融合三維CAD技術(shù)的“工程制圖”課程教學改革探討

袁恩先

(揚州大學 化學化工學院，江蘇 揚州 225002)

“工程制圖”是高等院校工科類專業(yè)學生的一門必修課，其主要任務(wù)是培養(yǎng)學生空間想象和邏輯思維能力，同時在培養(yǎng)學生形象思維、科學研究以及創(chuàng)新能力等綜合素質(zhì)的過程中也起著重要作用，并為后續(xù)的相關(guān)學習和工作奠定基礎(chǔ)。如今，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，尤其是計算機其廣泛應(yīng)用和其運算能力的飛速提升，工程制圖與計算機技術(shù)的融合愈發(fā)深入，因而對本課程提出了更高要求，傳統(tǒng)的教學內(nèi)容和模式受到挑戰(zhàn)，課程改革勢在必行[1]。隨著計算機繪圖技術(shù)的普及，傳統(tǒng)手工制圖的模式已經(jīng)逐步被計算機輔助設(shè)計(CAD)所取代，尤其是三維CAD技術(shù)因其強大的建模造型功能，已經(jīng)廣泛用于機械設(shè)計，是作為未來設(shè)計人員的大學生必須掌握的技能，同時運用好三維CAD技術(shù)可以提高教師教授“工程制圖”課程的效率。

1 CAD教學的現(xiàn)狀

隨著社會的發(fā)展，市場需求發(fā)生了深層次的變革，工程設(shè)計領(lǐng)域?qū)I(yè)人才的知識儲備和能力結(jié)構(gòu)的要求也在不斷提高。以工程制圖課程為例，目前課程中CAD教學存在的主要問題：(1)課時的縮減導致學生的CAD軟件練習量過低，從而阻礙了CAD技術(shù)操作能力的提升；(2)圖形電子化技術(shù)的發(fā)展使得三維CAD 技術(shù)已經(jīng)成熟，而目前課程中教授的CAD內(nèi)容主要是二維視圖的繪制，無法滿足立體三維空間表達的要求；(3)部分高校的 CAD 教授內(nèi)容較為滯后，導致學生所學的操作技能和方法較為陳舊。這些問題直接影響學生在后續(xù)學習中的專業(yè)能力，關(guān)系到學生在從事工程設(shè)計領(lǐng)域工作時競爭能力的高低。

2 “工程制圖”課程存在的主要問題和應(yīng)對措施

作者通過總結(jié)以往“工程制圖”課程教學過程中的經(jīng)驗和教訓，歸納了該課程面臨的三個主要問題，并提出了相應(yīng)的解決措施。

2.1 教學內(nèi)容有待更新

目前，高等院校中“工程制圖”課程的學時已由以往的96學時壓縮為現(xiàn)在的48學時，其中32學時用于制圖理論知識的學習，16學時用于制圖實踐。當今機械制造技術(shù)的發(fā)展，使得制圖新理論不斷出現(xiàn)，這雖然使“工程制圖”課程的內(nèi)容得到了豐富，但也使教師面臨如何讓學生在較短時間內(nèi)掌握最全面知識的難題。傳統(tǒng)“工程制圖”課程的教學大綱強調(diào)畫法幾何、制圖標準以及二維CAD繪圖，卻很少涉及與制圖相關(guān)的實際應(yīng)用。這不但導致學生因知識點難度大而學習積極性不高，且易造成紙上談兵的現(xiàn)象，學生難以將學得的理論知識正確地應(yīng)用于實踐[2]。

課程教學改革中，要對課程內(nèi)容進行更新。首先，針對性地選擇教學內(nèi)容全面、實用性強的新型教材，需包括工程制圖、設(shè)備設(shè)計、CAD軟件應(yīng)用三方面。其次，圖板制圖和二維CAD制圖并無本質(zhì)區(qū)別，而三維CAD建模的出現(xiàn)則使機械設(shè)計領(lǐng)域發(fā)生了革命性的變化，其眾多優(yōu)勢使得未來CAD教學必然以三維為主、二維為輔，因此“工程制圖”課程中必將引入三維CAD建模內(nèi)容，并適量增加制圖實踐學時，同時壓縮講解點、線、面投影等畫法幾何內(nèi)容的學時。畫法幾何部分的精簡，并不意味其重要性的降低，而是因為通過三維CAD建模內(nèi)容的學習能夠有利于學生更好、更快地掌握二維元素的投影性質(zhì)。最后，教學過程中還要注重設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理化以及尺寸標注的可測性和可加工性。

