“工程制圖”課程教學(xué)改革的探索
——以北京林業(yè)大學(xué)為例

(北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083)

隨著教學(xué)改革的不斷深入，各高校對(duì)傳統(tǒng)的制圖教學(xué)進(jìn)行了課時(shí)壓縮，然而有關(guān)工程制圖的新技術(shù)、新知識(shí)又不斷增多，使“工程制圖”課程教學(xué)課時(shí)少與教學(xué)內(nèi)容多的矛盾[1]凸顯。加之“工程制圖”課程教學(xué)采用傳統(tǒng)的重理論輕實(shí)踐的教學(xué)方式，在一定程度上影響了課程教學(xué)效果[2]。因而，在教學(xué)內(nèi)容增加、教學(xué)要求提高的情況下，少學(xué)時(shí)的“工程制圖”課程教學(xué)急需進(jìn)行改革。

一、“工程制圖”課程教學(xué)的目標(biāo)及特點(diǎn)

(一)“工程制圖”課程教學(xué)目標(biāo)

“工程制圖”是工科專業(yè)一門基礎(chǔ)課程，主要教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生具備繪制一般平面圖形的能力，能夠完成常見零件的造型與工程表達(dá)、可以進(jìn)行零部件的三維裝配與表達(dá)，能夠識(shí)讀常見的工程圖紙。根據(jù)各工科專業(yè)的不同特點(diǎn)，“工程制圖”課程分為多學(xué)時(shí)和少學(xué)時(shí)的教學(xué)類型。與機(jī)械相近的專業(yè)開設(shè)此課程學(xué)時(shí)多一些，其他專業(yè)開設(shè)此課程學(xué)時(shí)就少一些[3]。

(二)“工程制圖”課程教學(xué)特點(diǎn)

1.課程教學(xué)內(nèi)容多、任務(wù)重

“工程制圖”課程教學(xué)內(nèi)容涉及了平面圖形分析與繪圖、空間物體造型與投影、工程圖的常用表達(dá)方法、三維裝配方法與表達(dá)等。近年來隨著幾何約束、尺寸驅(qū)動(dòng)、同步設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)等工程制圖新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，使得課程教學(xué)呈現(xiàn)出內(nèi)容多、任務(wù)重的特點(diǎn)。

2.課程知識(shí)具有較強(qiáng)的實(shí)踐性

“工程制圖”課程需要學(xué)生徒手繪圖、用計(jì)算機(jī)進(jìn)行造型、用工程圖進(jìn)行表達(dá)，而這些課程知識(shí)都需要進(jìn)行大量的實(shí)踐訓(xùn)練才能掌握。尤其是三視圖、剖視圖課程知識(shí)，如果不通過一定量的讀圖練習(xí)與實(shí)際操作，學(xué)生就不能熟練地掌握讀圖、造型、生成剖視圖、軸側(cè)剖切圖的技能。在掌握這些知識(shí)的同時(shí)，學(xué)生還需要熟練掌握計(jì)算機(jī)文件的存貯、壓縮、傳輸與格式轉(zhuǎn)換，這一切也都需要大量的練習(xí)。因此“工程制圖”課程知識(shí)具有較強(qiáng)的實(shí)踐性。

3.課程知識(shí)難點(diǎn)多，易出錯(cuò)

“工程制圖”課程知識(shí)難點(diǎn)較多，學(xué)生不易掌握。例如，工程制圖中的表達(dá)方式是將三維形體用二維視圖組合的形式呈現(xiàn)的，每一個(gè)視圖都是物體在某個(gè)方向上壓縮后形成的圖形，直接閱讀這些由多個(gè)視圖組成的平面圖形難度較大，是學(xué)生學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)。同時(shí)，由于圖紙繪制要求較多，在尺寸標(biāo)注、粗糙度標(biāo)注等方面都是學(xué)生容易出錯(cuò)的地方。

4.課程教學(xué)學(xué)時(shí)較少

“工程制圖”課程教學(xué)一般分為理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩個(gè)部分，理論教學(xué)一般在教室中進(jìn)行，以教師的講授為主，實(shí)踐教學(xué)在計(jì)算機(jī)機(jī)房進(jìn)行，以學(xué)生的實(shí)際操作為主。用原來講授二維手工繪圖的學(xué)時(shí)來應(yīng)對(duì)三維設(shè)計(jì)為主的教學(xué)內(nèi)容，顯得學(xué)時(shí)少之又少，教學(xué)安排難度較大。

