應(yīng)用三維設(shè)計(jì)軟件的混合式教學(xué)改革與探索

楊磊 陸俊杰

摘?要：工程圖紙是產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息表達(dá)與交流的技術(shù)語言，它廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航空、船舶、土木、國防、汽車、化工等領(lǐng)域。工程制圖課程是廣大工科專業(yè)一門必修的基礎(chǔ)課。隨著計(jì)算機(jī)在工程領(lǐng)域的深入應(yīng)用以及在工程教育認(rèn)證的大背景下，很多課程進(jìn)行了課程壓縮。工程制圖教學(xué)課時(shí)幾乎壓縮至原來的一半，這將引起課程內(nèi)容過多、教學(xué)方法陳舊、CAD實(shí)踐課程有待優(yōu)化等問題。針對這些問題，本文提出應(yīng)用三維軟件強(qiáng)大的建模能力，結(jié)合工程制圖的課程重點(diǎn)和難點(diǎn)，建立與知識點(diǎn)關(guān)聯(lián)的典型案例的三維模型，通過模型操作、視圖剖切展示，線下與學(xué)生進(jìn)行交互式、直觀的課程知識點(diǎn)講授。該方法可以降低學(xué)生工程制圖課程的學(xué)習(xí)難度，提高教師的教學(xué)效率。同時(shí)利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)以及三維軟件的建模優(yōu)勢，提出應(yīng)用三維設(shè)計(jì)軟件線上線下混合式教學(xué)改革方案。利用超星學(xué)習(xí)通網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的資料、活動(dòng)、討論、作業(yè)、考試等功能，將三維模型、二維和三維CAD軟件操作視頻傳至網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，進(jìn)一步豐富了課程內(nèi)容，提高了課程與企業(yè)需求的契合度，進(jìn)而有助于人才培養(yǎng)質(zhì)量的提升。

關(guān)鍵詞：工程制圖；三維設(shè)計(jì)軟件；混合式教學(xué)

中圖分類號：G642

一、概述

工程圖紙是產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息表達(dá)與交流的技術(shù)語言，它廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航空、船舶、土木、國防、汽車、化工等領(lǐng)域。工程制圖課程幾乎是所有工科專業(yè)必修的一門課程。它以畫法幾何的投影理論為基礎(chǔ)，在平面上用圖形表示空間幾何形體。這門課程的主要目的是培養(yǎng)學(xué)生的空間想象和空間分析能力，并掌握形體表達(dá)的基本方法，讀懂工程圖樣的初步能力。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)的快速發(fā)展及應(yīng)用，傳統(tǒng)的手工制圖的模式已基本上被CAD所取代，尤其是三維CAD技術(shù)［1］。三維CAD軟件融入工程制圖教學(xué)已有一些教師進(jìn)行了嘗試［24］。三維CAD具有強(qiáng)大的建模造型功能，在產(chǎn)品三維造型設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、結(jié)構(gòu)力學(xué)分析、動(dòng)畫制作、數(shù)字孿生等方面應(yīng)用越來越廣泛。產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙已由三維模型轉(zhuǎn)二維工程圖的方式逐漸取代二維出圖的方式，三維直觀而又形象的展示方式已被各大行業(yè)所青睞。然而目前，高校的工程制圖的上機(jī)實(shí)踐課程還是以二維CAD為主。應(yīng)用三維設(shè)計(jì)軟件融入工程制圖教學(xué)過程，可以更為形象地表達(dá)三維的物體，幫助學(xué)生理解課程中的知識點(diǎn)，還能讓學(xué)生學(xué)到物體三維表達(dá)的新技能，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。這種教學(xué)方法將社會發(fā)展的需求與課程緊密結(jié)合，幫助學(xué)生更好地規(guī)劃后續(xù)其他課程的學(xué)習(xí)。

