工程制圖課程教學(xué)改革研究與實踐

蔣敏　樂天明

[摘 要]針對工程制圖理論教學(xué)中學(xué)生空間想象力不強的問題，教師可將三維CAD設(shè)計軟件適時地引入到教學(xué)中，同時增加過程考核方式、加強實踐教學(xué)和師生互動等多維立體式先進制圖人才培養(yǎng)模式。教學(xué)實踐證明，此項教學(xué)改革有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果、創(chuàng)新能力和實踐技能，有利于培養(yǎng)高技能創(chuàng)新人才。

[關(guān)鍵詞]工程制圖 教學(xué)改革；實踐教學(xué)；互動

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）04-0060-03

工程制圖是理工類本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課，課程教學(xué)正面臨著學(xué)時日益減少而內(nèi)容沒有減少的矛盾，學(xué)生普遍反映該課程學(xué)習(xí)難度大，做作業(yè)耗時且想象不出形體空間結(jié)構(gòu)。如何根據(jù)制圖課程的特點，有效地結(jié)合三維CAD軟件來提高教學(xué)質(zhì)量；如何在有限的學(xué)時內(nèi)充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，使其有效地掌握本課程的內(nèi)容并提高對應(yīng)用能力的培養(yǎng)，一直是現(xiàn)代工程制圖教學(xué)亟待解決的問題。

自去年我國加入《華盛頓協(xié)議》后，工程教育面臨新的挑戰(zhàn)，學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力需要進一步提升。我校作為一所應(yīng)用型本科院校，以培養(yǎng)一線應(yīng)用型人才為目標，原有的工程圖學(xué)教學(xué)模式已不能滿足“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”、“工程教育專業(yè)認證質(zhì)量標準”的實施[1]，也不能滿足專業(yè)人才培養(yǎng)需求，探索適合新形勢下人才培養(yǎng)的圖學(xué)教學(xué)新模式迫在眉睫。

一、三維CAD軟件引入實時制圖課程

傳統(tǒng)的教學(xué)模式中教師板書工作量較大，費時費力又不生動。多媒體CAI課件教學(xué)以其圖文并茂的畫面、直觀的動態(tài)模擬和形象逼真的動畫，使得一些抽象難懂的教學(xué)內(nèi)容變得生動形象而具體。但是我們所采用的課堂教學(xué)CAI課件都是課前已設(shè)計好的，當(dāng)學(xué)生在聽課過程中有不同的反映時，課件不能針對學(xué)生個體做出相應(yīng)的改變。

許多三維CAD設(shè)計軟件如SolidWorks、UG、Pro/E等為工程圖學(xué)的教學(xué)提供了一個很好的平臺[2][3]。在本課程中，教師將三維CAD設(shè)計軟件與已有的CAI課件有機地結(jié)合起來，在課堂上直接進行三維立體建模[4]，這種教學(xué)過程緊湊、生動、有趣，更形象地增強學(xué)生的空間概念，啟發(fā)了學(xué)生的積極思維，使其加深了理解，同時也激發(fā)了學(xué)生的興趣，改進了教學(xué)效果；還可使學(xué)生對三維設(shè)計軟件有直觀的體驗和了解，熟悉操作界面，為后續(xù)的課程學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。

我們將AutoCAD直接融入制圖教學(xué)中，教學(xué)過程中先由教師講授軟件AutoCAD 的基本命令和操作方法，再讓學(xué)生通過繪制圖形掌握軟件使用方法。其中二維繪圖部分的課時分配達到CAD課時的2/3，三維建模達到1/3，并結(jié)合課內(nèi)的習(xí)題及自編的上機手冊讓學(xué)生進行練習(xí)。實踐證明，不管是二維平面繪圖還是三維建模，在經(jīng)過一到兩次的上機指導(dǎo)與訓(xùn)練后，學(xué)生都能熟練掌握。特別是三維建模，在完成一到兩個造型練習(xí)之后，絕大多數(shù)的學(xué)生都具備了獨立完成三維實體造型的能力，很有成就感并且興趣濃厚。

