“工程制圖”課程與“CAD技術(shù)”課程融合研究

李杞超，張洪軍

（嶺南師范學(xué)院，廣東 湛江 524048）

“工程制圖”是高等院校工科類(lèi)專(zhuān)業(yè)必修的一門(mén)基礎(chǔ)課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生繪制工程圖樣和分析工程圖樣的水平，掌握工程圖樣讀圖與繪圖技術(shù)，提高學(xué)生空間形象思維能力、機(jī)構(gòu)搭建創(chuàng)新能力以及外觀包裝審美能力等，為學(xué)生將來(lái)的專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)與技能的廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)[1]。工程制圖以現(xiàn)代工程應(yīng)用為背景，培養(yǎng)學(xué)生從基礎(chǔ)理論研究走向?qū)嶋H工程應(yīng)用，是工程應(yīng)用技術(shù)的啟蒙，其自身特點(diǎn)具有一定的抽象性和復(fù)雜性，制約著學(xué)生對(duì)其學(xué)習(xí)理解與應(yīng)用，導(dǎo)致講解難度大、學(xué)習(xí)效率低[2]。因此，根據(jù)“工程制圖”課程學(xué)習(xí)重要性和自身特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)前“新工科”與“雙一流”學(xué)科建設(shè)背景，為培養(yǎng)科技前沿的復(fù)合型人才，“工程制圖”課程教學(xué)需要革新。近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)已走向世界前位，其中CAD技術(shù)起到了至關(guān)重要的作用。CAD技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展與應(yīng)用越來(lái)越成熟，被廣泛運(yùn)用到機(jī)械生產(chǎn)領(lǐng)域中，與“工程制圖”課程有著緊密的聯(lián)系?！肮こ讨茍D”課程教學(xué)的目標(biāo)與重點(diǎn)已經(jīng)從先前的讀圖與繪圖逐步轉(zhuǎn)為CAD二維繪制和三維建模設(shè)計(jì)，機(jī)械零件的二維繪制和三維造型也已經(jīng)成為圖學(xué)課程教學(xué)體系中的重要組成部分。因此，革新“工程制圖”課程內(nèi)容，融合CAD二維圖形繪制和三維建模設(shè)計(jì)，建設(shè)具有形象化、三維實(shí)體化的制圖知識(shí)與CAD技術(shù)應(yīng)用相結(jié)合的高容量圖學(xué)課程內(nèi)容，提高教學(xué)效率，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維活力，培養(yǎng)學(xué)生專(zhuān)業(yè)技術(shù)及相關(guān)應(yīng)用能力，提高專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)質(zhì)量，儲(chǔ)備機(jī)械工程行業(yè)技術(shù)型人才，具有重要意義[3-4]。

一、圖學(xué)課程教學(xué)中的問(wèn)題分析

圖學(xué)課程主要包括工程制圖與計(jì)算機(jī)繪圖，其中工程制圖包含畫(huà)法幾何部分與專(zhuān)業(yè)制圖部分，按專(zhuān)業(yè)可分為機(jī)械類(lèi)和非機(jī)械類(lèi)，計(jì)算機(jī)繪圖可分為二維繪圖和三維建模設(shè)計(jì)。目前，眾多院校的“工程制圖”“計(jì)算機(jī)二維繪圖”及“三維建模設(shè)計(jì)”屬于獨(dú)立完整的3門(mén)課程，多處于分學(xué)期獨(dú)立式教學(xué)，缺乏課程間教學(xué)時(shí)間緊密銜接性和知識(shí)體系密切關(guān)聯(lián)性的融合。在“新工科”和“雙一流”學(xué)科建設(shè)背景下，“工程制圖”課程學(xué)時(shí)量不斷縮減，而課程包含的畫(huà)法幾何與專(zhuān)業(yè)制圖兩部分基本理論知識(shí)卻不能隨意刪減，否則不僅無(wú)法構(gòu)成課程本身完整體系，更會(huì)影響相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，由此引發(fā)了教師理論內(nèi)容講授多、速度快，學(xué)生實(shí)踐練習(xí)少、學(xué)習(xí)難度大、效果差等問(wèn)題。雖然有些高校對(duì)此課程培養(yǎng)計(jì)劃有所調(diào)整，將工程制圖與CAD二維繪圖化為1門(mén)課程，相關(guān)研究者也出版了一些教材，但內(nèi)容的融合多為簡(jiǎn)單的疊加組合，基本是以工程制圖較多學(xué)時(shí)在前講授，CAD二維制圖少量學(xué)時(shí)在后講授，繼續(xù)沿用原來(lái)的教材疊加組合和教學(xué)體系，缺少將CAD繪圖融入工程制圖各章節(jié)，導(dǎo)致二者形合意不合，仍處于分離狀態(tài)，而且隨著三維建模設(shè)計(jì)的快速發(fā)展與應(yīng)用，也已將其設(shè)為單獨(dú)1門(mén)專(zhuān)業(yè)繪圖設(shè)計(jì)課程。對(duì)于這3部分知識(shí)，大部分院校是分布在3個(gè)學(xué)期陸續(xù)完成教學(xué)，課程總學(xué)時(shí)量占比不少，但實(shí)際教學(xué)中，由于它們相對(duì)獨(dú)立，缺少知識(shí)點(diǎn)間的緊密融合，存在知識(shí)點(diǎn)交叉重復(fù)講解，導(dǎo)致教學(xué)課時(shí)緊張，效果欠佳。

