實(shí)體造型、裝配到二維工程圖繪制，CAD制圖教學(xué)已成為工程圖學(xué)學(xué)科必不可缺的重要內(nèi)容。為工程圖學(xué)的教學(xué)改革注入了新的活力，也使得制圖課程由過(guò)去注重單純的畫圖、讀圖等制圖技能本身的訓(xùn)練，向體現(xiàn)以設(shè)計(jì)制圖為培養(yǎng)目標(biāo)的逐步轉(zhuǎn)換，以響應(yīng)國(guó)家提出的“卓越工程師計(jì)劃”這一戰(zhàn)略思想。

目前工程圖學(xué)教材在內(nèi)容上都將CAD二維繪圖和三維建模作為重要的教學(xué)內(nèi)容[2]，許多高校在引入CAD三維建模，提高學(xué)生的構(gòu)型思維的教學(xué)改革方面進(jìn)行了許多有益的實(shí)踐探索[3-5]。三維CAD內(nèi)容的引入，對(duì)傳統(tǒng)制圖課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法產(chǎn)生了巨大的沖擊，對(duì)機(jī)械類學(xué)科在整體課程體系設(shè)置上帶來(lái)了思考。借鑒歐美知名大學(xué)CAD三維建模的教學(xué)形式，結(jié)合我國(guó)的現(xiàn)有國(guó)情，如何將三維CAD與傳統(tǒng)制圖內(nèi)容有機(jī)結(jié)合、如何進(jìn)行制圖課程內(nèi)容的取舍整合、在增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和構(gòu)型能力的同時(shí)如何提高二維工程圖表達(dá)能力等方面的探索與改革是我們面臨的主要任務(wù)之一。對(duì)此，本文主要討論三維CAD如何與傳統(tǒng)教學(xué)的結(jié)合問(wèn)題，以及在教學(xué)實(shí)踐中的若干探索。

1 與傳統(tǒng)制圖的結(jié)合問(wèn)題

借助于 Inventor、Solidworks等三維繪圖軟件進(jìn)行形體構(gòu)型、零部件裝配，大大地增強(qiáng)了學(xué)生的空間思維能力，提高了學(xué)生對(duì)于制圖課程的學(xué)習(xí)熱情，明顯提高了學(xué)習(xí)效率。但由此也帶來(lái)了三維CAD制圖與傳統(tǒng)制圖內(nèi)容有機(jī)結(jié)合的問(wèn)題。

三維CAD制圖在內(nèi)容和教學(xué)體系上通常采用融入式、獨(dú)立式和CG主導(dǎo)式3種模式[6]。融入式是將三維建模原理、方法融合滲透到工程制圖課程中，與傳統(tǒng)內(nèi)容密切協(xié)調(diào)，互為補(bǔ)充。獨(dú)立式是將三維CAD獨(dú)立于制圖課程，與工程制圖一并構(gòu)成新課程體系。CG主導(dǎo)式是以計(jì)算機(jī)繪圖為主線，將傳統(tǒng)內(nèi)容穿插其中。融入式教學(xué)根據(jù)制圖課程的不同階段引入相應(yīng)的CAD三維建模內(nèi)容，貫穿于制圖課程教學(xué)活動(dòng)的全過(guò)程，增強(qiáng)了學(xué)生的空間思維能力、三維形體與二維圖形之間的相互關(guān)系的理解，強(qiáng)化了零部件在形狀結(jié)構(gòu)上、配合連結(jié)上的直觀理解，從而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。因此，對(duì)于多學(xué)時(shí)制圖課程，目前融入式教學(xué)是各高校制圖課程的主流模式。但是CAD三維建模內(nèi)容的引入必然使得原有的手工畫圖、讀圖訓(xùn)練時(shí)間減少，導(dǎo)致學(xué)生讀圖能力有所下降。CAD制圖的獨(dú)立式教學(xué)能夠保證原有的制圖教學(xué)不受影響，學(xué)生有充分的二維繪圖訓(xùn)練時(shí)間，能夠系統(tǒng)深入地學(xué)習(xí)掌握三維建模、造型設(shè)計(jì)、三維零部件與二維工程圖的轉(zhuǎn)換。這使得在整個(gè)大學(xué)課程學(xué)習(xí)期間制圖技能的學(xué)習(xí)有較好的延續(xù)性、系統(tǒng)性和完整性，從而減少由于除制圖課程外因缺乏制圖的學(xué)習(xí)與訓(xùn)練，出現(xiàn)課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)不會(huì)畫圖的尷尬現(xiàn)象。以CAD三維建模為主線的CG主導(dǎo)式教學(xué)適應(yīng)于以擴(kuò)大知識(shí)面為目標(biāo)的少學(xué)時(shí)的基礎(chǔ)制圖課程。

