基于ＣＡＤ技術(shù)的工程圖學(xué)融入式教學(xué)模式研究

劉　斌　吳　雪　徐昌貴　湯曉華

摘要分析了CAD應(yīng)用技術(shù)與工程圖學(xué)教學(xué)體系融合的三種模式。結(jié)合CAD應(yīng)用技術(shù)與工程圖學(xué)教學(xué)模式的融合實(shí)踐，總結(jié)了教學(xué)實(shí)踐的具體內(nèi)容和存在的教與學(xué)問題，提出基本觀點(diǎn)和解決的方法。

關(guān)鍵詞工程圖學(xué)，CAD應(yīng)用技術(shù)，教學(xué)改革，三維建模。

中圖分類號(hào)TH122

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1005-4634(2009)03-0055-04

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的深入應(yīng)用，CAD技術(shù)正日益成為設(shè)計(jì)表達(dá)的主要手段，掌握計(jì)算輔助設(shè)計(jì)工具已成為高等工科院校學(xué)生必備工程技術(shù)技能之一。2004年教育部工程圖學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)重新修訂了工程圖學(xué)教學(xué)基本要求，在原有基礎(chǔ)上增加了“創(chuàng)造性構(gòu)型設(shè)計(jì)能力、使用繪圖軟件繪制工程圖樣及進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)”的基本要求。在新形勢下，如何在工程圖學(xué)課程體系內(nèi)，將CAD的技術(shù)思想和方法融入傳統(tǒng)的圖學(xué)課程教學(xué)中，將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具與圖學(xué)課程教學(xué)有機(jī)結(jié)合起來，為培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力、創(chuàng)新能力和工程素質(zhì)奠定基礎(chǔ)，已經(jīng)成為現(xiàn)代工程圖學(xué)教學(xué)改革的主要趨勢。

1教學(xué)模式

CAD技術(shù)主要包括二維計(jì)算機(jī)繪圖和三維建模技術(shù)，工程圖學(xué)課程體系中已經(jīng)包含二維計(jì)算機(jī)繪圖的內(nèi)容，而如何將三維造型技術(shù)引入工程圖學(xué)教學(xué)中來是我國圖學(xué)界近年來討論的一個(gè)熱點(diǎn)問題，對(duì)此也進(jìn)行了相應(yīng)的教學(xué)試點(diǎn)。清華大學(xué)童秉樞教授總結(jié)了現(xiàn)有各院校提出的三維內(nèi)容引入方式以及由此形成的新課程體系：三維造型學(xué)習(xí)內(nèi)容的引入方式包括融合式引入和分段式引入兩種，前者將三維幾何建模的原理、方法和技能融合、滲透到工程制圖課程中，形成新的教學(xué)理論、內(nèi)容和過程；而后者則是設(shè)置另外的必修課或選修課，與工程制圖一起構(gòu)成新課程體系。引入三維建模內(nèi)容后的課程體系又可以劃分為主線式、分段式和獨(dú)立式3種。主線式結(jié)構(gòu)是指三維建模貫穿教學(xué)全過程；三維造型與二維投影表達(dá)同步進(jìn)行；分段式結(jié)構(gòu)即將二維制圖內(nèi)容學(xué)習(xí)和三維建模方法的掌握劃分為多個(gè)階段，穿插進(jìn)行；獨(dú)立式是指在制圖課程以外開設(shè)獨(dú)立的三維建模課程。

近年來，國內(nèi)各高校開展的引入計(jì)算機(jī)三維建模技術(shù)的工程圖學(xué)教學(xué)改革已經(jīng)取得了很多成果，由于每個(gè)學(xué)校的情況不同，因此采用的教學(xué)模式也不一樣。北京工商大學(xué)在工程圖學(xué)教學(xué)中也進(jìn)行了融合CAD技術(shù)的教學(xué)實(shí)踐探索，具體教學(xué)模式實(shí)施內(nèi)容如表1所示。

2教學(xué)實(shí)踐中的問題及對(duì)解決方式的思考

2.1獨(dú)立式教學(xué)模式

獨(dú)立式教學(xué)模式實(shí)踐中，將三維建模和裝配技術(shù)作為獨(dú)立的教學(xué)內(nèi)容，基本沿用草圖繪制、特征建模、特征組合、零件模型生成、工程圖生成、裝配模型生成這一基本順序。三維建模課程結(jié)束后，同學(xué)們不僅掌握了三維建模技術(shù)的基本理論和方法，而且能夠使用某種具體的商用三維造型軟件。

