全面整合三維CAD技術(shù)的工程圖學(xué)國際化教學(xué)改革實踐

王運巧　劉靜華

[摘 要]北京航空航天大學(xué)國際學(xué)院留學(xué)生班的工程圖學(xué)中英文教學(xué)改革，是全面整合三維CAD技術(shù)的工程圖學(xué)國際化教學(xué)改革實踐。學(xué)生在掌握CAD三維建模、裝配的基礎(chǔ)上，理解工程圖的作用和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，同時加強(qiáng)草圖練習(xí)。在制圖標(biāo)準(zhǔn)介紹中，引入ASME標(biāo)準(zhǔn)中基于模型的數(shù)字化定義（MBD）概念，對傳統(tǒng)工程圖中常見表達(dá)方法和MBD模型中的替代表達(dá)方法進(jìn)行對比和分析，包括幾何信息定義和非幾何信息定義，視圖表達(dá)和尺寸標(biāo)注，形成了CAD三維建模、裝配、工程圖和徒手草圖并重的教學(xué)模式。

[關(guān)鍵詞]工程圖學(xué)；國際化；CAD；MBD

[中圖分類號] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）03-0020-04

北京航空航天大學(xué)國際學(xué)院的工程類留學(xué)生，分為中文授課和英文授課兩個班。在2012年以前，留學(xué)生工程圖學(xué)教學(xué)基本和中國學(xué)生同步，但教學(xué)管理中存在著諸多問題。隨著招生規(guī)模的擴(kuò)大，2012年學(xué)院對留學(xué)生教學(xué)計劃進(jìn)行了較大的調(diào)整，其中工程圖學(xué)課從原來的兩學(xué)期94授課學(xué)時，減少到一學(xué)期54授課學(xué)時。同時，學(xué)院也給予了主講教師更大的自由，在滿足前后課程銜接要求的基礎(chǔ)上，教師對課程體系、教學(xué)內(nèi)容和授課方法可以進(jìn)行最大限度的改革。在這樣的背景下，在學(xué)校教改項目 “面向留學(xué)生的工程圖學(xué)教學(xué)改革研究”的支持下，課程將三維CAD技術(shù)全面融入工程圖學(xué)，在工程圖標(biāo)準(zhǔn)階段，大膽引入基于模型的數(shù)字化定義概念。通過不斷地摸索和調(diào)整，經(jīng)過兩輪的教學(xué)實踐，我們最終形成了CAD三維建模、裝配、工程圖和徒手草圖并重的新的教學(xué)模式。

一、國內(nèi)圖學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀與留學(xué)生課程需求間的差異

工程圖學(xué)課程是工程類學(xué)生的專業(yè)核心課程，傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容主要包括畫法幾何和機(jī)械制圖兩部分。計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展對圖學(xué)課的沖擊是巨大的，它首先是造成了學(xué)時的削減。出于后續(xù)課程要求、業(yè)界對畢業(yè)生工程制圖能力的要求等方面的考慮，課程仍是以投影法為基礎(chǔ)，雖然多數(shù)教學(xué)改革已減少了點線面部分內(nèi)容，但投影訓(xùn)練、視圖表達(dá)及國標(biāo)規(guī)定仍是該課程的核心內(nèi)容。其次，計算機(jī)二維繪圖和三維建模內(nèi)容也不可避免地占用了部分授課學(xué)時。在這種狀況下，即使有現(xiàn)代化教學(xué)手段輔助教學(xué)，完成教學(xué)計劃仍是非常緊張，這也造成了學(xué)生在計算機(jī)房和制圖教室轉(zhuǎn)換間的困惑，教學(xué)效果不盡如人意。

面向留學(xué)生的工程圖學(xué)教學(xué)上述問題更為突出。相比中國學(xué)生，留學(xué)生在語言基礎(chǔ)、計算機(jī)應(yīng)用能力上的差異更大。以北航國際學(xué)院留學(xué)生班為例，學(xué)生為一年級工程類學(xué)生，不分機(jī)類和非機(jī)類，課程總學(xué)時為54學(xué)時，4學(xué)分。由于學(xué)生對CAD軟件的認(rèn)知和掌握程度參差不齊，且沒有附加的相關(guān)課程作為補(bǔ)充，要在這樣短的學(xué)時內(nèi)讓學(xué)生掌握工程設(shè)計表達(dá)方法，并應(yīng)用于后續(xù)課程，滿足業(yè)界要求，對現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式的改革就必須有更大的突破。