2.2 教學模式需優(yōu)化

傳統(tǒng)的教學方式，以教材為依據(jù)，以教師為主導，讓學生耳濡目染逐漸接受知識，教學效率低，且因“工程制圖”課程的特性導致傳統(tǒng)教學方式的缺點被放大。制圖理論知識較為抽象，晦澀難懂，只通過語言描述很難讓學生完全理解，一旦講述時間過長，必然會導致學生學習積極性降低；同時，在教授機件立體的表達形式時，因教學條件限制，不能提供教學內(nèi)容所涉及的所有機件模型，部分學生空間思維能力有限，對知識點的理解較為困難，教學效果并不理想[3]。

優(yōu)化傳統(tǒng)課堂教學過程，發(fā)揮學生的主動性。采用翻轉(zhuǎn)課堂模式，針對知識的難點和重點，精心設(shè)計一個實際問題，讓學生自由討論、思考，在尋求答案的過程中掌握知識并培養(yǎng)空間思維能力。另一方面，在制圖理論知識學習的過程中，交叉教授CAD三維建模知識，讓學生制作課程中講解的三維結(jié)構(gòu)模型，既鍛煉學生CAD制圖技能，又能夠直觀生動地呈現(xiàn)教學內(nèi)容中涉及的立體結(jié)構(gòu)，有利于學生對重點和難點的理解與掌握。這種新型教學模式因其較強的表現(xiàn)力，能夠有效地調(diào)動學生的感官系統(tǒng)參與學習，增強其學習的自主性，從而有助于提高其知識獲取的完善性，并同時提高教師的教學效率。

2.3 理論與實踐聯(lián)系需加強

與國外高等教育注重緊密聯(lián)系生產(chǎn)實際的情況相反，目前國內(nèi)“工程制圖”課程內(nèi)容中缺少實踐應(yīng)用教學環(huán)節(jié)，導致學生無法將所學理論知識應(yīng)用于解決實際問題，實踐能力得不到鍛煉，從而也無法檢測學生對知識掌握的真實程度[4]。課程學時少，無法實現(xiàn)組織學生進行實地現(xiàn)場考察、分析機械設(shè)備結(jié)構(gòu)以及設(shè)計原理、最終完成設(shè)備結(jié)構(gòu)圖繪制的全過程。

將三維CAD技術(shù)融入“工程制圖”教學中能夠有效地解決上述問題。教師可根據(jù)教學內(nèi)容采用CAD軟件繪制三維設(shè)備模型，向?qū)W生直觀地展現(xiàn)復雜構(gòu)件中各零件之間的裝配關(guān)系；同時，能夠讓學生感受三維立體與二維平面圖形之間的轉(zhuǎn)換過程，有助于學生思維想象能力和空間分析能力的提升。

綜上可以發(fā)現(xiàn)，將三維CAD技術(shù)融入“工程制圖”課程中，是課程教學改革的必然方向。同時，二維圖形信息已經(jīng)遠不能滿足現(xiàn)代工程設(shè)計和機械制造的需求，為了縮短周期，三維設(shè)計已成為必然。因此，當今的工程制圖應(yīng)該是面向三維設(shè)計，將制圖與設(shè)計融合。這豐富了“工程制圖”課程教學內(nèi)容，但同時也給傳統(tǒng)教學模式帶來了挑戰(zhàn)[5]。在基于三維CAD技術(shù)的“工程制圖”課程教學過程中，需要加強學生立體結(jié)構(gòu)表達能力和建模能力的培養(yǎng)，使其形成系統(tǒng)的工程意識和創(chuàng)新思維。

3 融合三維CAD技術(shù)的制圖課程教學改革策略

3.1 三維CAD軟件的教授

AutoCAD是一款專業(yè)繪圖軟件，具有強大的二維圖形繪制和三維建模功能，可以作為三維CAD建模教學工具。鑒于部分學生的計算機操作與應(yīng)用能力不足，在教授AutoCAD軟件的過程中，首先，整體把握教學目標，由淺入深安排教學內(nèi)容，從二維圖形繪制教授開始，隨后到三維建模，重點講解二維、三維制圖的典型命令和操作，讓學生盡快熟練掌握軟件繪圖的基本操作；其次，通過案例教學，基于任務(wù)驅(qū)動的理念，進行系統(tǒng)性教學，爭取將大多數(shù)知識點融會貫通，形成一個整體，同時兼顧教學案例的漸進性，讓學生可以在反復循環(huán)練習中掌握較為系統(tǒng)的知識體系；最后，充分尊重學生的主觀能動性，爭取在整個教學過程中，做到以教師為主導、學生為主體，教師只扮演引領(lǐng)、歸納和查缺補漏的角色，而讓學生去探索和嘗試軟件功能的使用。

