基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的近機械類專業(yè)工程制圖課程教學(xué)改革
——以三維構(gòu)形設(shè)計在基本體和組合體的應(yīng)用為例

曹潔潔，吳 健，趙志平

（常熟理工學(xué)院 機械工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

在教育部新工科建設(shè)政策指導(dǎo)下，高等學(xué)校工科類專業(yè)應(yīng)以培養(yǎng)具有高素質(zhì)和多元化的應(yīng)用型人才為目標(biāo)，更新教學(xué)方法、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，以提升學(xué)生的實踐能力[1]．工程制圖是機械及近機械類（電氣工程、化工等）專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程之一[2]．課程利用投影原理、制圖國家標(biāo)準(zhǔn)對工程對象進(jìn)行畫圖與讀圖實踐，其主要目的是訓(xùn)練學(xué)生以創(chuàng)造性思維為基礎(chǔ)的空間想象和邏輯思維能力，培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用必備的認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的工作作風(fēng)，為學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程、構(gòu)建專業(yè)課程體系奠定堅實的基礎(chǔ)．

隨著計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design，CAD）技術(shù)的發(fā)展，三維設(shè)計軟件已成為現(xiàn)代設(shè)計的重要工具之一[3]．國內(nèi)許多高校就如何將其融入現(xiàn)代教學(xué)實踐進(jìn)行了有益的探索[4-7]，主要思路是利用三維構(gòu)形思想，將傳統(tǒng)的形體分析轉(zhuǎn)化為基于草圖和特征的形體構(gòu)建．機械專業(yè)工程制圖課程96學(xué)時，結(jié)合教授三維軟件應(yīng)用，能夠有效培養(yǎng)學(xué)生工程圖學(xué)能力和素質(zhì)．但對于近機械類專業(yè)的教學(xué)而言，由于課時少、學(xué)時跨度大、學(xué)生重視程度不高等問題，傳統(tǒng)教學(xué)方法限制了學(xué)生空間想象能力和空間思維能力的有效提升．

基本體和組合體章節(jié)是工程制圖課程的重中之重，在課程中起到承上啟下的作用．本文在對近機械專業(yè)工程制圖課程教授初期存在的難點進(jìn)行剖析的基礎(chǔ)上，提出了基于三維構(gòu)形設(shè)計的教學(xué)思想，讓學(xué)生直接從三維構(gòu)形中去探尋二維平面圖形的畫圖讀圖規(guī)律，從而加強空間想象能力和邏輯思維能力的培養(yǎng)；同時利用基于SolidWorks開發(fā)的教學(xué)程序組織相關(guān)教學(xué)活動，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性并鍛煉動手能力；最后通過教學(xué)效果的比對，驗證了該方法的可行性．

1 教學(xué)困境

傳統(tǒng)的工程制圖教學(xué)方法是利用模型、實物等形象化教學(xué)工具，通過教師的語言組織教學(xué)．近年來雖然引入了教學(xué)方法更靈活的多媒體技術(shù)[8]，但其基本思路仍然以點、線、面的投影理論為基礎(chǔ)，分析視圖中具有投影關(guān)聯(lián)的線段與線框或線框與線框之間的關(guān)系，再進(jìn)行判斷、歸納、組合和想象成立體．

常熟理工學(xué)院近機械專業(yè)工程制圖課程16周內(nèi)總課時為36或48，投影知識和組合體的合計學(xué)時只有14或18．在有限的教學(xué)時間內(nèi)，學(xué)生既需要掌握點、線、面、體的投影規(guī)律，還需掌握利用形體分析方法來完成組合體畫圖和讀圖．由于課時緊張，課堂練習(xí)時間較少，靈活運用理論知識難度大，對近機械類學(xué)生的空間想象能力和邏輯思維能力提出了挑戰(zhàn)．經(jīng)過多年的教學(xué)實踐，總結(jié)出近機械類專業(yè)工程制圖教學(xué)過程中面臨的兩大難點．