二、“工程制圖”課程教學(xué)的改革措施

(一)調(diào)整教學(xué)安排

1.協(xié)調(diào)理論課與實(shí)踐課的教學(xué)內(nèi)容

以北京林業(yè)大學(xué)為例，少學(xué)時(shí)“工程制圖”課程共有40學(xué)時(shí)，其中理論課為26課時(shí)，上機(jī)實(shí)踐課為14課時(shí)。為了應(yīng)對(duì)越來越豐富的教學(xué)內(nèi)容，課程教研組在教學(xué)安排上進(jìn)行了調(diào)整，使工程制圖知識(shí)與三維設(shè)計(jì)方法充分融合，達(dá)到提高教學(xué)效果的目的。新的教學(xué)安排見表1。

表1 北京林業(yè)大學(xué)“工程制圖”課程的教學(xué)安排

新的教學(xué)安排為每周6學(xué)時(shí)，課程在7周內(nèi)結(jié)束，每周都有一次上機(jī)練習(xí)的機(jī)會(huì)。由于教學(xué)時(shí)間較緊張，教師也可以利用上機(jī)實(shí)踐課講一些操作方法，舉一些與題目相似的例子，然后學(xué)生根據(jù)教師的講解，進(jìn)行操作練習(xí)，這種教學(xué)方式可以使學(xué)生更容易掌握實(shí)用的操作方法。

2.科學(xué)安排教學(xué)時(shí)間

“工程制圖”課程知識(shí)具有較強(qiáng)的實(shí)踐性，但由于教學(xué)學(xué)時(shí)少，以往的教學(xué)安排只是每周有2學(xué)時(shí)的理論課，隔周上機(jī)1次。因?yàn)橛行I(yè)開設(shè)的“工程制圖”課程是選修課，所以學(xué)生不夠重視，課后不按要求練習(xí)，如果隔一周上一次實(shí)踐課，學(xué)生就會(huì)忘記很多授課內(nèi)容，教學(xué)效果很差。

因?yàn)閷W(xué)校不允許在半學(xué)期內(nèi)上完40學(xué)時(shí)的課程，所以課程教研組經(jīng)過仔細(xì)研究，決定推遲開課時(shí)間，從一學(xué)期的第6周開始上課，課程約在第13周結(jié)束。因?yàn)檫@時(shí)學(xué)生已學(xué)完部分“計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程，初步具備了計(jì)算機(jī)的操作能力，學(xué)生再上機(jī)進(jìn)行實(shí)際操作，可以解決理論與實(shí)際脫節(jié)的問題。

3.根據(jù)實(shí)際條件調(diào)整教學(xué)要求

(1)利用標(biāo)準(zhǔn)件庫生成標(biāo)準(zhǔn)件

螺釘、螺母、墊圈等標(biāo)準(zhǔn)件是設(shè)備上最常用的零件，他們的結(jié)構(gòu)、尺寸、性能應(yīng)當(dāng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)規(guī)定，二維設(shè)計(jì)環(huán)境下不需要畫出這類零件的零件圖，但是在進(jìn)行三維設(shè)計(jì)時(shí)，學(xué)生必須在產(chǎn)品的三維圖樣上安裝好這類零件，做出零件的三維模型。如果學(xué)生利用手工一個(gè)一個(gè)做零件的三維模型就太麻煩了，也沒有必要。因此課程要求學(xué)生利用軟件的標(biāo)準(zhǔn)件庫生成這類零件?！肮こ讨茍D”課程教學(xué)使用的是福州大學(xué)開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)件庫程序，安裝程序只有13.2M，可以生成大多數(shù)大學(xué)階段常用的標(biāo)準(zhǔn)件，比較方便。

同時(shí)，在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，有時(shí)會(huì)需要電機(jī)、減速器等設(shè)備，所以教學(xué)中還可以向?qū)W生介紹一下網(wǎng)絡(luò)化的零件庫，只要有網(wǎng)絡(luò)，學(xué)生就可以生成常用標(biāo)準(zhǔn)件或零件的三維模型，并將其用到自己的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。

