基于全國成圖大賽的“工程圖學(xué)”課程教學(xué)改革探索

［摘 要］ 隨著三維成圖技術(shù)的日趨成熟，工程產(chǎn)品的設(shè)計(jì)回歸設(shè)計(jì)思維的本源，沖擊著現(xiàn)行“工程圖學(xué)”課程教學(xué)體系。全國大學(xué)生成圖大賽融合了現(xiàn)階段我國制造業(yè)界、工程界對工程圖樣的最新要求，重點(diǎn)考查大學(xué)生三維成圖技術(shù)和圖樣信息化處理技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用能力。通過調(diào)整教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和考核評價(jià)方法等，構(gòu)建新的“工程圖學(xué)”課程教學(xué)體系，將三維成圖技術(shù)和圖樣信息化處理技術(shù)完全融入其中。實(shí)踐證明，“徒手繪圖+尺規(guī)成圖+計(jì)算機(jī)成圖”的新模式符合教與學(xué)的規(guī)律。

［關(guān)鍵詞］ 工程圖學(xué)；教學(xué)改革；創(chuàng)新能力；三維設(shè)計(jì)；教學(xué)模式

［作者簡介］ 袁望姣（1969—），女，湖南雙峰人，碩士，中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院副教授，主要從事計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與先進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)方法研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）25-0063-04［收稿日期］ 2022-09-06

在制造業(yè)領(lǐng)域推行數(shù)字化、智能化，提升工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造能力與品質(zhì)，推進(jìn)信息化與工業(yè)化的深度融合，是我國實(shí)現(xiàn)從制造業(yè)大國向制造業(yè)強(qiáng)國轉(zhuǎn)變必須占據(jù)的制高點(diǎn)之一［1］。先進(jìn)的工程產(chǎn)品成圖技術(shù)，是在工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和其他先進(jìn)設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)工程產(chǎn)品工作原理、空間幾何關(guān)系、本質(zhì)安全性能等的模擬研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)制造的精準(zhǔn)度和安全性。利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與先進(jìn)設(shè)計(jì)方法處理工程產(chǎn)品圖樣、優(yōu)化工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)，改變了傳統(tǒng)的工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式［2］，體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)與制造技術(shù)的有機(jī)融合。

一、大賽要求與我?！肮こ虉D學(xué)”課程教學(xué)問題

“全國大學(xué)生先進(jìn)成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模創(chuàng)新大賽”是由原教育部高等學(xué)校工程圖學(xué)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)等單位聯(lián)合主辦的全國性大型學(xué)科競賽活動(dòng)［3］。大賽以激勵(lì)在校大學(xué)生學(xué)習(xí)先進(jìn)的成圖技術(shù)和圖樣信息化處理技術(shù)、探索工程圖學(xué)的發(fā)展方向?yàn)樽谥?，助力?yīng)用型創(chuàng)新人才的成長。大賽內(nèi)容的創(chuàng)新性、成圖技術(shù)的先進(jìn)性、與社會(huì)需求的融合性、大學(xué)生參與的廣泛性，推動(dòng)著我國高校工程圖學(xué)的教學(xué)改革。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年度有550多所高校、14萬多名大學(xué)生參加了比賽［4］。

工程圖樣作為工程界的技術(shù)語言，起源于18世紀(jì)末法國人加斯帕爾·蒙日創(chuàng)立的畫法幾何［5］，我國學(xué)者趙學(xué)田將其基本原理概括為“長對正，高平齊，寬相等”［6］。畫法幾何把工程產(chǎn)品復(fù)雜的三維關(guān)系用簡單的二維圖樣精準(zhǔn)地表達(dá)出來，方便了相關(guān)人員的識圖、制圖和交流。

現(xiàn)階段，我?！肮こ虉D學(xué)”課程教學(xué)基本的組織模式是“工程圖學(xué)基礎(chǔ)+專業(yè)特需”，依專業(yè)的不同要求，教學(xué)內(nèi)容各有側(cè)重。工程圖學(xué)基礎(chǔ)包括基礎(chǔ)理論、尺規(guī)成圖和計(jì)算機(jī)二維成圖等；專業(yè)特需則是根據(jù)各專業(yè)的特點(diǎn)，引進(jìn)各具專業(yè)特色的計(jì)算機(jī)成圖軟件和圖樣信息化處理軟件，進(jìn)行專業(yè)性較強(qiáng)的深層次工程圖學(xué)教育，以實(shí)現(xiàn)工程產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)等。如機(jī)械工程、地質(zhì)工程、采礦工程等專業(yè)因追求工程產(chǎn)品系統(tǒng)內(nèi)部各組成單元間的空間關(guān)系，廣泛采用SoildWorks、Pro/E、Surpac、3DMine等軟件工具構(gòu)建三維可視化工程產(chǎn)品圖形，從而完成相應(yīng)的課程設(shè)計(jì)或畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)。

