融合三維CAD技術(shù)的“工程制圖”課程教學(xué)改革探討

袁恩先

(揚(yáng)州大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225002)

“工程制圖”是高等院校工科類專業(yè)學(xué)生的一門必修課，其主要任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生空間想象和邏輯思維能力，同時(shí)在培養(yǎng)學(xué)生形象思維、科學(xué)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(xué)習(xí)和工作奠定基礎(chǔ)。如今，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)其廣泛應(yīng)用和其運(yùn)算能力的飛速提升，工程制圖與計(jì)算機(jī)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(xué)內(nèi)容和模式受到挑戰(zhàn)，課程改革勢在必行[1]。隨著計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)所取代，尤其是三維CAD技術(shù)因其強(qiáng)大的建模造型功能，已經(jīng)廣泛用于機(jī)械設(shè)計(jì)，是作為未來設(shè)計(jì)人員的大學(xué)生必須掌握的技能，同時(shí)運(yùn)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(xué)的現(xiàn)狀

隨著社會(huì)的發(fā)展，市場需求發(fā)生了深層次的變革，工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)I(yè)人才的知識(shí)儲(chǔ)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(xué)存在的主要問題：(1)課時(shí)的縮減導(dǎo)致學(xué)生的CAD軟件練習(xí)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(dá)的要求；(3)部分高校的 CAD 教授內(nèi)容較為滯后，導(dǎo)致學(xué)生所學(xué)的操作技能和方法較為陳舊。這些問題直接影響學(xué)生在后續(xù)學(xué)習(xí)中的專業(yè)能力，關(guān)系到學(xué)生在從事工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域工作時(shí)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(xué)過程中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，歸納了該課程面臨的三個(gè)主要問題，并提出了相應(yīng)的解決措施。

2.1 教學(xué)內(nèi)容有待更新

目前，高等院校中“工程制圖”課程的學(xué)時(shí)已由以往的96學(xué)時(shí)壓縮為現(xiàn)在的48學(xué)時(shí)，其中32學(xué)時(shí)用于制圖理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，16學(xué)時(shí)用于制圖實(shí)踐。當(dāng)今機(jī)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(xué)生在較短時(shí)間內(nèi)掌握最全面知識(shí)的難題。傳統(tǒng)“工程制圖”課程的教學(xué)大綱強(qiáng)調(diào)畫法幾何、制圖標(biāo)準(zhǔn)以及二維CAD繪圖，卻很少涉及與制圖相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用。這不但導(dǎo)致學(xué)生因知識(shí)點(diǎn)難度大而學(xué)習(xí)積極性不高，且易造成紙上談兵的現(xiàn)象，學(xué)生難以將學(xué)得的理論知識(shí)正確地應(yīng)用于實(shí)踐[2]。

課程教學(xué)改革中，要對課程內(nèi)容進(jìn)行更新。首先，針對性地選擇教學(xué)內(nèi)容全面、實(shí)用性強(qiáng)的新型教材，需包括工程制圖、設(shè)備設(shè)計(jì)、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(jī)械設(shè)計(jì)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(xué)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(shí)踐學(xué)時(shí)，同時(shí)壓縮講解點(diǎn)、線、面投影等畫法幾何內(nèi)容的學(xué)時(shí)。畫法幾何部分的精簡，并不意味其重要性的降低，而是因?yàn)橥ㄟ^三維CAD建模內(nèi)容的學(xué)習(xí)能夠有利于學(xué)生更好、更快地掌握二維元素的投影性質(zhì)。最后，教學(xué)過程中還要注重設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理化以及尺寸標(biāo)注的可測性和可加工性。

2.2 教學(xué)模式需優(yōu)化

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

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

2.3 理論與實(shí)踐聯(lián)系需加強(qiáng)

與國外高等教育注重緊密聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際的情況相反，目前國內(nèi)“工程制圖”課程內(nèi)容中缺少實(shí)踐應(yīng)用教學(xué)環(huán)節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生無法將所學(xué)理論知識(shí)應(yīng)用于解決實(shí)際問題，實(shí)踐能力得不到鍛煉，從而也無法檢測學(xué)生對知識(shí)掌握的真實(shí)程度[4]。課程學(xué)時(shí)少，無法實(shí)現(xiàn)組織學(xué)生進(jìn)行實(shí)地現(xiàn)場考察、分析機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)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(xué)中能夠有效地解決上述問題。教師可根據(jù)教學(xué)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(fù)雜構(gòu)件中各零件之間的裝配關(guān)系；同時(shí)，能夠讓學(xué)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(xué)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(xué)改革的必然方向。同時(shí)，二維圖形信息已經(jīng)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)和機(jī)械制造的需求，為了縮短周期，三維設(shè)計(jì)已成為必然。因此，當(dāng)今的工程制圖應(yīng)該是面向三維設(shè)計(jì)，將制圖與設(shè)計(jì)融合。這豐富了“工程制圖”課程教學(xué)內(nèi)容，但同時(shí)也給傳統(tǒng)教學(xué)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(xué)過程中，需要加強(qiáng)學(xué)生立體結(jié)構(gòu)表達(dá)能力和建模能力的培養(yǎng)，使其形成系統(tǒng)的工程意識(shí)和創(chuàng)新思維。