在實(shí)際教學(xué)中為了進(jìn)一步節(jié)省時(shí)間，課程教研組建立了螺母、螺柱、螺釘、螺栓等常用件的標(biāo)準(zhǔn)件庫，學(xué)生可以直接使用，如若尺寸不符合學(xué)生的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，只要在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行修改后，就可以使用，非常便捷。

(2)對(duì)彈簧、軸承、齒輪等常用件不做具體要求

彈簧、軸承、齒輪、花鍵也是設(shè)備上常用的零件或結(jié)構(gòu)，工程制圖上都有規(guī)范的表達(dá)方法，所以，對(duì)此不做進(jìn)一步的要求。

(二)優(yōu)化整合教學(xué)內(nèi)容

1.將二維繪圖內(nèi)容融入到三維設(shè)計(jì)的講解中

在傳統(tǒng)的“工程制圖”課程教學(xué)中，圖形標(biāo)準(zhǔn)與二維繪圖都是放在課程開始的部分進(jìn)行講授，這樣講授可以由淺入深，知識(shí)的系統(tǒng)性也比較強(qiáng)，有利于學(xué)生進(jìn)行單純的二維圖形的繪制。而在新的教學(xué)安排中，取消了這一部分的內(nèi)容介紹，而是將其融入到三維設(shè)計(jì)講解中。其中圖線知識(shí)可以在三維造型的草圖繪制時(shí)進(jìn)行介紹，比例在三維設(shè)計(jì)生成視圖時(shí)介紹，尺寸在三維設(shè)計(jì)草圖尺寸標(biāo)注時(shí)介紹。而有關(guān)圖塊、符號(hào)、圖層知識(shí)只作簡(jiǎn)單介紹即可，因?yàn)檫@部分知識(shí)也可以作為自學(xué)內(nèi)容。這樣的安排可以節(jié)省時(shí)間，減少不必要的重復(fù)講解。

2.將螺紋知識(shí)的講解放在零件圖介紹之前

螺紋是零件上常用的結(jié)構(gòu)，任課教師以往在講授螺紋知識(shí)時(shí)都是單獨(dú)進(jìn)行介紹，從螺旋線、螺旋體、螺紋結(jié)構(gòu)到螺紋概念、造型與表達(dá)方法等，這樣的講授表現(xiàn)為內(nèi)容多、亂，缺少系統(tǒng)性，學(xué)生不容易掌握。而新的教學(xué)安排將其作為一種特殊的結(jié)構(gòu)，放在零件圖前進(jìn)行講授，要求學(xué)生只要同一般的光孔一樣，會(huì)造型、能表達(dá)、可正確標(biāo)注就可以了。這樣的教學(xué)安排可以節(jié)省學(xué)時(shí)，提高教學(xué)效率。

3.簡(jiǎn)單講解零件圖內(nèi)容，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)技術(shù)要求

由于“工程制圖”課程學(xué)時(shí)少，所以非機(jī)械類專業(yè)對(duì)零件圖的講解要求較少，因此不用花大量時(shí)間去講授。有關(guān)視圖、剖視圖、斷面圖簡(jiǎn)化表達(dá)方法等都已在以前的章節(jié)中介紹過，所以對(duì)零件的表達(dá)方法與特點(diǎn)只做簡(jiǎn)單介紹即可。

而技術(shù)要求是零件圖的一項(xiàng)重要內(nèi)容，也是需要學(xué)生掌握的重點(diǎn)。技術(shù)要求包括尺寸公差、幾何公差、粗糙度。尺寸公差需要講明尺寸公差的概念以及標(biāo)注方法；幾何公差需要講明概念以及基準(zhǔn)與公差框格的標(biāo)注方法，對(duì)幾何公差的數(shù)值不作要求；粗糙度主要講標(biāo)注方法，一般使用算術(shù)平均偏差進(jìn)行標(biāo)注，在圖線上或圖線左側(cè)直接標(biāo)注，在圖線下面或右側(cè)需要引出標(biāo)注。