二、“工程制圖”課程與“CAD繪圖”課程內(nèi)容融合意義

為適應(yīng)“新工科”與“雙一流”建設(shè)人才培養(yǎng)的“產(chǎn)業(yè)需求導(dǎo)向，跨界交叉融合，支撐引領(lǐng)行業(yè)”的要求，解決目前教學(xué)中存在的問(wèn)題，提出工程制圖與CAD繪圖內(nèi)容融合[5]。“工程制圖”課程主要包含繪圖基本知識(shí)、投影基本理論、圖樣表達(dá)、零件圖以及裝配圖等內(nèi)容。在教學(xué)過(guò)程中，教師多側(cè)重于投影基本理論，所用課時(shí)較多，接近總課時(shí)的一半，但教學(xué)的效果并不理想，學(xué)生對(duì)部分知識(shí)的理解需要具備較好的空間想象能力。而在“工程制圖”初期教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生的空間想象力及邏輯思維能力水平不同，且尚未形成系統(tǒng)的工程制圖學(xué)習(xí)框架，對(duì)有些復(fù)雜的形體內(nèi)容缺少感性認(rèn)知。雖然可以通過(guò)現(xiàn)代教學(xué)手段PPT，將平面與實(shí)體相交部分清晰展示，但仍是處于某一個(gè)角度的圖片形式，缺乏實(shí)體圖的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)任意角度觀察。隨著計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)的快速發(fā)展，CAD二維繪圖和三維建模軟件已應(yīng)用到設(shè)計(jì)和制造中。通過(guò)利用計(jì)算機(jī)繪圖建模軟件展示三維形體，不僅柔化了課程教學(xué)內(nèi)容的隱深度，亦能結(jié)合實(shí)體模型進(jìn)行教學(xué)，逐步培養(yǎng)學(xué)生制圖、識(shí)圖的相關(guān)能力，進(jìn)而通過(guò)CAD內(nèi)容知識(shí)講解弱化工程制圖的部分內(nèi)容講授。由此，知識(shí)的與時(shí)俱進(jìn)，內(nèi)容的融合是必然趨勢(shì)。結(jié)合工程制圖、AutoCAD二維工程圖以及SolidWorks三維建模設(shè)計(jì)軟件各知識(shí)點(diǎn)的相關(guān)性和相輔性，歸納和總結(jié)知識(shí)框架，突出機(jī)械制圖教學(xué)中的重點(diǎn)內(nèi)容，將3門(mén)課程內(nèi)容融合教學(xué)，不僅有助于“工程制圖”課程的基本理論知識(shí)和機(jī)械制圖知識(shí)的學(xué)習(xí)，還能熟悉AutoCAD二維繪制工程圖和SolidWorks三維建模設(shè)計(jì)軟件操作，提高學(xué)生對(duì)機(jī)械圖信息的理解和分析能力，強(qiáng)化對(duì)二維轉(zhuǎn)化三維、三維轉(zhuǎn)化二維的理解能力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和空間思維想象能力[6-7]?！肮こ讨茍D”教學(xué)內(nèi)容雖然具有一定的復(fù)雜性和抽象性，但通過(guò)CAD技術(shù)融合在工程制圖教學(xué)內(nèi)容中，有效協(xié)助教師在理論正推及問(wèn)題分析過(guò)程中實(shí)現(xiàn)詳盡、形象的實(shí)例展現(xiàn)，不但能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，而且還能節(jié)約大量學(xué)時(shí)，對(duì)提高機(jī)械制圖教學(xué)效率和水平具有積極作用。