1.1 空間想象力較差

（1）坐標(biāo)系不熟悉．工程專業(yè)學(xué)生比較熟悉平面笛卡爾坐標(biāo)系，而工程制圖是將立體置于空間笛卡爾坐標(biāo)系中，從平面到空間的變化使得學(xué)習(xí)的難度劇增．學(xué)生對三維坐標(biāo)系不熟悉，導(dǎo)致容易混淆一些基本概念，如：視角、投影面等．

（2）方位關(guān)系不明確．工程制圖要處理立體在三維空間以及二維平面中前后、左右和上下的對應(yīng)關(guān)系．當(dāng)三維坐標(biāo)展開為二維平面后，三視圖的相對位置發(fā)生了改變．學(xué)生對方位關(guān)系不明確，畫圖和讀圖過程中難以對應(yīng)方位和坐標(biāo)之間的關(guān)系．

1.2 缺乏必要的邏輯思維能力

（1）組合體構(gòu)成不確定．在進(jìn)行組合體的畫圖和讀圖時，可以首先將其分解為若干個簡單的基本體，并按照一定的投影關(guān)系繪制在指定投影面上．拆分的復(fù)雜程度決定了繪制過程的難易程度．學(xué)生如果不能合理地拆分組合體，就勢必會增加后續(xù)繪制的難度．

（2）組合體構(gòu)成邏輯關(guān)系模糊．組合體構(gòu)成的邏輯關(guān)系體現(xiàn)在不同基本體的方位關(guān)系和連接方式上．如不能準(zhǔn)確描述構(gòu)成邏輯，將影響過渡區(qū)細(xì)節(jié)的表達(dá)，如：過渡區(qū)有線、無線，實線、虛線，連接面相交、相切等．

近機械專業(yè)教學(xué)過程中需處理好上述四個問題，使學(xué)生在短時間內(nèi)掌握制圖的一般規(guī)律，而不必花費大量的學(xué)時學(xué)各種繪制方法和技巧．基于三維技術(shù)中的構(gòu)形設(shè)計思維為快速培養(yǎng)學(xué)生的空間想象和邏輯思維能力提供了契機，可有效建立三維形狀與二維圖形的對應(yīng)關(guān)系，從而分析歸納出立體投影的共性特征．

2 三維構(gòu)形設(shè)計

2.1 基本體的三維構(gòu)形方法

現(xiàn)代構(gòu)成主義認(rèn)為一切物體均由圓柱、球和立方體等基本元素按照不同設(shè)計目的及準(zhǔn)則組合而成[9]．學(xué)生從特定角度觀察基本體三維立體形狀，分析生成特征的構(gòu)建方法，可獲得對應(yīng)的二維平面圖形，從而建立三維形狀和二維圖形的關(guān)系．圖1以圓柱和四棱柱為例展示旋轉(zhuǎn)和拉伸特征構(gòu)形思維．

圖1 基于特征方法生成的三維模型

三維構(gòu)形方法非常靈活，可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維．圖1（a）為不同草繪平面，通過旋轉(zhuǎn)或拉伸可生成相同立體；圖1（b）是相同草繪平面通過旋轉(zhuǎn)或拉伸可生成不同立體．表1列出了基于特征方法生成的典型基本體．在教學(xué)過程中，讓學(xué)生參照或提出其他構(gòu)形方法，探討不同視角下的投影規(guī)律，加深對特征方法的理解，提升空間思維想象力．

表1 利用構(gòu)形方法創(chuàng)建實體過程

2.2 組合體的三維構(gòu)形方法

形體分析法是組合體畫圖和讀圖的傳統(tǒng)方法，假想將組合體分解為若干個基本體，分析各部分的形狀、位置關(guān)系以及各形體連接面之間的關(guān)系，以便于畫圖、讀圖和標(biāo)注尺寸．對于復(fù)雜的疊加型或切割型組合體，形體分析法難以適用．而三維構(gòu)形方法是在二維草圖基礎(chǔ)上，利用拉伸、旋轉(zhuǎn)、切除等特征方法構(gòu)建三維形狀，思維過程更多關(guān)注于特征方法而非基本形狀．圖2為利用形體分析法和三維構(gòu)形法生成過程的對比．