二、重構(gòu)基于CAD的工程圖學(xué)課程體系

重構(gòu)課程體系，要跳出現(xiàn)有框架的束縛，回歸到工程圖學(xué)課程的本質(zhì)上來?，F(xiàn)階段工程圖學(xué)課程的基本任務(wù)仍然是培養(yǎng)4個能力：構(gòu)形、表達(dá)、讀圖、制圖。每個能力中既有對二維能力的要求，也有對三維能力的要求。[1]課程的根本目的是培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計表達(dá)能力，圍繞這一核心制定教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)，規(guī)劃內(nèi)容安排，反映業(yè)界需求和現(xiàn)代科技進(jìn)步。

課程具體內(nèi)容包括計算機(jī)建模、裝配和投影制圖、視圖表達(dá)、尺寸標(biāo)注、草圖繪制、構(gòu)形訓(xùn)練。課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)[2]確定為：用規(guī)定的CAD軟件（Solidworks）進(jìn)行建模、裝配和投影制圖的能力；培養(yǎng)空間想象力；工程圖表達(dá)的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；閱讀工程圖；徒手草圖繪制。課程總體安排見表1。

三、完全融合三維CAD的教學(xué)模式

經(jīng)過多年改革實踐，國內(nèi)院校在將三維CAD融入工程圖學(xué)方面基本形成了三種模式[3]： 以三維造型整合課程內(nèi)容體系；三維造型與二維繪圖并重；基本保持原制圖課內(nèi)容，單獨介紹三維造型軟件。張京英的論文中提到北理工教改的三種模式時將其形象地稱為“外掛式、分段式和融合式”[4]，并就三維造型技術(shù)與工程圖學(xué)有效地融合進(jìn)行了論述，課程安排是在學(xué)生學(xué)習(xí)了用形體分析法讀畫組合體視圖之后引入三維造型設(shè)計技術(shù)。教學(xué)仍以掌握投影制圖為重點，三維造型為輔助工具。

在本項目教學(xué)設(shè)計中，不論手工繪圖或計算機(jī)建模，都是從三維形體入手，整個課程學(xué)習(xí)都圍繞“形體表達(dá)”這一概念，將二維投影圖作為和三維模型同等的表達(dá)方法介紹。通過大量高密度的形體構(gòu)成訓(xùn)練，讓學(xué)生學(xué)習(xí)徒手繪制形體草圖。在這一階段，學(xué)生繪制的圖形是不規(guī)范的，其主要目的是構(gòu)形練習(xí)。構(gòu)形練習(xí)把空間想象、構(gòu)思形體和表達(dá)三者結(jié)合起來。這樣既能發(fā)展學(xué)生的空間想象力、開拓思維， 又能提高學(xué)生的畫圖、讀圖能力， 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和開發(fā)創(chuàng)造能力。[5]同時引入CAD三維建模技術(shù)，可以進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生對形體構(gòu)成的理解，讓學(xué)生對常見實體構(gòu)成方法，如拉伸、旋轉(zhuǎn)、疊加、切割、放樣、抽殼，在Solidworks中進(jìn)行練習(xí)，以體會形體構(gòu)成過程。

在三維構(gòu)形練習(xí)的基礎(chǔ)上，提出形體表達(dá)規(guī)范化和國標(biāo)的概念。通過讓學(xué)生在Solidworks中觀察形體的各個視圖投影，引入Monge的直角投影概念，讓學(xué)生了解其存在的歷史必然性，圖學(xué)表達(dá)的歷史現(xiàn)狀，討論直角投影制圖為何在將來很長時間仍會是形體表達(dá)的重要手段。而由三維CAD模型的投影引入二維工程圖，將二維工程圖視為三維模型表達(dá)的一部分，可使學(xué)生認(rèn)識到即使在三維數(shù)字模型表達(dá)的階段，二維投影圖也是重要的表現(xiàn)形式。這一階段進(jìn)行二維投影訓(xùn)練、形體尺寸標(biāo)注練習(xí)、國標(biāo)介紹、視圖表達(dá)方法、裝配圖，所有訓(xùn)練都是和Solidworks三維建模、裝配、投影、工程圖和尺寸標(biāo)注練習(xí)同步進(jìn)行，這能讓學(xué)生對三維到二維的轉(zhuǎn)換過程有更具體直觀的認(rèn)識。在相關(guān)制圖國標(biāo)介紹的同時，介紹ASME Y14.41中關(guān)于基于模型的定義方法，讓學(xué)生了解三維模型表達(dá)方法的先進(jìn)性，同時也讓學(xué)生了解其目前存在的局限性，三維模型和二維工程圖互為補(bǔ)充的現(xiàn)狀。