因此，對(duì)于多學(xué)時(shí)制圖課程的三維CAD教學(xué)在課程體系設(shè)置上應(yīng)分兩步走，即采用先融入式后獨(dú)立式的三維CAD教學(xué)模式。首先，在制圖課程中融入形體、零件三維建模，部件的裝配與驅(qū)動(dòng)關(guān)系，直觀有效地理解零件的形狀、零件之間的配合、部件的工作原理等，提高學(xué)生的空間思維能力，更好理解二維圖形與三維實(shí)體之間轉(zhuǎn)化關(guān)系。使得畫圖與讀圖，尤其是讀圖訓(xùn)練不再變得令學(xué)生畏懼。在這一階段，大力加強(qiáng)徒手圖和尺規(guī)工程圖的訓(xùn)練是關(guān)鍵，淡化三維建模轉(zhuǎn)換為二維工程圖尤其是裝配圖的訓(xùn)練。其次，作為傳統(tǒng)制圖課程延續(xù)的獨(dú)立式三維CAD教學(xué)，應(yīng)作為制圖課程內(nèi)容的補(bǔ)充和與后續(xù)的機(jī)械原理、零件設(shè)計(jì)的連接紐帶。從產(chǎn)品設(shè)計(jì)的角度提升學(xué)生的設(shè)計(jì)創(chuàng)新思維同時(shí)，以三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)到二維工程圖為主線作為課程的核心內(nèi)容。

2 零部件的工程圖表達(dá)問(wèn)題

借助于Inventor軟件能夠方便地將零部件的三維實(shí)體投影為二維平面圖形。但是，零部件的工程圖表達(dá)中既包括了按投影的正確繪圖內(nèi)容，又包含了靈活正確運(yùn)用國(guó)標(biāo)表達(dá)的內(nèi)容，其間不乏有國(guó)標(biāo)規(guī)定畫法與實(shí)際投影不符合的表達(dá)。學(xué)生們習(xí)慣于投影的作圖，對(duì)人為規(guī)定的畫圖不重視、不理解，使得在對(duì)零部件確定合理的表達(dá)方案，運(yùn)用國(guó)標(biāo)進(jìn)行正確表達(dá)零部件二維圖形方面問(wèn)題尤為突出。

相對(duì)應(yīng)強(qiáng)大的三維建模功能，Inventor的二維工程圖處理上有許多不盡人意的方面。雖然可以利用Inventor允許在工程圖環(huán)境下進(jìn)入草圖模式對(duì)工程圖進(jìn)行修改，以符合我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但是它不能夠直接創(chuàng)建局部視圖、斜視圖、斷面圖，對(duì)于肋板、均勻分布孔等其他規(guī)定畫法表達(dá)的處理上有時(shí)會(huì)變得非常繁瑣。這給我們?cè)诠こ虉D繪圖方面的訓(xùn)練帶來(lái)了不少問(wèn)題?，F(xiàn)將零件、標(biāo)準(zhǔn)件和裝配體在表達(dá)上與投影相悖的國(guó)標(biāo)規(guī)定畫法總結(jié)歸納如表1所示。

表1 制圖標(biāo)準(zhǔn)中與投影相悖的表示法

面對(duì)如此多的表達(dá)方法，沒(méi)有足夠的工程圖訓(xùn)練時(shí)間，利用Inventor 很難對(duì)零件圖、尤其是裝配圖進(jìn)行正確修改與表達(dá)。從這個(gè)角度來(lái)看，大力推進(jìn)制圖標(biāo)準(zhǔn)的貫徹實(shí)施，培養(yǎng)學(xué)生具有確立正確的表達(dá)方案、具有對(duì)零部件圖形正確的表達(dá)能力是推進(jìn)CAD制圖與制圖課程融合的關(guān)鍵點(diǎn)。