圖2 形體分析法和三維構(gòu)形法分析過程

圖2（a）為形體分析法，底座立方體利用4個基本體挖切形成圓角和孔，側(cè)立體經(jīng)過兩次挖切形成所需圓頂面和孔．整個過程經(jīng)歷了1次疊加、6次切割．圖2（b）為三維構(gòu)形法，底座立方體通過將水平草繪平面1次拉伸而成，側(cè)立方體則是通過側(cè)立草繪平面1次拉伸而成．經(jīng)對比，三維構(gòu)形法將需要挖切的特征集中在草繪平面上，最大限度減小了基本體的布爾運算．

三維構(gòu)形方法在教學(xué)過程中，不僅簡化了教師的教學(xué)活動，同樣也增加了學(xué)生對組合體的理解，將組合體想象成草繪平面和三維立體之間的相互關(guān)系，對學(xué)生三維空間想象能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有啟發(fā)性．

3 教學(xué)實踐方法

在實際教學(xué)過程中，如何讓學(xué)生更加專注于三維設(shè)計思想的分析過程，是實現(xiàn)基于三維構(gòu)形設(shè)計方法教學(xué)的關(guān)鍵[10]．基于三維構(gòu)形方法的分析，采用課堂直觀教學(xué)和課后形體分析法相結(jié)合的教學(xué)方法．在課堂直觀教學(xué)中，利用VB開發(fā)了基于SolidWork的一系列插件，通過點擊對應(yīng)的按鈕或者拖動模型，實現(xiàn)對三維模型的各種視角的觀察，從而了解三維立體和二維草圖之間的對應(yīng)關(guān)系．課后形體分析法則利用SolidWorks 3D PDF 功能，將三維模型保存為可實時拖動的PDF，學(xué)生無須下載專業(yè)三維軟件，可直接通過電腦觀察立體，從而對三維空間立體有更加直觀的體會．

3.1 基本體實踐教學(xué)

基本體的畫圖和讀圖是工程制圖課程中建立三維與二維之間相互轉(zhuǎn)換關(guān)系的首要環(huán)節(jié)，也是鍛煉學(xué)生空間想象能力和邏輯推理能力的關(guān)鍵．通過分析簡單的幾何形體，學(xué)生能夠理解形體在空間中的表現(xiàn)狀態(tài)，從而直觀地了解三維與二維之間的映射關(guān)系．常見的基本體主要包括棱柱、棱錐、棱臺、圓柱、圓錐、圓臺和圓環(huán)等．利用VB開發(fā)的基于SolidWorks插件界面如圖3所示．在課堂直觀教學(xué)中，通過點擊插件中對應(yīng)的立體，讓學(xué)生觀察對比不同視角下的三維立體特征及投影形狀，快速建立三維形狀和二維圖形之間的相互關(guān)系．課后將插件中的典型基本體模型輸出保存為3D PDF格式．學(xué)生通過手機APP打開3D PDF，點擊PDF工具欄中的命令即可根據(jù)自身需要，調(diào)整立體視角（圖4），以便于課后進(jìn)行更加深入的形體分析．因此，結(jié)合課堂直觀教學(xué)和課后形體分析法，學(xué)生能夠在最短時間內(nèi)建立二維和三維之間的聯(lián)系，從而快速培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力．

圖3 基于SolidWorks基本體插件

圖4 基本體3D PDF界面

3.2 組合體實踐教學(xué)

基本體是組合體畫圖和讀圖的前提，同時也是后續(xù)學(xué)習(xí)零件圖和裝配圖的基礎(chǔ)．傳統(tǒng)教學(xué)方法側(cè)重于掌握不同基本體的連接方式以及立體的點線面在投影平面內(nèi)的投影規(guī)律．本文提出的教學(xué)方法則是在課堂直觀教學(xué)過程中，打開對應(yīng)的模型文件，按照順序依次向?qū)W生展示若干個基本體的不同特征，從多個視角觀察各個特征的連接關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生組合體構(gòu)成的邏輯思維，基于SolidWorks組合體插件如圖5所示．課后同樣基于三維構(gòu)形方法生成對應(yīng)的3D PDF，如圖6所示．學(xué)生可以自主觀察形體樣式以及不同特征的顯示，進(jìn)一步強化構(gòu)成組合體的基本體之間的聯(lián)系．通過課堂直觀教學(xué)和課后形體分析法，學(xué)生能夠快速理解基于三維構(gòu)形的形體分析方法，更容易掌握組合體的構(gòu)形思維，進(jìn)而培養(yǎng)邏輯思維能力．