在具體教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)一些教與學(xué)的問題：

三維建模技術(shù)課程與工程圖學(xué)課程在時(shí)間安排上相差兩學(xué)年(見表1中獨(dú)立式教學(xué)模式的教學(xué)計(jì)劃與學(xué)時(shí)安排)，工程圖學(xué)課程中幾何實(shí)體的構(gòu)成分析和構(gòu)形分析、零部件二維表達(dá)方法、以及技術(shù)制圖的國家標(biāo)準(zhǔn)和基礎(chǔ)知識(shí)等內(nèi)容已經(jīng)無法與三維建模的相關(guān)內(nèi)容結(jié)合起來。

由于受二維計(jì)算機(jī)繪圖內(nèi)容學(xué)習(xí)的影響，三維建模實(shí)踐中，草圖繪制過程中過分強(qiáng)調(diào)精確繪圖，對(duì)草圖約束或添加尺寸的重要性體會(huì)不深；特征與零件的概念混淆；三維建模過程中的特征組合模式與工程圖學(xué)課程中形體分析存在差異，同學(xué)們在具體的建模實(shí)踐中容易思路不清晰。

三維建模技術(shù)作為一門獨(dú)立課程，基本上是將具體三維造型軟件的操作和訓(xùn)練當(dāng)成工程圖學(xué)課程體系的現(xiàn)代化教學(xué)內(nèi)容的實(shí)現(xiàn)，實(shí)際上這還是“灌輸式”教學(xué)法的主導(dǎo)思想。課程主旨是教給學(xué)生一種計(jì)算機(jī)繪圖及構(gòu)形思路，但脫離了工程圖學(xué)基本內(nèi)容的學(xué)習(xí)過程，該課程也只起到了工程軟件的操作學(xué)習(xí)和訓(xùn)練作用。目前的現(xiàn)實(shí)情況是，機(jī)械相關(guān)專業(yè)學(xué)生的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)都在逐漸使用三維設(shè)計(jì)工具，如果二維計(jì)算機(jī)繪圖及構(gòu)形思路的學(xué)習(xí)在工程圖學(xué)課程教學(xué)中完成，而三維造型軟件的操作和訓(xùn)練則通過課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)，由學(xué)生查閱相關(guān)資料，進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，就可在較少的教學(xué)學(xué)時(shí)內(nèi)，達(dá)到自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐的效果。

除此之外，獨(dú)立式教學(xué)模式還存在以下分段式教學(xué)模式的問題，鑒于在分段式教學(xué)模式中詳述，不再累述。

2.2分段式教學(xué)模式

與獨(dú)立式教學(xué)模式相比，分段式教學(xué)模式在課程設(shè)置上更加緊湊。計(jì)算機(jī)繪圖與三維建模都是計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)的方法。二者先后學(xué)習(xí)或并行學(xué)習(xí)，銜接緊密，具有一定的對(duì)比學(xué)習(xí)效果，使同學(xué)們明確二維計(jì)算機(jī)繪圖的主要目的和內(nèi)容是應(yīng)用計(jì)算機(jī)作為輔助工具，精確繪制二維工程圖，其中包含圖線、尺寸、文字、技術(shù)要求等。而三維建模課程的主要內(nèi)容是在淡化精確繪制草圖、強(qiáng)化草圖約束應(yīng)用、特征建模、輔助設(shè)計(jì)等。

教學(xué)中存在的問題是工程圖學(xué)傳統(tǒng)內(nèi)容與現(xiàn)代CAD技術(shù)在名詞術(shù)語、理論方法、空間思維過程等方面存在差異。

工程圖學(xué)傳統(tǒng)內(nèi)容中二維圖形的尺寸標(biāo)注引出了基準(zhǔn)、定形尺寸和定位尺寸的概念。在三維建模中，二維草圖的“尺寸標(biāo)注”卻引入了尺寸約束的概念，同時(shí)增加了“幾何約束”的概念。工程圖學(xué)傳統(tǒng)內(nèi)容在形體分析中，將復(fù)雜立體視為基本立體的疊加和挖切，而在三維建模的立體構(gòu)成分析中，復(fù)雜立體是由拉伸特征、旋轉(zhuǎn)特征、掃掠特征等經(jīng)布爾和差交運(yùn)算而成。

