引入三維CAD的工程制圖課程教學改革嘗試

李杰，蔡萍，魏昌祥

一、工程制圖課程的任務

工程制圖課程教學的任務是培養(yǎng)學生空間思維能力、構(gòu)形設計能力、圖形表達能力和應用計算機進行3D造型設計和工程圖樣生成的能力。

不僅要解決形體的表達，而且應該解決形體的造型設計。通過造型設計的教學使學生的空間思維和構(gòu)形能力得到更大提高，提高對該課程的學習積極性。

二、工程制圖課程的現(xiàn)狀與背景

我國的制造企業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)了用計算機繪圖代替手工繪圖?！笆晃濉币?guī)劃又通過甩圖紙應用示范工程，推動企業(yè)的產(chǎn)品設計實現(xiàn)從三維CAD建模到CAE/CAM/PLM的C3P和C4P集成。無圖紙生產(chǎn)并不是無圖生產(chǎn)，而是產(chǎn)品全生命周期中工程圖紙的使用在減少，但是各類電子圖檔（包括工程圖樣）的使用頻率和數(shù)量都在增加。

計算機圖形不僅用于表達設計，而且用于表達各種信息，滲透到人類社會、經(jīng)濟、生活的各個領(lǐng)域，應用非常廣泛。

工程制圖是大一工科學生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，傳統(tǒng)教學模式基于二維投影及表達層次上進行，學生從二維到三維的思維過程非常困難，花費大量時間和精力還是難以掌握，空間想象能力很難培養(yǎng)起來，部分學生甚至失去了對本課程的學習興趣，老師很難調(diào)動他們的學習積極性，更談不上培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力。課堂教學沒有生機，形成了填鴨式教學模式和老師講、學生被動接受的局面，這與新時期培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的要求相距甚遠。

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，以三維參數(shù)化實體設計為標志的現(xiàn)代設計和制造技術(shù)已被廣泛應用。改變了傳統(tǒng)的從二維圖形到三維實體的思路，開始利用三維軟件直接創(chuàng)建對象的三維實體模型，再生成二維圖形。由于工作流程的改變，使設計與制圖有機地融為一體，簡化了設計過程，更加符合人們從三維實體到二維圖形的認知規(guī)律。三維CAD的應用已被眾多企業(yè)采用，而且還成為企業(yè)增強市場競爭能力的舉措。為了適應現(xiàn)代社會發(fā)展的要求，更大程度地挖掘?qū)W生的潛能，建立基于三維CAD為主線的工程制圖教學模式，培養(yǎng)學生利用三維CAD進行設計和表達的能力，更好地培養(yǎng)學生空間想象力和創(chuàng)新能力，將是工程制圖課程教學改革的必然趨勢。

幾年前有些高校就已經(jīng)開始在工程制圖教學過程中引入三維CAD技術(shù)。各級學術(shù)機構(gòu)也圍繞三維CAD這一課題舉辦了很多活動及比賽，如每年一次的全國“高教杯”圖學大賽，就是基于三維CAD技術(shù)的先進成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模的創(chuàng)新大賽，全國各高校優(yōu)秀的選手會聚一堂參加比賽、切磋技藝。學生在比賽過程中真正得到鍛煉和成長，為未來的就業(yè)和發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)，學生參與的積極性很高，極大提高了學生對工程制圖課程的濃厚興趣。當然我們要正視現(xiàn)實，參加比賽的學校和學生畢竟還比較少，要讓我們的學生都來掌握三維CAD這一先進技術(shù)，三維CAD必須引入工程制圖教學中。對于引入的方式，清華大學童秉樞教授作了總結(jié)：三維CAD引入工程制圖方式包括融合式和分段式引入兩種，前者是將三維CAD的原理、方法和技能融合，滲透到工程制圖課程教學過程中，后者是另設必修課或選修課。

我校近幾年對大二學生開設了《機械CAD》選修課，該課程放在工程制圖課程結(jié)束之后，這種方式引入三維CAD較晚，對學生空間想象能力培養(yǎng)幫助太少，為此我們提出了三維CAD與工程制圖融合式教學改革研究與實踐。

三、工程制圖教學內(nèi)容改革思路

建立新的工程制圖教學模式，以設計為主導思想，圍繞投影和三維實體建模這一核心理論開展教學。以三維CAD為主線，融合工程設計基礎(chǔ)知識、國家標準、投影知識、三維CAD實體建模理論及圖形表達知識和規(guī)范，在培養(yǎng)空間思維和二維圖形表達的同時，突出三維設計的地位和作用，從三維實體入手理解物體的構(gòu)成原理和表達方法，培養(yǎng)學生形成先進的設計思維方式和利用現(xiàn)代設計技術(shù)進行表達的能力以及創(chuàng)新能力。我們?yōu)榇私⒘艘匀SCAD實體建模設計為主線，并與二維CAD、傳統(tǒng)工程制圖有機融合的教學模式。

