基于3D的制圖課程教學改革

【摘 要】本文論述了制圖課程的基本現狀及存在的問題，以及為了盡快適應和積極推動3D技術的發(fā)展，提出的“基于3D的制圖課程教學改革”的方向和具體舉措，分別從重新定位制圖課程的培養(yǎng)目標、調整教學內容及學時分配并構建新的內容體系、基于3D的教學方法和教學手段的選擇與設計、加強、完善制圖實踐環(huán)節(jié)的三維指導等4個方面入手，將3D技術引入制圖課程，融入課程內容中。利用三維軟件的功能促進學生三維形狀和二維圖形之間直覺思維的形成，降低學習難度，增強學生對本課程的學習興趣，從而提高教學質量。

【關鍵詞】3D技術 制圖課程 教學改革

【中圖分類號】TH126 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810（2014）26-0006-02

各種產品的設計和制造都需要借助圖形才能完成。長期以來，工程界大多采用二維平面圖形進行交流，而大專院校工程專業(yè)的制圖課程是專門研究用正投影的方法繪制閱讀工程圖樣的學科，因此制圖課程教學重點主要放在平面投影、二維工程圖樣的表達和閱讀以及制圖技能上，教學內容更多的是研究如何用二維圖形表達三維形體，以及如何根據二維圖形想象出三維形體。

隨著計算機技術的飛速發(fā)展，三維設計軟件的應用改變了機電產品設計方法，這就要求傳統(tǒng)的制圖課程教學基于三維設計進行改革，教學重點應由制圖方法轉向工程設計的系統(tǒng)思想和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。進行構型設計是培養(yǎng)空間想象力的最佳途徑，也是訓練設計思維方法和開發(fā)、提高創(chuàng)新能力的重要模式。針對工程應用的變革，并結合學生學習過程中存在的畏難情緒，將3D技術融入教學中，以三維實體設計為主線，三維實體表達方法和二維工程圖表達方法并重，構建一種以培養(yǎng)創(chuàng)新能力為目標的內容體系和教學模式。

一 制圖課程的基本現狀及存在問題

1.基本現狀

設計者最初的設計構想始于三維實體，設計制造的結果也是三維實體，而在“開始”和“結果”之間傳遞信息的是二維圖形。制圖課程的教學就是不斷在“立體模型→二維圖表達”以及“二維圖閱讀→三維立體”兩個過程間反復循環(huán)（見圖1）。伴隨CAD技術的誕生，計算機繪制二維圖有效提高了設計繪圖的效率和質量，對于CAD的更高層次的應

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用，作了必要的技術準備。

圖1 3D技術出現之前產品設計與制造的過程

隨著三維CAD/CAM/CAE技術的普及和廣泛應用，設計者的思維方式和工作方式、工程信息傳遞方式都得以改變（見圖2）。設計者可將頭腦中的三維設計構想，直接表達成為計算機中的三維模型，并實現三維實物加工制造，輕松繞過二維圖樣的繪制，既簡化了設計過程、縮短產品的設計周期，又有效降低制造成本、提高設計質量。面對這一變革，工程制圖課程體系、內容、方法、手段也急需全面改革，以適應社會對人才的需求。

圖2 3D技術出現之后產品設計與制造的過程

2.主要存在的問題

第一，制圖課程的教學內容及體系與3D技術的發(fā)展存在脫節(jié)現象。有些內容通過三維演示一目了然，并且可以直接由三維實體生成二維工程圖，而目前這些內容依然要占用相應課時進行詳細講解，導致學生練習的時間少，難以將所學理論知識轉化成技能，更難以掌握先進的設計方法；雖然3D技術將成為每個工科學生必須掌握和具備的工具和技能，

* 河北科技師范學院教學研究課題（編號：JYYB201201）

但目前尚未將其納入到課程內容和體系中。

第二，教學方法和手段較陳舊。雖然引入了二維繪圖軟件及多種教學方法和手段，但在教學過程中僅依靠實物模型和多媒體課件，很難形象地表現空間立體的結構、零部件裝配及拆卸的動態(tài)過程，直觀性差。致使學生在學習過程中存在著很強的畏難情緒，不利于激發(fā)學習興趣。

第三，實踐環(huán)節(jié)比較薄弱。雖然設置了為期一周的制圖測繪實踐環(huán)節(jié)，但在測繪時，不能人手一份，學生須分組進行，這樣很難充分調動和發(fā)揮每個學生的積極性和主動性，使測繪達不到應有的效果，直接影響和制約了教學質量和學生動手能力的進一步提高。