二、工程制圖教學(xué)現(xiàn)狀及存在問題

（一）工程制圖教學(xué)內(nèi)容有待調(diào)整

當(dāng)前工程教育認(rèn)證的大背景下，大部分課程課時(shí)被壓縮［5］。目前，高校中工程制圖課程已由原來的96課時(shí)壓縮為32課時(shí)制圖理論+16課時(shí)上機(jī)實(shí)踐。長期以來，工程制圖的教學(xué)內(nèi)容以點(diǎn)、線、面的投影理論、立體、組合體、零件圖、裝配圖等內(nèi)容層層推進(jìn)。這種方法雖然可以使學(xué)生對制圖知識體系有一個(gè)較全面的認(rèn)識，但是制圖理論知識較為抽象、難懂，容易讓學(xué)生形成“枯燥、乏味”的印象，產(chǎn)生不良情緒，影響課程教學(xué)質(zhì)量［6］。再者，由于課時(shí)的壓縮，課程進(jìn)度加快，學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)掌握制圖理論知識也變得更困難，降低了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。在課程壓縮的背景下，工程制圖的教學(xué)內(nèi)容也需要調(diào)整，課程中的重點(diǎn)要細(xì)講，如投影面平行線、垂直線、投影面平行面、垂直面等的投影特點(diǎn)；非重點(diǎn)部分少講或不講，如直線的實(shí)長和傾角求法、平面的傾角與實(shí)形求法、球及圓環(huán)表面點(diǎn)的投影等。

（二）工程制圖教學(xué)方法有待更新

傳統(tǒng)的工程制圖教學(xué)方式是以教師為主導(dǎo)，借助繪圖尺、石膏模、木模等工具，講授制圖理論知識。制圖中投影理論較為抽象、晦澀難懂，有些同學(xué)在點(diǎn)、線、面的投影中的理論知識基本可以掌握，但應(yīng)用實(shí)際三維物體的投影時(shí)就難以理解。因?yàn)?，三維物體到二維圖紙，由二維圖紙構(gòu)建三維模型的過程中需要學(xué)生具有一定的空間構(gòu)想能力，這種能力需要通過不斷訓(xùn)練、實(shí)踐來提高。石膏模、木模在一定程度上能夠幫助學(xué)生提高空間構(gòu)想能力，但是這類模型存在制作成本較高、模型種類有限、投影線遮擋不清晰、不宜制作復(fù)雜模型等缺點(diǎn)，對學(xué)生的幫助有限，稍微復(fù)雜點(diǎn)的模型學(xué)生就難以構(gòu)想。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在工程制圖中的成熟應(yīng)用，尤其是三維CAD具有強(qiáng)大的建模造型功能，可以輕松構(gòu)建出各種各樣復(fù)雜的模型，不管模型大小，可以通過自由旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、縮放等功能全方位展示模型的三維結(jié)構(gòu)，還通過視圖剖切功能可以清晰地展示物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，具有實(shí)體模型無可比擬的優(yōu)勢。這種新型的教學(xué)方式可以極大地幫助學(xué)生理解課程中的難點(diǎn)和重點(diǎn)，提高空間構(gòu)想能力，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)生積極性，同時(shí)也能提高教師的教學(xué)效率。

（三）CAD實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容有待優(yōu)化

目前，高校的CAD實(shí)踐課程還是以二維CAD為主，即用CAD軟件直接繪制二維圖紙。然而，現(xiàn)在很多企業(yè)的二維圖紙已采用先三維CAD建模，再導(dǎo)出二維圖紙的方式，這種方式在很大程度上提高了出圖效率。有的甚至直接由三維CAD模型進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)，如CAM數(shù)控加工、3D打印等。但這并不意味著二維CAD繪圖完全被取代，由三維CAD導(dǎo)出二維圖紙還有些細(xì)節(jié)問題需要在二維CAD中修改。因此，高校的CAD實(shí)踐課程應(yīng)當(dāng)增加三維建模、裝配的內(nèi)容。這不僅能幫助學(xué)生更深入地學(xué)習(xí)工程制圖理論知識，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和成就感，也更有利于培養(yǎng)符合企業(yè)需求的學(xué)生。

三、應(yīng)用三維軟件的工程制圖教學(xué)改革探索

在科技大發(fā)展的大環(huán)境下，為應(yīng)對課時(shí)縮減及企業(yè)需求的變化，在工程制圖課程中應(yīng)用三維軟件進(jìn)行教學(xué)改革是勢在必行。本文基于工程制圖課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，結(jié)合知識點(diǎn)有關(guān)典型模型，利用三維CAD軟件構(gòu)建三維模型，結(jié)合超星學(xué)習(xí)通平臺，構(gòu)建一套線上線下混合式的教學(xué)課程。

（一）三維軟件在線下教學(xué)中的探索

工程制圖中關(guān)于點(diǎn)、線、面的投影理論知識相較于立體、組合體的投影，學(xué)生比較容易掌握，采用繪圖尺繪圖、PPT演示進(jìn)行講授即可。對于立體章節(jié)內(nèi)容，棱柱、棱錐、圓柱、圓錐等基本體表面上點(diǎn)的投影，利用點(diǎn)的投影規(guī)律、面內(nèi)取點(diǎn)法講解，學(xué)生基本可以掌握。對于平面與立體相交、立體與立體相交、組合體的二維繪制、組合體的讀圖分析等內(nèi)容，由于涉及截交線、相貫線、不可見線、空間構(gòu)形等問題，學(xué)生理解上存在困難。針對這部分內(nèi)容，結(jié)合課程知識點(diǎn)，選取相關(guān)模型，應(yīng)用三維CAD軟件構(gòu)建三維模型，授課時(shí)通過模型的旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等操作，直觀清晰地展示模型與知識要點(diǎn)的關(guān)系，這種三維交互式的教學(xué)方式可以促進(jìn)學(xué)生對制圖理論知識的理解和掌握。