受課程學(xué)時(shí)和專業(yè)總學(xué)時(shí)的限制，“工程制圖”作為我校工科各專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，現(xiàn)階段仍以二維成圖為主組織教學(xué)。機(jī)械工程、采礦工程等少數(shù)專業(yè)在計(jì)算機(jī)三維成圖和工程圖樣信息化處理技術(shù)方面設(shè)置了包括課程設(shè)計(jì)、創(chuàng)新實(shí)踐等實(shí)踐性教育環(huán)節(jié)，以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力。

我校目前開設(shè)的“工程圖學(xué)”課程存在以下問題。一是開課時(shí)序與成圖大賽不相匹配。每年大賽賽程一般是學(xué)校選拔賽在4月中旬，省級預(yù)選賽在5月底，全國比賽在7月中下旬。以目前我校機(jī)械類專業(yè)“工程圖學(xué)”課程（80學(xué)時(shí)）為例，在第一、二學(xué)期完成“工程圖學(xué)基礎(chǔ)”（含計(jì)算機(jī)二維成圖）的課程教學(xué)任務(wù)后，到第四學(xué)期開設(shè)“機(jī)械產(chǎn)品測繪與三維設(shè)計(jì)”和“工程圖學(xué)綜合設(shè)計(jì)與創(chuàng)新實(shí)踐”等后續(xù)課程，影響了學(xué)生參加上半年舉行的比賽。二是實(shí)驗(yàn)條件不能滿足三維成圖技術(shù)和圖樣信息化處理技術(shù)教學(xué)的需要?，F(xiàn)有工程圖學(xué)實(shí)驗(yàn)室的硬件（計(jì)算機(jī)配置、3D打印等）、軟件（AutoCAD、SolidWorks、Pro/E和其他三維成圖軟件）還不具備面向各工科專業(yè)學(xué)生教授計(jì)算機(jī)三維成圖內(nèi)容的條件。

二、與大賽相適應(yīng)的課程教學(xué)體系改革設(shè)想

工程產(chǎn)品是以三維形態(tài)存在的，三維設(shè)計(jì)也符合人的設(shè)計(jì)思維邏輯。隨著計(jì)算機(jī)三維成圖技術(shù)和工程圖樣信息化處理技術(shù)的發(fā)展和成熟，三維圖樣對工程產(chǎn)品特性表述的準(zhǔn)確性、圖樣識別的容易性和交流的方便性得到有效改進(jìn)，使得三維工程產(chǎn)品圖樣的應(yīng)用越來越廣泛。以現(xiàn)有的“工程圖學(xué)”課程教學(xué)體系為依托，將三維成圖技術(shù)與圖樣信息化處理技術(shù)作為通識內(nèi)容納入“工程圖學(xué)”課程教學(xué)范疇主要有三種形式。

第一，外掛式引入。保持現(xiàn)行的“工程圖學(xué)”課程教學(xué)體系不變，在現(xiàn)有的學(xué)時(shí)之外，以必修課程的形式增開三維成圖技術(shù)與圖樣信息化處理技術(shù)方面的課程，并將之列入課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的訓(xùn)練內(nèi)容?，F(xiàn)階段中南大學(xué)機(jī)械類專業(yè)與采礦工程專業(yè)對三維成圖與圖樣信息化處理技術(shù)等知識的引入，就是采用“工程圖學(xué)基礎(chǔ)+專業(yè)特需”的模式。這種模式的好處是能夠充分體現(xiàn)專業(yè)的需求，但基礎(chǔ)部分和專業(yè)特需部分存在脫節(jié)現(xiàn)象。

第二，模塊化引入。將“工程圖學(xué)”的課程教學(xué)內(nèi)容劃為畫法幾何、機(jī)械制圖、計(jì)算機(jī)成圖3大模塊。在總學(xué)時(shí)保持不變的情況下，在前兩個(gè)模塊中刪除畫法幾何方面的內(nèi)容，對平面立體、曲面立體及截交、相貫等部分內(nèi)容也進(jìn)行了較大的刪減，將點(diǎn)、線、面及簡單幾何體的投影規(guī)律和投影特性調(diào)整到形體投影中加以簡介，盡量壓縮學(xué)時(shí)以組織計(jì)算機(jī)成圖模塊教學(xué)。這種模式的優(yōu)點(diǎn)是各模塊保持其內(nèi)容的系統(tǒng)性，便于學(xué)生學(xué)習(xí)與理解。