圖5 基于SolidWorks組合體插件

圖6 組合體3D PDF界面

4 教學(xué)效果

基于三維構(gòu)形的教學(xué)方法改革，降低了學(xué)生對抽象化知識點理解的難度，創(chuàng)建了交互學(xué)習(xí)模式，教師授課方式和學(xué)生學(xué)習(xí)方式都得到了改善．基于SolidWorks開發(fā)的插件可以使教師在實際教學(xué)過程中根據(jù)需要變換和調(diào)整模型視角，最大限度將基本體和組合體的投影規(guī)律進(jìn)行全面展示．學(xué)生在課中和課后可以在手機3D PDF軟件中動手操作，實時調(diào)整立體模型視角進(jìn)行觀察和分析．學(xué)生親自參與三維構(gòu)形的實踐，尋找三維構(gòu)形思維的規(guī)律，可以在短時間內(nèi)將理論知識吸收、消化并轉(zhuǎn)化為能力．基于三維構(gòu)形的教學(xué)方法，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力．

2018年，我們初步嘗試教學(xué)改革對電氣工程及其自動化專業(yè)學(xué)生（二年級下學(xué)期）講授機械制圖課程中的投影知識、立體投影和組合體3個部分內(nèi)容．圖7為3個部分授課時間對比圖．其中2017年為傳統(tǒng)授課（78人），2018年開始嘗試采用3D交互授課（65人），2019年針對授課內(nèi)容開發(fā)對應(yīng)插件（72人），2020年形成相對完整的教學(xué)資料（76人）．表2為針對3個部分內(nèi)容的測驗成績，主要考查學(xué)生對于組合體畫圖和讀圖的能力，測驗總分為100分，其中讀圖10題共40分，畫圖5題共60分．

圖7 對應(yīng)課程課時變化

表2 2017—2020年單元測試成績分布

從課時變化上看，正投影基本知識的授課時間減少了，分別減少到 11課時（2018），10課時（2019），9課時（2020）．投影基本知識和組合體部分，相較于2017年節(jié)省教學(xué)時間35%．從教學(xué)效果來看，采用新模式教學(xué)后，70分以上比例人數(shù)明顯增加，從62%（2017年）上升至76%（2020年），上升比例為22.5%．

教學(xué)改革對于近機械類學(xué)生三維空間想象能力的提升和構(gòu)形思維能力的培養(yǎng)有顯著作用，同時為強化學(xué)生的實踐動手能力、激發(fā)創(chuàng)造性思維提供了有益的幫助．學(xué)生能全方位融入課程，更高效地利用學(xué)習(xí)時間．

5 總結(jié)

工程制圖作為理工科學(xué)生必修的一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，它的重要性和必要性不言而喻，尤其是基本體和組合體部分，學(xué)生需要運用投影法和國家制圖標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行三維立體與二維圖形之間轉(zhuǎn)換的畫圖和讀圖訓(xùn)練，無疑是課程的重難點．本文針對近機械類專業(yè)課程特點進(jìn)行了剖析，提出了基于三維構(gòu)形設(shè)計為核心的工程制圖課程教學(xué)改革，并以基本體和組合體為例，將三維特征構(gòu)形設(shè)計思想應(yīng)用于畫圖和讀圖實踐中，利用基于SolidWorks開發(fā)的教學(xué)程序開展交互式教學(xué)活動，有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性．通過4年的改革實踐，就投影基本知識和組合體章節(jié)而言節(jié)省了35%的教學(xué)時間，學(xué)生測驗成績70分以上比例提升了22.5%，成果顯著．此外，這種方式能使學(xué)生快速掌握理論知識，提升創(chuàng)新能力和工程實踐能力，從而培養(yǎng)更加高素質(zhì)、多元化且符合時代發(fā)展需求的應(yīng)用型人才．