我國大部分中小型企業(yè)仍然采用二維CAD軟件來繪制工程圖，所以我們既要以三維CAD實體建模設計為主線，還要學習傳統(tǒng)的工程制圖內(nèi)容和二維CAD軟件，只有這樣我們培養(yǎng)出來的學生，才能既滿足當前工程設計要求，又能適應科學技術(shù)發(fā)展的需要。

工程制圖教學普遍的模式：以畫法幾何為基礎(chǔ)，投影制圖為重點，尺規(guī)繪圖、徒手繪圖和計算機繪圖為工具，再結(jié)合不同專業(yè)（如機械、建筑、水利、化工等）特點并貫徹國家標準，培養(yǎng)學生繪制和閱讀工程圖樣的能力。

為改變這一傳統(tǒng)模式，我們在基本體投影、組合體讀圖繪圖、機件表達方法、零件圖及裝配圖等傳統(tǒng)教學內(nèi)容中，運用計算機繪圖知識，引入構(gòu)型設計。學生可以將自己的設計進行三維實體造型及功能分析，激發(fā)學生的學習積極性，發(fā)揮自己的創(chuàng)造力，構(gòu)思出各具特色的形體，以達到讓學生更好的掌握和應用工程制圖知識、培養(yǎng)學生空間想象力和創(chuàng)新能力的目的。

我們學校在熱能與動力工程和機械電子工程專業(yè)開設了三維CAD必選課，還對工科學生開設了三維CAD公選課，學生學習積極性高。學校從他們中選拔出優(yōu)秀學生，代表學校去參加了全國和重慶市的圖學大賽，取得了一等獎和二等獎的好成績。由于興趣所在，學生們不再感到工程制圖是那樣的難學，他們?nèi)〉玫暮贸煽円布ぐl(fā)了學生們對工程制圖的學習熱情，我們的課堂活躍了。

工程制圖的研究和教學面臨空前的發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)，圖學學科建設和教育改革必須加快步伐。在教學過程中我們應努力做到以下幾點：

（1）確保五大基礎(chǔ)內(nèi)容的教學，即投影理論基礎(chǔ)、構(gòu)型設計基礎(chǔ)、表達方法基礎(chǔ)、繪圖能力基礎(chǔ)、制圖規(guī)范基礎(chǔ)。

（2）以培養(yǎng)空間構(gòu)思能力為核心，將基本形體、組合體、零件結(jié)構(gòu)設計、裝配結(jié)構(gòu)設計與計算機輔助造型設計緊密結(jié)合，提高創(chuàng)造性形體設計與表達能力。

（3）三種實踐性教學環(huán)節(jié)：基礎(chǔ)型：工程形體認識實踐；綜合型：零部件測繪實踐；提高型：計算機輔助立體造型實踐。

（4）將計算機構(gòu)形設計和計算機繪圖貫穿教學全過程。

將三維CAD建模貫穿于機械零部件測繪過程中。機械零部件測繪是工程制圖課程中的一個大型的、綜合性的實踐教學環(huán)節(jié)。在這一過程中，要求學生將所測繪的零件進行三維建模并作三維裝配，再生成二維工程圖，讓學生對工程制圖整個過程有全面的掌握。學生面對自己的作品也會有一種自豪和滿足感，極大地調(diào)動了學生的學習主動性和積極性。

教學應遵循教育性原則、啟發(fā)式原則、直觀性原則。我們通過三維CAD與工程制圖融合式教學已初見成效，通過這種教學可以達到以下的效果：

（1）學生可以自己動手制作立體模型，培養(yǎng)學生的空間想象力，進而激發(fā)學生對工程制圖的學習積極性。

（2）鼓勵優(yōu)秀的學生走出去，去參加重慶市和全國性的圖學大賽，讓我們的學校和我們的學生在各高校競爭中創(chuàng)出品牌。

（3）鼓勵學生參加由國家人力資源和社會保障部組織的職業(yè)資格考試，為學生就業(yè)早作準備。

（4）讓學生了解工程制圖的發(fā)展現(xiàn)狀，將理論知識與現(xiàn)代技術(shù)盡早結(jié)合，使學生的學習更加有目的，有追求。

（5）也是最重要的一點，三維CAD教學融入工程制圖課程教學是課程改革的必然趨勢，通過這一過程的探索，可以為我校工程制圖課程的改革探索出一條思路。以達到提高教學質(zhì)量，激發(fā)學生學習積極性、主動性，促進學生個性發(fā)展，培養(yǎng)學生空間想象力和創(chuàng)新能力的目的。

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