第三，融入式引入。在計(jì)劃學(xué)時(shí)沒有較大增量的前提下，依照現(xiàn)行的“工程圖學(xué)”課程教學(xué)體系，以傳統(tǒng)的畫法幾何、機(jī)械制圖為主線，將計(jì)算機(jī)二維、三維成圖方面的內(nèi)容按章節(jié)完全融入畫法幾何、機(jī)械制圖等相應(yīng)的內(nèi)容之中，形成“徒手畫圖+尺規(guī)成圖+計(jì)算機(jī)成圖”的新模式。這種模式的優(yōu)點(diǎn)是方便學(xué)生循序?qū)W習(xí)，保證各知識點(diǎn)內(nèi)容的完整性，便于學(xué)生理解和掌握，符合教學(xué)規(guī)律。

三、融入式“工程圖學(xué)”課程教學(xué)體系的構(gòu)建

基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的工程產(chǎn)品三維數(shù)字化成圖技術(shù)，使得工程產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思維、加工方法發(fā)生了顛覆性變革。將計(jì)算機(jī)三維成圖與圖樣信息化處理技術(shù)完全融入現(xiàn)有“工程圖學(xué)”課程教學(xué)體系，并對原有教學(xué)內(nèi)容、實(shí)踐訓(xùn)練和服務(wù)于教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)條件進(jìn)行改造，構(gòu)建新的“工程圖學(xué)”課程教學(xué)體系，才能滿足制造業(yè)發(fā)展對人才的要求。

（一）課程教學(xué)體系的構(gòu)建

構(gòu)建新的融入式“工程圖學(xué)”課程教學(xué)體系，具體可從以下幾個(gè)方面實(shí)施改革。

1.教學(xué)目標(biāo)的調(diào)整。新的“工程圖學(xué)”課程教學(xué)體系旨在培養(yǎng)學(xué)生的識圖及圖樣表達(dá)、空間想象、工程實(shí)踐、創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面的能力。教學(xué)時(shí)應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生的工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)思維由二維回歸到三維。

2.教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整。著重將以尺規(guī)成圖為主的訓(xùn)練模式變?yōu)橥绞掷L圖、尺規(guī)成圖和計(jì)算機(jī)成圖相結(jié)合的模式。依托AutoCAD、SolidWorks、Pro/E、3DMax等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，將工程產(chǎn)品的三維表述融入相應(yīng)的工程圖學(xué)基礎(chǔ)課程體系中，加強(qiáng)徒手繪圖、計(jì)算機(jī)三維成圖知識的傳授與訓(xùn)練。徒手繪圖能夠方便、快捷地記錄設(shè)計(jì)靈感，表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，時(shí)效性強(qiáng)，應(yīng)用方便。工程產(chǎn)品的數(shù)字化三維模型有利于學(xué)生進(jìn)一步進(jìn)行工程產(chǎn)品的原理模擬和設(shè)計(jì)優(yōu)化。零部件測繪時(shí)，先徒手繪裝配示意圖、二維圖形，再通過計(jì)算機(jī)三維成圖技術(shù)生成裝配模型，完成拆裝動(dòng)畫和工作原理演示的仿真設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新或優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后根據(jù)需要轉(zhuǎn)化為二維工程圖。

3.教學(xué)方法的調(diào)整。建立課內(nèi)、課外學(xué)習(xí)相結(jié)合的教學(xué)模式，并將課外學(xué)習(xí)情況納入平時(shí)成績的考核范圍，推動(dòng)建立方便學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)課程體系。對于國家標(biāo)準(zhǔn)如《技術(shù)制圖》和《機(jī)械制圖》中的有關(guān)規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)件與常用件、AutoCAD、SolidWorks等軟件的操作和命令等內(nèi)容，可利用在線課堂或微課等網(wǎng)絡(luò)媒介，引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)。

4.課程考核體系調(diào)整。在新的“工程圖學(xué)”課程教學(xué)體系中，對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的考核兼顧線上和線下，對徒手成圖、尺規(guī)成圖、計(jì)算機(jī)二維和三維成圖等進(jìn)行全方位考查，從基本知識、基本技能、綜合能力和創(chuàng)新能力等方面對學(xué)生做出公平、公正的評價(jià)。

5.實(shí)驗(yàn)室條件改善。將計(jì)算機(jī)三維成圖技術(shù)融入工程圖學(xué)教育，引發(fā)了“工程圖學(xué)”課程教學(xué)體系的變革和設(shè)計(jì)產(chǎn)品思維的調(diào)整。但目前的課程教學(xué)條件，如實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)、三維數(shù)字模型的輸出與3D打印機(jī)、SolidWorks和Pro/E以及3DMax等三維圖形成圖軟件，都有待于建設(shè)。