四、課程中的國標(biāo)介紹和MBD概念

教學(xué)圍繞“形體表達(dá)”這個核心展開。如何表達(dá)工程中的三維形體，投影制圖是其中的一種方法。這種方法自Monge創(chuàng)建投影法以來，已經(jīng)沿用超過200年。工程圖長期以來一直是唯一的指導(dǎo)生產(chǎn)的技術(shù)文件，其形成了一套完整有效的標(biāo)準(zhǔn)。課程介紹了最基本的制圖標(biāo)準(zhǔn)，并針對留學(xué)生的具體需求，加強(qiáng)了第一分角和第三分角投影轉(zhuǎn)換的訓(xùn)練。

以畫法幾何為基礎(chǔ)的二維工程圖表達(dá)，正是以二維準(zhǔn)確定義三維，以平面的圖紙表達(dá)空間形體乃至加工制造需求。二維工程圖的出現(xiàn)是當(dāng)時社會的發(fā)展需要，也是與當(dāng)時的科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)力水平相適應(yīng)的。

基于數(shù)字模型的定義（Model Based Definition，MBD），是另外一種表達(dá)方法。隨著三維建模技術(shù)的日趨成熟，以數(shù)字模型完整準(zhǔn)確定義三維產(chǎn)品成為可能。由于在通常的CAD系統(tǒng)中，所建立的產(chǎn)品數(shù)字化模型僅是三維幾何模型，而制造工藝信息還在二維圖紙上。這樣僅依據(jù)三維幾何模型往往難以進(jìn)行產(chǎn)品的生產(chǎn)和檢驗。三維模型雖然包含了二維圖紙所不具備的詳細(xì)幾何形狀信息，但三維模型中卻不包括尺寸和公差的標(biāo)注、表面粗糙度、表面處理方法等僅靠幾何形狀而無法表達(dá)的（非幾何）信息，或軟件提供的相關(guān)標(biāo)注工具尚不標(biāo)準(zhǔn)化。這些是學(xué)生在用Solidworks建模過程中可以體會到的。

許多國家因此而制定或正著手制定一些關(guān)于MBD的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。其中美國機(jī)械工程師協(xié)會頒布的數(shù)字產(chǎn)品定義規(guī)范（ASME Y14.41 Digital Product Definition Data Practices）是基于模型定義MBD的基本規(guī)范要求的基礎(chǔ)，于2003年被批準(zhǔn)為美國國家標(biāo)準(zhǔn)，和其他現(xiàn)行ASME標(biāo)準(zhǔn)（如ASME Y14.5M，尺寸和公差標(biāo)注）共同使用，其特別定義了關(guān)于產(chǎn)品數(shù)字化定義或數(shù)字化格式的圖樣標(biāo)準(zhǔn)的一些特殊的和附加要求。[6][7]

ASME Y14.41規(guī)范制定始于業(yè)界頂端航空制造業(yè)，以波音公司數(shù)年數(shù)字化制造經(jīng)驗為基礎(chǔ)，對于以航空為特色的院校學(xué)習(xí)更為適合。因此，課程關(guān)于MBD的標(biāo)準(zhǔn)介紹基于這一標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)支持兩種應(yīng)用方法[8]：僅使用三維模型的完整產(chǎn)品定義方法，及模型和二維工程圖結(jié)合的產(chǎn)品定義方法。標(biāo)準(zhǔn)首先討論這兩種方法的共同要求部分，然后分別敘述兩種方法的各自要求。MBD規(guī)范內(nèi)容繁雜，雖然和二維工程圖標(biāo)準(zhǔn)對照提出，但要全部在課內(nèi)介紹仍不現(xiàn)實。另外，對符合MBD規(guī)范的復(fù)雜軟件如CATIA的掌握，要學(xué)生在54學(xué)時的課程內(nèi)學(xué)會也是不可能的。因此，除了MBD概念和ASME Y14.41標(biāo)準(zhǔn)的基本內(nèi)容介紹外，這部分主要實現(xiàn)的是Solidworks的基礎(chǔ)三維標(biāo)注練習(xí)。在讓學(xué)生了解這一新的工程定義的標(biāo)準(zhǔn)同時，也要讓學(xué)生認(rèn)識到目前MBD技術(shù)的局限性，例如在三維模型中，關(guān)鍵部位的放大圖和剖面圖等傳達(dá)設(shè)計意圖的手段仍存在不足，缺乏在二維工程圖中靈活而合理地表達(dá)方法，而相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)仍在不斷發(fā)展完善之中。