二 制圖課程改革的方向及舉措

1.重新定位制圖課程的培養(yǎng)目標

制圖課程應培養(yǎng)學生的空間思維能力、圖形表達能力（包括計算機繪制圖形的能力）、圖形閱讀能力。這樣既保留本課程原有的精華，即繪圖和讀圖的能力，又能適應現代科技發(fā)展對設計人員提出的三維設計構思能力、建模能力等更高要求。同時在教學思想上，注入新的教學觀念，將過去的知識型教學轉變?yōu)榕囵B(yǎng)創(chuàng)新意識與創(chuàng)新思維的啟發(fā)式教學。

3D軟件造型的方法，能幫助學生直接觀察到三維實體和二維圖樣之間一一對應的關系，使其更容易準確把握投影規(guī)律，使“三維→二維”、“二維→三維”的思維過程直觀化。利用軟件創(chuàng)建三維模型，動態(tài)演示造型過程，將抽象的空間思維模式具體化，易于學生接受。制圖課程教學應從單純重視二維圖繪制和閱讀的思維中解放出來，著眼于由三維到二維的投影規(guī)律、性質的講解，突出3D技術中三維造型方法的傳授，注重開發(fā)和培養(yǎng)學生的產品創(chuàng)新意識、設計意識、工程意識，以適應人才培養(yǎng)的需求。

綜上所述，基于3D的制圖課程的培養(yǎng)目標，應實現對學生空間思維能力、工程圖形表達能力、形體構形能力、創(chuàng)新能力、工程意識及能力的培養(yǎng)。

2.調整教學內容及學時分配，構建新的內容體系

減少畫法幾何的內容，將點、線、面的投影融于立體中講授；將計算機繪圖技能與制圖基本理論、方法有機融合，遵循從三維實體到二維平面圖形的認知規(guī)律；加入構形設計和建模設計，從而更易于掌握從三維到二維的轉換，以適應現代工作模式；制圖與設計緊密結合，通過三維設計軟件的講解及其應用，引入三維造型設計思想，通過建模訓練，提高學生的空間思維能力；借助三維軟件，將抽象的空間思維過程直觀化、具體化，從而消除學生學習的畏難情緒，激發(fā)學習興趣，提高教學質量。

3.基于3D的教學方法和教學手段的選擇與設計

教學內容體系的改變，必定輔之以相適應的教學方法和教學手段，基于3D的制圖課程，需要針對教學內容精心設計和選擇恰當的教學方法與手段，將三維軟件與多媒體課件有機的結合，以便達到預期的教學效果。

第一，三維軟件的選擇。SolidWorks是一款基于Windows的3D軟件，易學易用，應用廣泛；含有標準零件圖庫；兼容AutoCAD，可以在二維和三維之間進行轉換，將2D繪圖與3D造型技術融為一體；系統(tǒng)完全開放，可進行二次開發(fā)，便于為后續(xù)的有限元、運動學和動力學分析、數控編程以及產品數據管理等提供信息；便于與其他3D軟件之間進行模型轉換。

第二，三維軟件的應用。將三維軟件的應用融入到具體內容的講解過程中，既能有效地增強直觀性，降低學習難度，又能使學生在學習制圖基礎知識的同時，領略到三維軟件的功能，了解機械設計新方法、新手段，初步掌握三維造型技能，促進學生三維形狀和二維圖形之間直覺思維的形成。

4.加強、完善制圖實踐環(huán)節(jié)的三維指導

制圖測繪是制圖課程必經的實踐環(huán)節(jié)，編制測繪指導書使學生通過預習了解測繪項目、內容、方法、步驟等，提前進入狀態(tài)，以提高測繪的效率和質量，降低教師的勞動強度。如圖3、圖4分別為球閥裝配體和相關零件的三維模型，直觀明了，并且使學生對測繪對象有一個全面直觀的了解，從而有效提高學習興趣。

圖3 球閥裝配體三維模型 圖4 球閥零件三維模型

三 結束語

基于3D的制圖課程教學改革，將三維設計軟件引入到教學內容中，使學生了解機械設計的新方法、新手段，初步掌握三維設計的基礎知識。在制圖課中掌握計算機繪圖和三維造型技能，促進課程教學水平全面提高。計算機構圖技能的掌握，使學生可以根據視圖或自己的想象構造形體，并時時驗證思維的正確性，在促使學生自主學習同時，也促進學生三維形狀和二維圖形之間直覺思維的形成，這樣，既增加了學生對本課程的學習興趣和求知欲，又培養(yǎng)了構形設計以及創(chuàng)新能力。

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〔責任編輯：林勁〕