有關(guān)基本立體的構(gòu)成理論中，工程圖學(xué)傳統(tǒng)內(nèi)容將基本立體分為平面立體和曲面立體：基本平面立體包括棱柱和棱錐，由棱面和底面圍成；曲面立體主要是以回轉(zhuǎn)體為主，由回轉(zhuǎn)面或回轉(zhuǎn)面與平面所圍成的立體，回轉(zhuǎn)面則是由一動(dòng)線(直線、圓弧或其它曲線)繞一定軸(直線)回轉(zhuǎn)一周形成的曲面。而在三維建模技術(shù)中，基本立體的構(gòu)成可由封閉圖形經(jīng)拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠和放樣所形成，見圖1。

空間思維過程存在不同。工程圖學(xué)中形體分析方法一般分為基本立體疊加和挖切，如圖2(a)所示立體，可以看成四棱柱1與四棱柱2疊加，再挖切三棱柱3形成，見圖2(b)所示。而應(yīng)用CAD的三維建模技術(shù)中時(shí)，此立體是由封閉圖形拉伸形成的特征構(gòu)成，見圖2(c)所示。圖3(a)所示立體，形體分析方法可以視為切去五部分形成的切割式組合體，見圖3(b)，而在三維建模中，以構(gòu)建四個(gè)拉伸特征的疊加為建模順序?qū)⑹乖摿慵慕＿^程更加簡單，見圖3(c)。在具體的三維建模實(shí)踐中，圖3(a)所示立體采用疊加式構(gòu)建方式要比切割式簡單、不易出錯(cuò)。

傳統(tǒng)內(nèi)容與基本CAD技術(shù)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一和前后呼應(yīng)將在教材編寫、課件制作和課堂教學(xué)中引起足夠的重視。

2.3融合式教學(xué)模式

在取消了三維建模課程的工程圖學(xué)教學(xué)體系內(nèi)，簡單的知識(shí)點(diǎn)堆砌無法完成CAD技術(shù)與工程圖學(xué)傳統(tǒng)知識(shí)的融合。融入法教學(xué)體系的建立必須以工程圖學(xué)教學(xué)體系的完整性為前提、以工程圖學(xué)

教育既定的能力培養(yǎng)為目標(biāo)、以圖學(xué)思維教學(xué)與訓(xùn)練為主導(dǎo)、以CAD建模思想為輔助手段。在具體的教學(xué)過程中，結(jié)合工程圖學(xué)基本知識(shí)點(diǎn)，將基本CAD應(yīng)用技術(shù)的概念和應(yīng)用思路作為輔助構(gòu)圖分析、圖形思維及圖形轉(zhuǎn)換的工具，借助CAD二、三維功能的操作性演示替代教師的手工黑板圖和具體題目的求解過程。同時(shí)結(jié)合軟件自身特點(diǎn)舉例，體會(huì)二維計(jì)算機(jī)繪圖與三維建模的內(nèi)涵，但這一教學(xué)過程的實(shí)施必須建立在思維輔助工具和現(xiàn)代化繪圖與設(shè)計(jì)思路掌握的層面上。

在圖學(xué)課程教學(xué)實(shí)踐中，所采用的融入式教學(xué)模式如下所述：

在基本立體投影分析時(shí)，進(jìn)行三維建模練習(xí)。基本立體是建立復(fù)雜形體的基礎(chǔ)，因此在這一階段引入三維造型訓(xùn)練可以使學(xué)生初步掌握三維實(shí)體建模的方法，同時(shí)對(duì)立體概念有直觀的認(rèn)識(shí)。

基本體及截交、相貫線的形成原理及變化過程(圖4與圖5)，以及組合體的疊加、切割形成過程等，直接應(yīng)用CAD軟件的三維建模及布爾運(yùn)算的概念進(jìn)行操作性演示，代替課件(純演示性)或教師的黑板作圖，不僅可在極短時(shí)間內(nèi)對(duì)同一實(shí)例進(jìn)行展開性舉例，使學(xué)生自覺地將數(shù)學(xué)概念與圖形幾何概念產(chǎn)生聯(lián)系對(duì)比，從而加深對(duì)構(gòu)形過程及形體識(shí)別的理解。