3 融合三維CAD技術(shù)的制圖課程教學(xué)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(qiáng)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(xué)工具。鑒于部分學(xué)生的計(jì)算機(jī)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(xué)目標(biāo)，由淺入深安排教學(xué)內(nèi)容，從二維圖形繪制教授開始，隨后到三維建模，重點(diǎn)講解二維、三維制圖的典型命令和操作，讓學(xué)生盡快熟練掌握軟件繪圖的基本操作；其次，通過案例教學(xué)，基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的理念，進(jìn)行系統(tǒng)性教學(xué)，爭取將大多數(shù)知識(shí)點(diǎn)融會(huì)貫通，形成一個(gè)整體，同時(shí)兼顧教學(xué)案例的漸進(jìn)性，讓學(xué)生可以在反復(fù)循環(huán)練習(xí)中掌握較為系統(tǒng)的知識(shí)體系；最后，充分尊重學(xué)生的主觀能動(dòng)性，爭取在整個(gè)教學(xué)過程中，做到以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體，教師只扮演引領(lǐng)、歸納和查缺補(bǔ)漏的角色，而讓學(xué)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(diǎn)以及難點(diǎn)。為了使學(xué)生掌握應(yīng)用CAD軟件三維建模的技能，在教學(xué)過程中，要詳細(xì)講解軟件的使用特點(diǎn)，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(jìn)行三維建模，隨后逐漸過渡到較復(fù)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(xué)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(gè)從點(diǎn)、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(xué)體系，由三維模型出發(fā)分析及點(diǎn)、線、面，使學(xué)生在學(xué)習(xí)之初，就形成空間立體思維。通過對三維模型進(jìn)行編輯，動(dòng)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(xué)生對組合體畫圖和讀圖的理解。此外，培養(yǎng)學(xué)生三維讀圖能力也是教授三維CAD建模的重點(diǎn)。通過將立體的三維模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，學(xué)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(jì)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)的問題，例如科學(xué)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(biāo)注等。同時(shí)，學(xué)生在使用三維 CAD技術(shù)繪制工程圖樣時(shí)，也可結(jié)合傳統(tǒng)二維視圖的表達(dá)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(shí)加深學(xué)生對這些視圖表達(dá)方法的理解。

教師可以采用三維CAD對某典型機(jī)械設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，直觀地展示機(jī)械設(shè)備中各個(gè)零件的結(jié)構(gòu)，通過演示該設(shè)備的裝配過程，讓學(xué)生理解各零件之間的聯(lián)結(jié)和裝配關(guān)系。同時(shí)可以根據(jù)教學(xué)需要，對設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖切，幫助學(xué)生進(jìn)行設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的觀察和視圖分析。以機(jī)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(jìn)行三維設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行虛擬裝配(圖1)，讓學(xué)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(xué)生可以利用并、交、差等布爾運(yùn)算對立體結(jié)構(gòu)進(jìn)行編輯，有助于加深其對在畫法幾何中學(xué)習(xí)的立體截切、相貫等知識(shí)的理解，大幅縮短掌握相關(guān)知識(shí)的時(shí)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(xué)模式的創(chuàng)新

傳統(tǒng)的制圖課程教學(xué)順序是先幾何元素投影，后三維建模。學(xué)生在學(xué)習(xí)幾何元素投影，尤其是較為復(fù)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(jìn)行二維表達(dá)的一個(gè)思考過程。但受限于理解力和空間想象能力，學(xué)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(xué)中，建立先三維建模后二維投影的教學(xué)模式，能夠有效地解決這一教學(xué)難題。學(xué)生通過三維CAD建模的訓(xùn)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(jìn)行立體投影的學(xué)習(xí)，無疑能夠顯著地提高學(xué)習(xí)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(xué)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(xué)模式帶來的挑戰(zhàn)和機(jī)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(xué)生能力的培養(yǎng)，符合未來社會(huì)發(fā)展的需要。