右表所示為工程制圖中幾個(gè)重要知識的典型模型和對應(yīng)的三維模型示例，右表中列舉的知識點(diǎn)包括多個(gè)平面截切棱柱、多個(gè)平面截切圓柱、圓柱外外相貫及內(nèi)內(nèi)相貫、組合體畫三視圖畫法、剖視圖注意的要點(diǎn)等。右表中序號1的模型為一個(gè)正垂面和一個(gè)水平面截切六棱柱，兩個(gè)截平面的形狀分析、俯視圖中被遮擋的棱線是學(xué)生難理解的知識點(diǎn)，通過三維模型可以清晰地展示截平面的形狀、視圖中的遮擋關(guān)系。右表中序號2的模型為一個(gè)正垂面和一個(gè)側(cè)平面截切空心圓柱，兩個(gè)截平面與空心圓柱外表面和內(nèi)表面截切形狀分析是該部分的難點(diǎn)，通過三維模型可以清晰地展示出截交線為矩形和橢圓以及內(nèi)外圓柱的轉(zhuǎn)向輪廓線。下表中序號3的模型為一個(gè)水平半空心圓柱和豎直空心圓柱相貫，圓柱外表面直徑相同相貫線為平面曲線，圓柱內(nèi)表面直徑不同相貫線為空間曲線，這是學(xué)生難以理解的知識點(diǎn)，三維模型可以直觀地展現(xiàn)出相貫線的空間形狀及投影特點(diǎn)。下表中序號4的模型為疊加型組合體，該組合體包含了平面與曲面相切、平面立體與回轉(zhuǎn)體相交、圓柱相貫等知識點(diǎn)，對于組合體學(xué)生容易出現(xiàn)交線多畫或漏畫、視圖遮擋關(guān)系不明等錯(cuò)誤，三維模型可以幫助學(xué)生理解、融合、鞏固知識點(diǎn)的綜合應(yīng)用。下表中序號5為組合體剖視的模型，剖視圖中易漏的線和已表達(dá)清楚的虛線不畫等知識點(diǎn)學(xué)生理解上存在困難，三維模型可以將剖開后的模型直接展示給學(xué)生，一目了然。

以上所舉例子只是工程制圖中的一部分，在授課時(shí)不能直接給學(xué)生展示三維模型，先引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)想三維模型，然后逐步構(gòu)建二維與三維的投影關(guān)系，最后展示三維模型幫助學(xué)生構(gòu)建和修正之前大腦中模糊或錯(cuò)誤的三維模型。在傳統(tǒng)的教學(xué)中，從二維到三維構(gòu)想過程難度大，猶如一條難以逾越的鴻溝，從而打擊學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。三維CAD構(gòu)建的模型宛如一條跨越這段鴻溝的橋梁，降低了空間構(gòu)想難度，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過長期的訓(xùn)練，學(xué)生的空間構(gòu)想能力將不斷提升。

（二）三維軟件在線上教學(xué)中的探索

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)具有打破學(xué)習(xí)時(shí)間和空間上的限制、學(xué)習(xí)資源更加豐富、教學(xué)管理更加方便等優(yōu)勢，但也存在學(xué)生學(xué)習(xí)情況不易掌控、師生交流不及時(shí)等問題。如果采用線上線下混合式的教學(xué)方式，可以發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，提升學(xué)習(xí)效率，提高教學(xué)質(zhì)量。

超星旗下的學(xué)習(xí)通平臺集成了活動(dòng)、資料、通知、作業(yè)、考試、討論等功能，教師可以根據(jù)課程進(jìn)度上傳相應(yīng)的資料，如PPT、三維模型、模型操作動(dòng)畫等，學(xué)生可以課后在平臺上瀏覽PPT、觀看動(dòng)畫、下載模型查看等深入學(xué)習(xí)課程知識。如果學(xué)習(xí)通平臺能夠?qū)崿F(xiàn)三維模型在網(wǎng)頁上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等功能，這種交互方式更能添加工程制圖線上教學(xué)的沉浸感。教師可以通過學(xué)習(xí)通平臺布置作業(yè)、課堂過程考核測試、討論問題等教學(xué)活動(dòng)。根據(jù)學(xué)生作業(yè)情況，找出