（二）改革試點(diǎn)

選取了機(jī)械類2021級2個(gè)班與冶金材料類2021級2個(gè)班進(jìn)行將計(jì)算機(jī)三維成圖融入課程的教學(xué)改革，力求將現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)手段貫穿教學(xué)全過程，以培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力、繪圖能力、計(jì)算機(jī)三維造型設(shè)計(jì)能力和二維工程圖的讀圖和表達(dá)能力。在實(shí)踐環(huán)節(jié)，學(xué)生經(jīng)歷了尺規(guī)繪圖、徒手繪圖、SolidWorks三維成圖生成二維工程圖的全過程訓(xùn)練。因教學(xué)內(nèi)容和培養(yǎng)目標(biāo)的改變，則必須精心組織教學(xué)過程，改進(jìn)教學(xué)方法和手段。

教師準(zhǔn)備了充足的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資料，制作了包括教學(xué)課件、微課視頻、典型例題、模型庫、作業(yè)庫等在內(nèi)的線上線下資源供學(xué)生隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)。在學(xué)校可視化信息平臺(tái)上傳了教學(xué)課件，建立了作業(yè)庫，開啟了在線隨堂測試，以了解和掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和學(xué)習(xí)效果，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)并培養(yǎng)其綜合運(yùn)用所學(xué)知識解決問題的能力。

在課程講授時(shí)，適時(shí)應(yīng)用SolidWorks建立三維模型，還用動(dòng)畫演示彌補(bǔ)了以前的不足，使得教學(xué)更直觀、生動(dòng)?；赟olidWorks的計(jì)算機(jī)三維成圖技術(shù)的“工程圖學(xué)”課程教學(xué)體系，如表1所示。

（三）實(shí)踐案例

進(jìn)行相貫線相關(guān)教學(xué)時(shí)，傳統(tǒng)的教學(xué)方式是進(jìn)行PPT演示，學(xué)生處于被動(dòng)接受狀態(tài)，學(xué)習(xí)效果欠佳。而采用計(jì)算機(jī)三維建模技術(shù)，可以讓學(xué)生主動(dòng)介入，直觀顯示內(nèi)、外形體，并利用SolidWorks的剖切功能在窗口實(shí)時(shí)查看。通過修改尺寸，還可觀察圓柱直徑發(fā)生變化時(shí)相貫線形狀的變化。

進(jìn)行裝配體相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)時(shí)，可應(yīng)用SolidWorks的機(jī)械配合，完成齒輪嚙合的工作原理演示；還可利用單擊軟件屏幕左下角的運(yùn)動(dòng)算例按鈕進(jìn)入運(yùn)動(dòng)模塊，添加馬達(dá)，制作齒輪油泵運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)畫。利用壓縮或更改透明度，可隨時(shí)觀察裝配體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。利用爆炸分解功能，可實(shí)現(xiàn)齒輪油泵拆裝在課堂上進(jìn)行動(dòng)畫演示。

結(jié)語

基于三維圖樣的工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)符合人的認(rèn)知過程，是工程產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。將計(jì)算機(jī)三維成圖技術(shù)和諧融入現(xiàn)行的“工程圖學(xué)”課程教學(xué)體系，不僅導(dǎo)致授課內(nèi)容、授課方式和考核方式等方面的變革，更促使了工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)思維的回歸。因此，以成圖大賽為推手，順應(yīng)快速發(fā)展的先進(jìn)制造業(yè)需求，構(gòu)建徒手成圖、尺規(guī)成圖和計(jì)算機(jī)成圖三者緊密結(jié)合的新工程圖學(xué)課程體系，可全面提升大學(xué)生的識圖與圖樣表達(dá)能力、計(jì)算機(jī)成圖能力、創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，培養(yǎng)出滿足當(dāng)代社會(huì)信息化與工業(yè)化融合發(fā)展需要的創(chuàng)新人才。

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Abstract： The maturity of 3D computer graphics technology makes the design of engineering product return to the origin of design thinking， which impacts the current teaching system of Engineering Graphics. National Undergraduate Graphics Technology Competition integrates the latest requirements of the manufacturing industry and the engineering community for engineering graphics at present， focusing on the innovative application ability of college students in three-dimensional mapping technology and drawing information processing technology. A new teaching system of engineering graphics is constructed， which fully integrates the 3D drawing technology and graphics information processing technology， by adjusting ， teaching objectives， curriculum content， teaching methodology and assessment method etc. Practice has proved that the new mode of “freehand drawing + rule drawing + computer drawing” is conducive to students sequential learning and conforms to the law of teaching and learning.

Key words： engineering graphics; teaching reform; innovation ability; 3D design; teaching mode