(三)改革教學(xué)方法

1.通過實(shí)體投影引入對(duì)特殊位置面與線投影的講解

一般的制圖教學(xué)都是以點(diǎn)、線、面、體、組合體為順序介紹立體投影，表面看是遵循了由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的規(guī)律?？蓪?shí)際上點(diǎn)、線、面都是十分抽象的空間圖形元素，這些圖形元素是不能單獨(dú)存在的，而是以實(shí)體形式存在的。因此在教學(xué)中將線、面教學(xué)放在基本立體造型、投影的后面介紹，這樣可以引導(dǎo)學(xué)生在三維環(huán)境下，通過對(duì)立體實(shí)物的觀察，探尋實(shí)際表面與圖線的位置與投影，這樣的講解更加直觀，學(xué)生對(duì)課程知識(shí)更加容易掌握。

2.以面編輯方式介紹特殊位置面與線的特點(diǎn)與投影

面編輯指的是面的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)及尺寸的改變。在三維環(huán)境下，使用面旋轉(zhuǎn)的方式可以直觀講解介紹投影面的垂直面投影的特點(diǎn)。例如，一個(gè)長(zhǎng)方體各表面都是投影面的平行面，左側(cè)面繞左側(cè)底邊旋轉(zhuǎn)就是正垂面、前側(cè)面繞前面底邊旋轉(zhuǎn)就是側(cè)垂面、右側(cè)面繞右側(cè)后面邊線旋轉(zhuǎn)就是鉛垂面。學(xué)生通過投影，觀察圖形的變化，可以進(jìn)一步總結(jié)出投影規(guī)律，這樣的講解可以給學(xué)生留下深刻的印象。又如，教師可以利用三維設(shè)計(jì)環(huán)境中的面渲染，來表現(xiàn)旋轉(zhuǎn)以后的模型表面，投影也可以采用渲染視圖的方式，這樣視圖中對(duì)應(yīng)表面的投影顯示的就是相同的顏色，學(xué)生學(xué)習(xí)就會(huì)更加直觀，教學(xué)效果就會(huì)更好。如果繼續(xù)將投影面的垂直面繞傾斜線旋轉(zhuǎn)就是一般位置面，以同樣的方法介紹一般位置面的投影特點(diǎn)，學(xué)生更容易掌握。

3.利用三維設(shè)計(jì)中的空間形狀與投影講解截交線與相貫線

截交線與相貫線在傳統(tǒng)的制圖教學(xué)中是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其教學(xué)目的是使學(xué)生掌握在二維繪圖條件下相貫線的作圖方法與求解的原理。而在三維環(huán)境下，相貫線的直觀性比在二維繪圖條件下更好。因此在三維環(huán)境下應(yīng)重點(diǎn)講授的是物體的造型，如讓學(xué)生思考如何選擇參考平面、如何把相關(guān)的物體做出來。在教學(xué)過程中，筆者采用了順序造型的方法來介紹平面與圓柱、圓錐、圓球相交時(shí)截交線的形狀，以及在平面位置或角度發(fā)生變化時(shí)截交線的形狀與趨勢(shì)的變化。同樣也可以利用這種方法介紹曲面立體相交時(shí)相貫線的形狀與變化規(guī)律，并利用投影圖觀察視圖上相貫線的形狀與變化規(guī)律。

實(shí)踐表明，同步設(shè)計(jì)造型方法在相貫線與截交線的教學(xué)中不如順序造型方法靈活，順序造型只要更改草圖的位置或大小就可以表現(xiàn)不同大小與位置的立體截交線與相貫線的情況。

4.采用視圖導(dǎo)入法進(jìn)行讀圖練習(xí)

讀圖也是制圖教學(xué)一個(gè)重要方面，在讀圖練習(xí)階段，畫草圖不是重點(diǎn)，重點(diǎn)應(yīng)放在看圖上。為了獲得讀圖的技能，學(xué)生要進(jìn)行大量讀圖訓(xùn)練，學(xué)習(xí)由物體投影后的2個(gè)視圖求出第3個(gè)視圖。為了增強(qiáng)教學(xué)效果，筆者在教學(xué)上采用了二維視圖導(dǎo)入三維設(shè)計(jì)環(huán)境的方法。這樣學(xué)生不用再去畫草圖，就可以直接利用視圖中的圖線選擇造型方法進(jìn)行造型，之后再進(jìn)行相應(yīng)的投影、剖視與斷面練習(xí)，可以節(jié)省大量的時(shí)間。