三維建模是CAD軟件教授的重點以及難點。為了使學生掌握應(yīng)用CAD軟件三維建模的技能，在教學過程中，要詳細講解軟件的使用特點，演示三維建模過程中的軟件操作技巧，并先以較為簡單的棱柱、圓柱、球體等基本體為例進行三維建模，隨后逐漸過渡到較復雜的組合體三維建模。

3.2 三維CAD建模與工程制圖內(nèi)容的統(tǒng)一

CAD三維建模是“工程制圖”課程教學的輔助手段，因此CAD三維建模的教授內(nèi)容應(yīng)與“工程制圖”課程的目的保持一致。傳統(tǒng)“工程制圖”課程中畫法幾何部分的教授是一個從點、線、面到體的過程。而基于三維CAD技術(shù)，要建立以“體”為中心的教學體系，由三維模型出發(fā)分析及點、線、面，使學生在學習之初，就形成空間立體思維。通過對三維模型進行編輯，動態(tài)多角度地觀測立體結(jié)構(gòu)和投影、截交線和相貫線、剖視圖和斷面圖的形成。三維模型與二維視圖之間的轉(zhuǎn)變，有助于學生對組合體畫圖和讀圖的理解。此外，培養(yǎng)學生三維讀圖能力也是教授三維CAD建模的重點。通過將立體的三維模型進行旋轉(zhuǎn)，學生可以直觀地感受到相應(yīng)投影視圖的生成過程。

3.3 三維工程圖樣繪制能力的培養(yǎng)

將三維CAD建模用于工程設(shè)計領(lǐng)域，相比傳統(tǒng)的二維工程圖樣，三維工程圖樣更為直觀、易懂，有利于后續(xù)的實際操作。但在三維工程圖樣繪制過程中，需要注意一些工程圖樣標準的問題，例如科學使用工程圖樣的單位、選用合適的圖幅以及縮放比例、規(guī)范標注等。同時，學生在使用三維 CAD技術(shù)繪制工程圖樣時，也可結(jié)合傳統(tǒng)二維視圖的表達方法，例如局部視圖、剖視圖等，來描述設(shè)備的某些特定結(jié)構(gòu)。這樣能夠同時加深學生對這些視圖表達方法的理解。

教師可以采用三維CAD對某典型機械設(shè)備進行設(shè)計，直觀地展示機械設(shè)備中各個零件的結(jié)構(gòu)，通過演示該設(shè)備的裝配過程，讓學生理解各零件之間的聯(lián)結(jié)和裝配關(guān)系。同時可以根據(jù)教學需要，對設(shè)備結(jié)構(gòu)進行剖切，幫助學生進行設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的觀察和視圖分析。以機械設(shè)備中最為常見的減速器為例，借助AutoCAD軟件對其齒輪、軸、軸承、箱體以及其他附屬零件進行三維設(shè)計，然后進行虛擬裝配(圖1)，讓學生在裝配過程中掌握各零件之間的裝配關(guān)系。在使用三維CAD軟件建模的過程中，學生可以利用并、交、差等布爾運算對立體結(jié)構(gòu)進行編輯，有助于加深其對在畫法幾何中學習的立體截切、相貫等知識的理解，大幅縮短掌握相關(guān)知識的時間。

圖1 減速器的零件和裝配

3.4 融合三維 CAD制圖課程教學模式的創(chuàng)新

傳統(tǒng)的制圖課程教學順序是先幾何元素投影，后三維建模。學生在學習幾何元素投影，尤其是較為復雜的立體投影過程中，經(jīng)歷的是由二維視圖到三維空間的形態(tài)變換，再將三維結(jié)構(gòu)進行二維表達的一個思考過程。但受限于理解力和空間想象能力，學生很難通過抽象思維在腦中想象出對應(yīng)的立體空間形態(tài)。將三維CAD建模融入制圖課程的教學中，建立先三維建模后二維投影的教學模式，能夠有效地解決這一教學難題。學生通過三維CAD建模的訓練，能夠理解并掌握立體的結(jié)構(gòu)特征，隨后在此基礎(chǔ)上進行立體投影的學習，無疑能夠顯著地提高學習效率。

4 結(jié)語

本文從三維CAD技術(shù)融合角度，闡述了“工程制圖”課程教學改革的方向，總結(jié)了融合三維CAD技術(shù)的必要性，以及其給“工程制圖”課程內(nèi)容、教學模式帶來的挑戰(zhàn)和機遇。我們相信融合了三維CAD技術(shù)的“工程制圖”課程能夠有助于學生能力的培養(yǎng)，符合未來社會發(fā)展的需要。