譬如截交線和相貫線是制圖教學(xué)中的難點，教師利用UG的參數(shù)化功能，通過對兩回轉(zhuǎn)體直徑參數(shù)或者軸線相對位置的變化，實時、動態(tài)地從任意角度觀察對相貫線的影響，參見圖一。這一系列的教學(xué)過程教師在課堂中只需要幾分鐘即可完成，而且這些改變可以根據(jù)學(xué)生的課堂反映和要求隨時進行，其靈活性和效果都是提前做成的CAI課件所無法比擬的。如果利用三維繪圖軟件正確地畫出立體，截交線和相貫線將自動產(chǎn)生，通過立體形成的直觀展示，使學(xué)生意識到截交線和相貫線的形狀是由物體的形狀、大小和相對位置決定的，所以在標注尺寸時不應(yīng)對截交線、相貫線直接標尺寸，而應(yīng)對形成它的立體及其相對位置標注尺寸。

在零件圖中選擇四種典型零件，以UG為平臺從每一個零件開始，逐一在課前建好各零件的三維模型，并生成其二維工程圖，課堂上詳細分析零件的結(jié)構(gòu)特點及表達方法。

在裝配圖中，只要給出零部件之間的裝配約束關(guān)系，用UG完成三維裝配過程方便簡單，教師在課前完成裝配，課堂中對裝配過程進行播放，實時觀察分析各個零件間的裝配定位關(guān)系，還可在裝配環(huán)境下直接打開裝配模型樹中的每一個零件的模型，分析它們的結(jié)構(gòu)，結(jié)合裝配圖進行讀圖和繪圖方面的進一步分析講解。

在整個制圖課程中，教師利用三維CAD設(shè)計軟件建模幾乎貫穿教學(xué)的全過程，見圖二。

教學(xué)內(nèi)容加入三維建模并不能改變工程制圖課程的性質(zhì)和內(nèi)容。在畫法幾何部分，要重視基本投影知識的學(xué)習(xí)和空間思維訓(xùn)練；在工程制圖部分，要求學(xué)生掌握三維造型工具，但三維造型工具并不能完全取代二維的繪圖方法，在引入三維建模后，制圖課程教學(xué)內(nèi)容仍然以二維為主，三維建模只是幫助學(xué)生理解形體的構(gòu)成。

二、過程考核

隨著教育改革的深入，工程圖學(xué)課程的考核方式也有了一定的改進[5]，學(xué)校先行試點對課程實行過程化考核，即降低期末考試的占比，對學(xué)生在整個學(xué)習(xí)過程中的表現(xiàn)進行評估。具體實施過程化考核的時間、地點、內(nèi)容由任課教師決定，教師必須在每學(xué)期的開學(xué)前提交本課程的過程考核大綱、任務(wù)書、具體實施方案等，學(xué)期結(jié)束后上交過程考核的總結(jié)以及學(xué)生過程考核的題目試卷，同時在學(xué)院內(nèi)部進行匯報交流，分析和總結(jié)過程化考核中的經(jīng)驗和不足，為今后的工作奠定良好的基礎(chǔ)。圖三為機械制圖課程過程考核成績分布的比重圖。

本課程在每一章節(jié)結(jié)束后，利用課內(nèi)20分鐘左右的時間進行過程考核，基本是2～3題的題目量，有繪圖也有選擇題，題目來源于平時習(xí)題中出現(xiàn)比較多的一些問題及本章的典型結(jié)構(gòu)，目的是讓學(xué)生有一個自我認識，學(xué)完本章節(jié)以后自己究竟掌握了多少知識，熟練程度如何。同時對于考核成績比較弱的學(xué)生逐一進行輔導(dǎo)訂正，直到其掌握為止。到期末時通過比較發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生的平時過程考核成績不高，但是最后的期末考試成績都高于他們的過程考核成績。這就說明通過每一次每一章節(jié)的過程考核，學(xué)生對其越來越重視，并且通過訂正及時掌握了原本還未掌握的知識點。我們隨意抽取了4個不同院系的自然班級進行調(diào)查，具體數(shù)據(jù)參見圖四（a）。同時還對同一班級學(xué)生的過程考核與期末考試分數(shù)的分布狀態(tài)作了比較，其數(shù)據(jù)見圖四（b），處于不及格和60～69分之間的學(xué)生數(shù)減少，而80或90分以上的學(xué)生數(shù)增加，意味著不及格率降低了而優(yōu)秀率得到了提高，因此過程考核已經(jīng)由點到面全面鋪開。