三、工程制圖與CAD技術(shù)內(nèi)容融合與教學(xué)方式

工程制圖和CAD技術(shù)密切關(guān)聯(lián)，完整系統(tǒng)地融合將是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。工程制圖和CAD技術(shù)融合的根基是內(nèi)容的融合，可將知識(shí)碎片化，將關(guān)聯(lián)的知識(shí)融為一體，改變簡(jiǎn)單的疊加式堆合，形成一門(mén)融工程制圖與二維及三維繪圖于一體化的新課程，同時(shí)調(diào)整教學(xué)方式，配置適宜新課程內(nèi)容的教學(xué)方式，達(dá)到充分利用資源，節(jié)約時(shí)空，有效提高教學(xué)效率和質(zhì)量，提升學(xué)生興趣與積極性。

（一）畫(huà)法幾何與CAD繪圖知識(shí)的融合

1.畫(huà)法幾何基本知識(shí)與CAD二維繪圖知識(shí)的融合。教師在講解工程制圖基本知識(shí)時(shí)，可將AutoCAD軟件中的圖層管理部分和平面繪制命令融在一起講解。首先在AutoCAD軟件中講解各種線形設(shè)置方法，設(shè)置完成后講解直線、圓等基本繪圖命令，在繪圖顯示區(qū)繪制包含多種線形表達(dá)的圖形，利用此圖形講解各類(lèi)線形表達(dá)的意義，這樣既有助于學(xué)生對(duì)線形的理解，同時(shí)又可使其學(xué)會(huì)AutoCAD中圖層管理與基本繪圖命令。圖形要涉及尺寸標(biāo)注，由此引出AutoCAD軟件中注釋部分。講解尺寸標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容以及注釋內(nèi)容相關(guān)設(shè)置，完成后對(duì)圖形進(jìn)行標(biāo)注，標(biāo)注過(guò)程中講解尺寸標(biāo)注的意義和方法，完成工程制圖中的尺寸標(biāo)注基本知識(shí)講授要求。

2.畫(huà)法幾何投影理論知識(shí)與CAD二維及三維繪圖知識(shí)的融合。針對(duì)點(diǎn)線面的投影部分，結(jié)合AutoCAD軟件進(jìn)行講授更易理解。首先教師在AutoCAD繪圖顯示區(qū)確定圖紙，在圖紙內(nèi)確定三視圖的布局定位，再進(jìn)行點(diǎn)線面的三視投影，以及線面相對(duì)投影面和線面之間的位置關(guān)系投影，掌握點(diǎn)線面投影基本理論。針對(duì)體的投影，可結(jié)合AutoCAD二維繪圖和三維建模軟件來(lái)講授。學(xué)生在學(xué)懂AutoCAD二維繪圖基本繪圖操作的基礎(chǔ)上，教師可進(jìn)行SolidWorks的草圖繪制講解，二者均為平面繪圖，屬異曲同工，容易學(xué)習(xí)與理解，之后講解實(shí)體建模中拉伸旋轉(zhuǎn)部分，形成基本幾何體，繼續(xù)講解SolidWorks工程圖部分中投影操作，由此講授工程制圖中體的投影知識(shí)，這樣有助于對(duì)體的投影理解，特別是在學(xué)習(xí)截交線和相貫線部分，利用SolidWorks軟件進(jìn)行實(shí)體建模，在生成相交實(shí)體時(shí)，自然得到截交線和相貫線，通過(guò)任意旋轉(zhuǎn)相交體，可多角度觀察截交線和相貫線形狀，再進(jìn)行工程制圖中的截交線和相貫線部分知識(shí)的具體投影方法講授。通過(guò)先觀察到認(rèn)知，再細(xì)節(jié)到深知的學(xué)習(xí)過(guò)程，讓學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)圖學(xué)課程更直觀易理解，同時(shí)對(duì)SolidWorks軟件產(chǎn)生濃厚興趣，促進(jìn)其自發(fā)性學(xué)習(xí)，提高他們的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性。