在制圖基本知識(shí)教學(xué)中，國家標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)制圖的規(guī)定(圖幅、比例、字體、圖線)，等分線段、正多邊形畫法、圓弧連接、平面圖形的尺寸標(biāo)注和線段分析，均可打開CAD繪圖軟件的相應(yīng)功能進(jìn)行對(duì)比介紹，達(dá)到從兩個(gè)方面理解課程內(nèi)容的目的。

在圖樣畫法的學(xué)習(xí)中，引入三維剖切、三維觀察器等工具，加深同學(xué)們對(duì)剖視圖畫法的掌握，并借助三維建模軟件直接生成二維工程圖的功能、擴(kuò)大同學(xué)們對(duì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件強(qiáng)大功能的認(rèn)識(shí)，并認(rèn)識(shí)到直接生成的二維工程圖與符合國家標(biāo)準(zhǔn)的二維工程圖的差異，同時(shí)了解計(jì)算機(jī)繪圖軟件和三維建模軟件的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，了解精確制圖基礎(chǔ)上的二維工程圖修改。

在標(biāo)準(zhǔn)件和常用件的學(xué)習(xí)過程中，結(jié)合三維軟件的標(biāo)準(zhǔn)件庫，介紹三維軟件的強(qiáng)大輔助功能。

在工程制圖實(shí)踐中結(jié)合徒手繪，輔助計(jì)算機(jī)繪圖和三維建模，使同學(xué)們實(shí)踐三維建模軟件完成部分零件模型和裝配模型，再由模型生成二維工程圖，將該二維工程圖導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)繪圖軟件中，進(jìn)行修改，直至符合工程圖要求的基本過程。達(dá)到應(yīng)用先進(jìn)輔助工具進(jìn)行工程實(shí)踐訓(xùn)練的目的。

在引入基本CAD技術(shù)的工程圖學(xué)課程體系中，必須清醒地認(rèn)識(shí)到，CAD內(nèi)容的引入需要縝密的課堂內(nèi)容設(shè)計(jì)，把握適時(shí)適量的原則，并堅(jiān)持以下原則：

在基本CAD技術(shù)與工程圖學(xué)教育的融合過程中，以工程圖學(xué)教學(xué)體系的完整性為前提、以工程圖學(xué)教育既定的能力培養(yǎng)為目標(biāo)、以圖學(xué)思維教學(xué)與訓(xùn)練為主導(dǎo)、以CAD建模思想為輔助手段。

不能因?yàn)檎n程體系中融入了基本CAD技術(shù)的內(nèi)容，而忽視或減少了徒手繪圖和手工繪圖的訓(xùn)練，必須使同學(xué)們建立正確的認(rèn)識(shí)。

三維造型技術(shù)的引入，使得課程講解變得更加直觀、生動(dòng)，但必須注意三維實(shí)例的適時(shí)適量引入，如在看組合體視圖的教學(xué)與練習(xí)中，過早或過多的引入三維實(shí)例，將不利于同學(xué)們空間構(gòu)想能力的提高。

在教學(xué)中不拘泥于個(gè)例的求解，可借助CAD三維環(huán)境良好的可視性和可操作性，突出解決問題的思路和方法。

將基本CAD應(yīng)用技術(shù)引入工程圖學(xué)教學(xué)體系是必然趨勢。三種引入方式都促進(jìn)了工程圖學(xué)教育的改革與發(fā)展。獨(dú)立式與分段式教學(xué)模式在教學(xué)計(jì)劃安排上具有靈活性與實(shí)用性，卻容易陷入軟件操作學(xué)習(xí)的層面，無法應(yīng)用三維建模思想輔助畫圖、看圖以及空間思維能力的提高，而且要求的學(xué)時(shí)較高。主線式教學(xué)模式的引入，對(duì)工程圖學(xué)課程體系來說是一次全新的徹底的改革，是圖學(xué)教育思想、理論和體系的變革，必須在充分準(zhǔn)備和縝密設(shè)計(jì)的前提下進(jìn)行，否則將達(dá)不到相應(yīng)的教學(xué)目標(biāo)。