三、實踐教學(xué)——制圖測繪（根據(jù)不同專業(yè)2～3周）

以前的實踐教學(xué)內(nèi)容為進行球閥或者齒輪油泵的測繪，徒手繪制草圖，然后根據(jù)所測繪的草圖，利用AutoCAD繪圖軟件完成二維零部件工作圖和裝配圖的繪制，實質(zhì)相當(dāng)于一次關(guān)于零件圖、裝配圖內(nèi)容的綜合性大作業(yè)。

教改后的教學(xué)內(nèi)容增加了零部件三維建模與虛擬裝配，具體測繪步驟如下：

（一）準備階段

把班級學(xué)生分成若干個5～6人的小組，仔細閱讀測繪指導(dǎo)書，分析被測對象的作用、工作原理、傳動方式、結(jié)構(gòu)及裝配連接關(guān)系等，要求通過團隊合作的方式共同討論、分工協(xié)作。

（二）測繪階段

在拆卸部件并對部件的各個零件進行測繪前，先測量一些重要的裝配尺寸，如零件之間相對位置尺寸、運動零件的極限尺寸等，分析被測對象的拆裝順序，畫出其裝配示意圖后小組成員每人至少拆裝一次，通過拆裝弄清機器或部件的裝配關(guān)系和工作原理；分析各零件的作用和結(jié)構(gòu)形狀，選用適當(dāng)?shù)谋磉_方法，徒手畫出各非標零件的草圖視圖；通過測量、計算、查表，標注各零件的尺寸，確定各零件的表面粗糙度、幾何公差等技術(shù)要求；根據(jù)零件草圖和裝配示意圖繪制裝配圖草圖，包括尺寸、序號和明細表等。

（三）三維建模

小組成員在機房將所有測繪零件分工進行三維實體建模，然后小組成員共享零件模型并各自進行三維實體虛擬裝配，生成表達裝配關(guān)系的軸測爆炸圖；還可由三維實體模型直接生成二維工程圖，使學(xué)生形象地理解零件的形狀，清晰地了解零部件之間的裝配關(guān)系。

（四） 結(jié)束階段

在測繪的最后環(huán)節(jié)組織學(xué)生進行答辯，答辯內(nèi)容為測繪過程中涉及的問題，可以是表達方法、尺寸標注、裝配等內(nèi)容，也可以是計算機二維繪圖或者三維建模中的問題，還可以對一些設(shè)計問題做深入探討。

測繪真正鞏固了學(xué)生工程圖學(xué)課程的全部知識，使學(xué)生在實踐教學(xué)中了解機器結(jié)構(gòu)和作用，根據(jù)零件的使用和加工要求，正確地表達零部件；學(xué)會按工作原理和裝配關(guān)系合理地標注零部件的尺寸和制訂技術(shù)要求，使學(xué)生在空間形象思維方面實現(xiàn)了從抽象的幾何形體向?qū)嶋H的機械零件轉(zhuǎn)變[6][7]。

四、教學(xué)互動模式

在教學(xué)中占據(jù)主導(dǎo)和引導(dǎo)作用的教師，必須創(chuàng)造一定的互動方式，及時跟學(xué)生溝通。在課堂教學(xué)中，要適當(dāng)加入互動、討論等新的教學(xué)模式，增強學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，使其配合教師完成相關(guān)的討論、思考環(huán)節(jié)；在課后的師生交流中，可以采用多種形式，如輔導(dǎo)答疑、自習(xí)輔導(dǎo)、交流座談、網(wǎng)上交流等，有助于教學(xué)相長。