3.畫(huà)法幾何組合體視圖與CAD二維及三維繪圖知識(shí)融合。在組合體視圖教學(xué)中，已知兩視圖補(bǔ)畫(huà)第三視圖及形體構(gòu)思是重要內(nèi)容，也是教學(xué)中的重點(diǎn)與難點(diǎn)，空間思維想象能力稍弱的學(xué)生，對(duì)組合體視圖和形體構(gòu)思很難進(jìn)行深入思考，補(bǔ)畫(huà)第三視圖和構(gòu)思形體比較困難，因此教師在教學(xué)過(guò)程中可融合CAD技術(shù)展開(kāi)教學(xué)，滲透三維建模設(shè)計(jì)，并讓學(xué)生繪制基本體的疊加或切割形成的組合體，準(zhǔn)確地掌握組合體的特征。根據(jù)已知視圖，利用SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件將二維圖進(jìn)行相應(yīng)實(shí)體建模操作，輕松構(gòu)建組合體的三維實(shí)體模型，再將三維實(shí)體模型轉(zhuǎn)換為二維工程圖，結(jié)合已知的視圖進(jìn)行核對(duì)，確定一致后，完成第三視圖。如果核對(duì)不一致，需要再次對(duì)零件圖的三維模型進(jìn)行修改，直到求出正確的第三視圖為準(zhǔn)。

（二）機(jī)械制圖與CAD繪圖知識(shí)的融合

1.標(biāo)準(zhǔn)件和常用件與CAD二維及三維繪圖知識(shí)的融合。教師在講授機(jī)械制圖課程中標(biāo)準(zhǔn)件和常用件章節(jié)時(shí)，可與SolidWorks軟件的零件庫(kù)知識(shí)融合一起，不僅可使學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)更加直觀，還可使其充分認(rèn)知標(biāo)準(zhǔn)件和常用件的類(lèi)型，掌握零件的結(jié)構(gòu)和繪制要求，同時(shí)，教師可讓學(xué)生學(xué)習(xí)SolidWorks軟件中將零件庫(kù)中的相應(yīng)零件插入繪圖區(qū)的操作方法，并結(jié)合AutoCAD二維繪圖知識(shí)，講解簡(jiǎn)化繪制標(biāo)準(zhǔn)件和常用件的畫(huà)法，由此完成標(biāo)準(zhǔn)件和常用件的二維繪圖方法與三維建模方法。

2.零件圖與CAD二維及三維繪圖知識(shí)的融合。教師在講授機(jī)械制圖課程中零件圖章節(jié)時(shí)，對(duì)零件的分類(lèi)與結(jié)構(gòu)進(jìn)行講解，可利用SolidWorks軟件對(duì)各類(lèi)零件進(jìn)行三維建模，使學(xué)生加深對(duì)零件結(jié)構(gòu)的理解，教師在建模過(guò)程中繼續(xù)講解軟件中掃描、放樣等實(shí)體建模特征和孔、圓角等一系列的編輯修飾特征，使學(xué)生對(duì)各類(lèi)零件進(jìn)行完整的建模，并充分學(xué)習(xí)零件的結(jié)構(gòu)，完成對(duì)零件圖的學(xué)習(xí)和軟件中零件實(shí)體建模所有特征的學(xué)習(xí)。與此同時(shí)，教師在講授AutoCAD繪制零件圖的方法時(shí)，如涉及到尺寸標(biāo)注和技術(shù)要求的注釋方法，要使學(xué)生理解好它們?cè)诹慵D中的作用和標(biāo)注要求，繪制標(biāo)準(zhǔn)的零件工程圖，促進(jìn)三維實(shí)體建模所生成的工程圖后，能夠按工程圖要求標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相應(yīng)修正，最終完成零件圖的標(biāo)準(zhǔn)繪圖與三維設(shè)計(jì)。

3.裝配圖與CAD二維及三維繪圖知識(shí)的融合。教師在講授機(jī)械制圖課程中裝配圖章節(jié)時(shí)，可滲透Auto-CAD和SolidWorks軟件裝配圖繪制方法。AutoCAD二維裝配圖的繪制方法與上述零件圖二維繪制方法基本相同，可進(jìn)一步融入到裝配圖的基本知識(shí)和技術(shù)要求講解中，同時(shí)通過(guò)SolidWorks自下而上的方法將事先建模好的零件進(jìn)行裝配，模擬實(shí)際組裝，建立完整的裝配實(shí)體模型，讓學(xué)生清楚學(xué)習(xí)裝配過(guò)程。裝配中利用SolidWorks進(jìn)行體積干涉檢查和動(dòng)態(tài)碰撞干涉檢查，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)與裝配的合理性，既可以掌握SolidWorks裝配實(shí)體部分知識(shí)，又可以加深對(duì)裝配圖基本知識(shí)和技術(shù)要求的理解。裝配完成后為能夠清楚展示內(nèi)部零件形體，可通過(guò)爆炸圖對(duì)零件形體進(jìn)行充分展示。如果需要生成工程圖，按照各類(lèi)機(jī)器的工程裝配圖表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)，生成相應(yīng)的視圖清晰表達(dá)，并對(duì)其進(jìn)行調(diào)整與修正，亦可導(dǎo)入AutoCAD完成修正，形成標(biāo)準(zhǔn)的裝配圖。