較難、易錯(cuò)的題目，構(gòu)建三維模型課上講解或上傳學(xué)習(xí)通平臺，幫助學(xué)生答疑解惑。學(xué)生有問題，便可通過平臺向教師求助。

利用網(wǎng)格教學(xué)平臺，學(xué)生與教師的交流可以不受時(shí)間和空間的限制。應(yīng)用三維軟件可以解決大部分工程制圖中的問題，通過網(wǎng)格教學(xué)平臺將解題思路和三維模型發(fā)布，可以幫助教師給學(xué)生答疑解惑的效率。利用平臺的討論、分組任務(wù)、活動(dòng)等功能，能調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（三）三維軟件在CAD實(shí)踐教學(xué)中的探索

目前，高校的CAD實(shí)踐課程還是以二維CAD為主，包括軟件的基本操作、繪圖命令、標(biāo)注、圖塊、零件圖等。企業(yè)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)分析、產(chǎn)品展示、動(dòng)畫制作等方面對三維CAD都有需求，因此在CAD實(shí)踐課程中融入三維CAD的入門教學(xué)，有助于學(xué)生后續(xù)課程規(guī)劃、學(xué)習(xí)新技能、提高求職競爭力。雖然CAD實(shí)踐只有16課時(shí)，但是內(nèi)容相對簡單，大部分學(xué)生掌握得較快，可以壓縮出2至4個(gè)課時(shí)講解三維CAD的入門課程。二維CAD課程內(nèi)容的授課時(shí)長需要相應(yīng)調(diào)整，對于二維CAD中軟件的基本操作、繪圖命令，教師可以錄好教學(xué)視頻，發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，線下課程則縮減軟件基本操作、繪圖命令練習(xí)時(shí)間，軟件操作和命令在零件圖部分加強(qiáng)訓(xùn)練和熟悉。壓縮出的課時(shí)用于講解三維CAD的入門，內(nèi)容包括草圖設(shè)計(jì)、三維特征命令、修改命令、簡單的裝配等。三維CAD中草圖設(shè)計(jì)的內(nèi)容與二維CAD大同小異，可以快速講解。三維CAD教學(xué)內(nèi)容全部錄制視頻，發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺。線下課程則以幾個(gè)三維建模案例進(jìn)行教學(xué)。這種教學(xué)方案利用了線上線下混合式教學(xué)的優(yōu)勢，將軟件操作、繪圖命令等內(nèi)容移至線上，提高了線下課堂的利用率，添加了三維CAD課程內(nèi)容，不僅豐富了課程內(nèi)容，更提高了課程與企業(yè)需求的契合度，提高了人才培養(yǎng)質(zhì)量。

結(jié)語

本文闡述了工程制圖教學(xué)課時(shí)壓縮、課程內(nèi)容有待調(diào)整、教學(xué)方法有待更新、CAD實(shí)踐課程有待優(yōu)化的現(xiàn)狀，針對這些現(xiàn)狀，本文提出應(yīng)用三維軟件強(qiáng)大的建模能力，結(jié)合工程制圖的課程重點(diǎn)和難點(diǎn)，建立與知識點(diǎn)關(guān)聯(lián)的典型案例的三維模型，通過模型旋轉(zhuǎn)、平移、縮放、視圖剖切等操作，線下與學(xué)生進(jìn)行交互式、直觀的課程知識點(diǎn)講授。該方法可以降低學(xué)生工程制圖課程的學(xué)習(xí)難度，提高教師的教學(xué)效率。隨著網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的發(fā)展，線上線下混合式教學(xué)的優(yōu)勢不斷顯現(xiàn)。利用超星學(xué)習(xí)通網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的資料、活動(dòng)、討論、作業(yè)、考試等功能，將三維模型，二維和三維CAD軟件操作視頻傳至網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，進(jìn)一步豐富了課程內(nèi)容，提高了課程與企業(yè)需求的契合度，有助于人才培養(yǎng)質(zhì)量的提升。

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基金項(xiàng)目：上海市教委2022年度上海高校青年教師培養(yǎng)資助計(jì)劃項(xiàng)目——ZZ202212036

作者簡介：楊磊（1987—?），男，江西上饒人，博士，講師，研究方向：結(jié)構(gòu)沖擊力學(xué)、智能制造。

*通訊作者：陸俊杰（1990—?），男，上海人，博士，講師，研究方向：轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、工程摩擦學(xué)、智能制造。