就工程制圖的教學(xué)內(nèi)容而言，學(xué)生往往在學(xué)習(xí)點、線、面等相關(guān)內(nèi)容時覺得簡單，學(xué)習(xí)熱情比較高，而在學(xué)習(xí)截交線、相貫線、組合體時突然覺得很難，難以想象出形體的空間結(jié)構(gòu)，參與意識比較差，這時通過多種互動教學(xué)模式加以引導(dǎo)和鼓勵，譬如采用木模、橡皮泥或三維設(shè)計軟件進行形體構(gòu)建，調(diào)動學(xué)生的參與意識，能夠有效地解決課程中出現(xiàn)的難點和重點問題。

對非機械類專業(yè)的學(xué)生講解制圖理論時要與各專業(yè)的需求相結(jié)合，進行有針對性的教學(xué)，不僅要講授一些經(jīng)典的實例，還應(yīng)該注意強化專業(yè)意識教育。比如在講授機件的表達方法時，對于電氣類專業(yè)可結(jié)合電氣元器件引導(dǎo)學(xué)生分析其表達方法、繪制相應(yīng)的電氣電路圖，對于化工及香精香料專業(yè)可以結(jié)合典型化工設(shè)備（塔器、換熱器、反應(yīng)釜等）繪制相應(yīng)的化工設(shè)備圖及化工工藝流程圖，對于土木工程及城建專業(yè)可以結(jié)合房屋施工圖繪制建筑施工圖及結(jié)構(gòu)施工圖。這樣不僅可以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也可以促進學(xué)生對制圖知識的消化、吸收和應(yīng)用。教學(xué)實踐表明，在教學(xué)過程中引入一些與學(xué)生所學(xué)專業(yè)課程相關(guān)的實例，可以加強對學(xué)生工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)，使其認識工程制圖課程的重要性，從而引起他們對本課程的重視。

學(xué)校與國內(nèi)外的一些知名企業(yè)建立了校企聯(lián)合實驗室，如與西門子公司同時開設(shè)了各種三維設(shè)計軟件的公選課（SolidWorks）和專業(yè)選修課（UG），使學(xué)生在大學(xué)四年中學(xué)習(xí)三維設(shè)計軟件不斷線，還為學(xué)生搭建了社團創(chuàng)新設(shè)計的平臺，聘請制圖課程主講教師作為相關(guān)學(xué)生社團的指導(dǎo)教師，從而使學(xué)生在課程結(jié)束后仍能與教師保持密切的互動聯(lián)系。

五、結(jié)束語

自2012年我校開始推進工程制圖課程與三維CAD設(shè)計軟件相結(jié)合的教學(xué)改革以來，學(xué)生在學(xué)習(xí)制圖課程的同時，還很好地掌握了一些三維設(shè)計軟件，再加上后續(xù)開設(shè)的專業(yè)選修課，有越來越多的學(xué)生通過了各類相關(guān)認證考試，并在大二大三時積極參加各種競賽，在每年“高教杯”全國大學(xué)生先進成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模創(chuàng)新大賽中取得了優(yōu)異成績；我校學(xué)生今年還在“上圖杯”的比賽中突破了個人和團隊一等獎。實踐證明，以創(chuàng)新教育理念為指導(dǎo)，構(gòu)建工程圖學(xué)創(chuàng)新教育新環(huán)境，才能培養(yǎng)出高技能創(chuàng)新人才。

[ 參 考 文 獻 ]

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[3] 張淑艷，雷光明，成彬，張青.三維CAD輔助工程制圖教學(xué)的方法[J].圖學(xué)學(xué)報，2014，35（3）：46-468.

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[6] 劉梅英，任奕林，王巧華等.工程圖學(xué)系列課程實踐教學(xué)探討[J].機械制造與自動化，2013，42（1）：82-84.

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[責(zé)任編輯：劉鳳華]