目前，對(duì)于工程圖表達(dá)的教學(xué)依然是以老師課堂講授，學(xué)生課后練習(xí)的方式進(jìn)行。由于課后訓(xùn)練時(shí)間有限，學(xué)生對(duì)于教學(xué)內(nèi)容大多是機(jī)械式照搬而非理解，自主進(jìn)行確定零部件圖形表達(dá)方案的能力明顯不足。此問(wèn)題反映到Inventor的二維工程圖處理上就是大多數(shù)學(xué)生不知二維圖中哪些地方需要修改、如何修改。因此，在零部件圖形表達(dá)部分的教學(xué)應(yīng)采用教師講授為輔，學(xué)生訓(xùn)練為主的形式，由對(duì)零部件確定表達(dá)方案、徒手或尺規(guī)手工繪圖，到三維CAD建模、三維實(shí)體二維圖形轉(zhuǎn)換、二維工程圖修改、尺寸標(biāo)注等系統(tǒng)性訓(xùn)練，使傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容與三維CAD建模相互支持，互為補(bǔ)充，幫助學(xué)生理解國(guó)標(biāo)規(guī)定畫法的優(yōu)點(diǎn)、意圖，以便學(xué)生對(duì)零件圖、裝配圖內(nèi)容有足夠的訓(xùn)練時(shí)間和理解消化，真正在技能、素質(zhì)上得到訓(xùn)練培養(yǎng)。

3 CAD制圖教學(xué)內(nèi)容的融合與實(shí)踐

目前我校多學(xué)時(shí)制圖課程的課時(shí)是78學(xué)時(shí)，CAD制圖通常為24學(xué)時(shí)，占總學(xué)時(shí)數(shù)的三分之一。表2是機(jī)械類制圖課程CAD教學(xué)內(nèi)容計(jì)劃表，它主要由三維實(shí)體造型和工程圖繪制兩部分組成，以穿插在制圖教學(xué)中的形式開(kāi)展。在課程之初，結(jié)合基本立體與組合體的教學(xué)內(nèi)容，指導(dǎo)學(xué)生對(duì)于三維形體造型進(jìn)行重點(diǎn)訓(xùn)練。在這一過(guò)程中，一方面可以使學(xué)生熟悉三維軟件的使用，另一方面在具有獨(dú)立實(shí)體造型能力后，可以幫助學(xué)生擴(kuò)展空間思維能力，解決復(fù)雜形體投影圖中難以理解的問(wèn)題。

同時(shí)，注意將趣味性內(nèi)容融入教學(xué)，以激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情。對(duì)于工程圖部分的訓(xùn)練，我們采用的是將手工圖表達(dá)的零部件通過(guò)三維造型轉(zhuǎn)換為二維工程圖這一過(guò)程，重點(diǎn)講解包括剖視圖、局部剖、斷面圖、局部視圖等生成與編輯方法、草圖狀態(tài)下修改編輯工程圖的技巧，進(jìn)一步加強(qiáng)了機(jī)件表示法在工程圖中的具體運(yùn)用，如圖1表示一個(gè)殼體零件的三維造型圖和其轉(zhuǎn)換為二維工程圖的示意圖。圖2為球閥裝配體模型圖，圖3為球閥裝拆模型圖，通過(guò)在測(cè)繪實(shí)驗(yàn)室中對(duì)球閥部件的拆裝測(cè)繪，了解其工作原理、零件結(jié)構(gòu)、裝配關(guān)系等內(nèi)容，對(duì)球閥各零件進(jìn)行造型、裝配、繪制裝配圖。

表2 Inventor繪圖軟件教學(xué)計(jì)劃表

圖1 殼體零件圖

圖3 球閥裝拆模型

圖2 球閥裝配體模型

4 結(jié) 束 語(yǔ)

三維CAD建模的引入使得工程圖學(xué)的教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容的變革成為必然。結(jié)合我國(guó)的具體國(guó)情，對(duì)三維CAD教育模式與傳統(tǒng)制圖內(nèi)容的融合、制圖課程內(nèi)容的優(yōu)化整合、提高二維工程圖表達(dá)能力以及加強(qiáng)徒手圖、軸測(cè)圖等方面的探索是工程圖學(xué)教學(xué)的重要課題。

[1]焦永和, 張 彤, 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(bào), 2009, 30(3):168-172.

[2]大連理工大學(xué)工程圖學(xué)教研室. 機(jī)械制圖(第6版) [M].北京: 高等教育出版社, 2007: 1-346.

[3]胡青泥, 高 菲, 等. 以學(xué)生全面發(fā)展為本的工程圖學(xué)教育改革[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 27(4):134-137.

[4]王 靜, 劉 琨, 等. Inventor 在工程圖學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用探索[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 30(1): 137-142.

[5]王 飛. 基于Inventor 的三維CAD軟件的二維表達(dá)問(wèn)題[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 27(5): 29-33.

[6]陳錦昌. 本科工程圖學(xué)課程教學(xué)基本要求的修改[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 25(3): 101-103.