（三）課程融合后的教學(xué)方式

工程制圖與AutoCAD及SolidWorks軟件課程內(nèi)容完全融合一體，構(gòu)成一門(mén)新課程，必然需要與之適宜的教學(xué)方式，僅是PPT與黑板授課方式不能適應(yīng)融合后的新課程。依據(jù)課程融合的內(nèi)容、信息技術(shù)的發(fā)展以及學(xué)習(xí)方式多元化、專(zhuān)業(yè)化的需求，結(jié)合課程內(nèi)容融合后的二維與三維繪圖的實(shí)操與形體特征直觀形象的展現(xiàn)的特點(diǎn)，以及激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)繪圖軟件的興趣，授課教室既可選擇在配有投影的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，也可根據(jù)學(xué)生配置筆記本情況，選擇多媒體教室進(jìn)行授課，確保每位學(xué)生一臺(tái)計(jì)算機(jī)。課堂上教師講授基本知識(shí)過(guò)程中，學(xué)生應(yīng)認(rèn)真聽(tīng)講，講授后，教師須預(yù)留時(shí)間，讓學(xué)生自行實(shí)操及知識(shí)理解，其間教師可對(duì)個(gè)別學(xué)生的疑惑進(jìn)行單一的解答輔導(dǎo)，講解與學(xué)習(xí)靈活多樣、輕松高效。課程不再區(qū)分理論課和實(shí)驗(yàn)課，理論與實(shí)操直接結(jié)合，一次課程可包含若干次講授與實(shí)操，直接做到邊講邊學(xué)邊練，帶動(dòng)學(xué)生進(jìn)行思考和想象，學(xué)生既能學(xué)到制圖基本知識(shí)，亦能學(xué)到軟件操作方法，還能提高設(shè)計(jì)技能。課上也可選擇線上教學(xué)和線上線下混合教學(xué)方式來(lái)完成教學(xué)內(nèi)容[8]。課下學(xué)生可通過(guò)熟悉練習(xí)軟件過(guò)程，繼續(xù)加深對(duì)工程制圖基本知識(shí)的理解，轉(zhuǎn)變僅靠枯燥無(wú)趣的讀教材學(xué)習(xí)方式。教學(xué)方式的革新，不僅帶來(lái)了時(shí)間上的節(jié)約靈活利用，還帶來(lái)了空間上的節(jié)約充分利用，是課程融合教學(xué)發(fā)展優(yōu)選模式。

四、結(jié)語(yǔ)

CAD技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其在現(xiàn)代機(jī)械生產(chǎn)領(lǐng)域中，已經(jīng)成為重要組成部分。為了有效提高CAD技術(shù)與工程制圖教學(xué)效率與效果，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)CAD技術(shù)熟練程度及工程制圖相關(guān)知識(shí)的理解，本文結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展形勢(shì)及市場(chǎng)需求，培養(yǎng)機(jī)械生產(chǎn)領(lǐng)域的高端專(zhuān)業(yè)人才，提出將AutoCAD二維繪圖與Solid-Works三維機(jī)械模型設(shè)計(jì)軟件課程內(nèi)容緊密融入“工程制圖”課程內(nèi)容中，構(gòu)成完整的一門(mén)課程，既豐富了“工程制圖”課程內(nèi)容，又使教學(xué)資源得到充分優(yōu)化利用，有效節(jié)約時(shí)空，同時(shí)還提高了課堂教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力，促進(jìn)學(xué)生空間想象能力和空間分析能力。通過(guò)教學(xué)內(nèi)容融合及教學(xué)方式的改革，有效地改變了傳統(tǒng)的教學(xué)方法，有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)更加直觀與深入地學(xué)習(xí)，為后續(xù)相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定良好基礎(chǔ)，為現(xiàn)代機(jī)械生產(chǎn)領(lǐng)域儲(chǔ)備大量專(zhuān)業(yè)人才。