一般情況下視圖導(dǎo)入后不一定都能滿足造型設(shè)計(jì)的需要，有時(shí)需要把導(dǎo)入的視圖進(jìn)行必要的平移，也可以將視圖上的圖線利用投影工具投影到繪圖平面上作為草圖使用。

視圖導(dǎo)入法可以使學(xué)生把主要的注意力集中到讀圖、選擇造型工具與造型方法上，然后再利用工程圖環(huán)境的工具，生成斜視圖、斷面圖、剖視圖、軸側(cè)剖切圖等，教學(xué)效果很好。

(四)改革課程考核方式

考核是檢驗(yàn)教學(xué)效果的一個(gè)重要手段，由于對(duì)教學(xué)安排與教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)整，因此對(duì)考核的內(nèi)容也進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整。首先，考核方式采用機(jī)考的形式：第1、2題仍是選擇題與判斷題，這兩種題型主要考核學(xué)生對(duì)基本概念和基本操作方法的掌握程度，共設(shè)有10個(gè)題，20分。第3題進(jìn)行了改革，原來的第3題是根據(jù)給定的圖片分析并畫出一個(gè)二維平面圖形，而現(xiàn)在改為根據(jù)考題給出的已標(biāo)注尺寸的軸測(cè)圖，進(jìn)行造型、投影，生成三視圖與軸測(cè)圖，考核點(diǎn)由原來分析繪制二維圖形，改為分析三維圖形結(jié)構(gòu)，畫出不同的草圖、標(biāo)注尺寸、進(jìn)行造型，并選擇合適的方向進(jìn)行投影。該題的分?jǐn)?shù)由20改成了25分。第4題沒有變化，仍是根據(jù)給定的2個(gè)視圖求第3個(gè)視圖，分?jǐn)?shù)為20分。該題主要考核學(xué)生對(duì)視圖的閱讀能力以及造型投影能力。第5題也沒有變化，仍是根據(jù)給定的視圖進(jìn)行讀圖造型，生成考題要求的半剖、全剖和軸側(cè)剖切圖。由于該題要求的內(nèi)容比較多，分?jǐn)?shù)由原來的20分改成了25分。最后一題的題型由斜視圖、求角度、求面積類型的題目改成了標(biāo)注零件圖技術(shù)要求的題目，目的是促使學(xué)生對(duì)尺寸公差、幾何公差、粗糙度等方面的知識(shí)給予重視。該題分?jǐn)?shù)由原來的20分改為10分。

三、“工程制圖”課程教學(xué)改革的效果

(一)提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

教學(xué)方法的改革提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如，在讀圖練習(xí)中采用視圖導(dǎo)入三維環(huán)境造型與投影的方式，是幫助學(xué)生進(jìn)行讀圖練習(xí)的一種好方法，符合不同教學(xué)階段側(cè)重點(diǎn)不同的教學(xué)要求。在講解裝配知識(shí)時(shí)采用三維裝配、生成工程圖、軸側(cè)分解圖與拆裝動(dòng)畫的形式讓學(xué)生學(xué)習(xí)起來更有興趣，教學(xué)效果也更好。

(二)提升了課程教學(xué)效果

教學(xué)實(shí)踐表明，采用三維設(shè)計(jì)環(huán)境進(jìn)行制圖教學(xué)符合當(dāng)前的設(shè)計(jì)方法。平面圖形、圖線、比例與投影等概念融入到三維設(shè)計(jì)中的草圖繪制、視圖生成、圖紙?jiān)O(shè)置等環(huán)節(jié)可以節(jié)省時(shí)間，提高教學(xué)效果。

在2017-2018學(xué)年第一學(xué)期，筆者在自動(dòng)化專業(yè)開設(shè)的“工程制圖”課程教學(xué)中采用了新的教學(xué)方法與教學(xué)安排，通過對(duì)2016和2017級(jí)自動(dòng)化專業(yè)學(xué)習(xí)此課程的學(xué)生期末考核成績(jī)的統(tǒng)計(jì)，顯示2016級(jí)66人參加考試，平均分為67.84分，2017級(jí)65人參加考試，平均分為81.24分，教學(xué)效果顯著。