五、教學(xué)實踐中的問題解決

（一）教學(xué)方式設(shè)計

對教師來說，雖然已經(jīng)最大程度刪減了點線面投影和圖解法等內(nèi)容，但要在54學(xué)時中讓學(xué)生掌握工程圖和三維建模內(nèi)容，這對教師來說仍是一個巨大的挑戰(zhàn)。要實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，必須在教學(xué)方式、學(xué)時安排上采取新的舉措。課程改革在以下幾個方面做了有益的嘗試。

1.三維CAD軟件學(xué)習(xí)

課程CAD部分要掌握零件建模、裝配建模和工程圖技術(shù)。Solidworks提供的建模工具很多，課堂講授不可能一一演示和練習(xí)具體操作。而以建模的設(shè)計意圖為主，和構(gòu)形練習(xí)結(jié)合，能讓學(xué)生掌握常見的工程形體生成方法和參數(shù)化建模概念，讓學(xué)生能知其然并知其所以然，舉一反三，無論是遇到軟件升級或改用其他CAD工具，都能較快掌握。

由于學(xué)生來自不同的國家和地區(qū)，其計算機(jī)基礎(chǔ)參差不齊。課堂講授除了基本內(nèi)容外，教師還要對學(xué)生要掌握的內(nèi)容和檢查方式提出明確要求，并定期課上考查。一般來說，課下學(xué)生自主學(xué)習(xí)和向助教答疑的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過課上的教學(xué)時間。

2.強(qiáng)調(diào)徒手繪圖能力

徒手草圖是工程師迅速捕捉設(shè)計意圖，和他人交流討論的最便捷的表達(dá)方式。在三維建模越來越受到重視，二維工程圖日漸式微的今天，徒手草圖作為的工程師的快速交流語言，越過尺規(guī)和鼠標(biāo)屏幕的限制，重新回到圖學(xué)教育的前臺，成為工程專業(yè)學(xué)生的必備技能。

學(xué)生徒手繪圖的基礎(chǔ)和計算機(jī)操作技術(shù)一樣，因人而異，差別巨大。一些在大學(xué)以前就接受過比較規(guī)范的訓(xùn)練，部分學(xué)生這方面的基礎(chǔ)基本為零。徒手繪圖的練習(xí)強(qiáng)調(diào)“形體表達(dá)”的工程性，對筆觸、線條、真實感等不作要求?？梢詫⒋罅康耐绞至Ⅲw圖、平面投影、零件圖表達(dá)練習(xí)和三維建模結(jié)合進(jìn)行。

3.實例貫穿始終

由于課上學(xué)時緊張，我們對講授實例設(shè)計采取了反復(fù)應(yīng)用的措施。同一個實例貫穿一系列內(nèi)容始終：三維和二維、CAD和手工繪圖、零件圖練習(xí)和裝配圖練習(xí)，都盡量采用同樣的形體，減少學(xué)生課上的理解時間。這也需要對實例精心設(shè)計，力求具有代表性。如圖1所示的簡單形體，應(yīng)用于構(gòu)形練習(xí)、徒手立體草圖、二維草圖、剖視表達(dá)方法、二維尺寸標(biāo)注、三維建模、三維尺寸標(biāo)注等階段。而圖2所示的裝配體，適合其中各零件在尺寸標(biāo)注、零件工程圖表達(dá)、零件建模、裝配建模、裝配圖階段采用。

4.分組合作，培養(yǎng)團(tuán)隊精神

課程開始幾周后，班級內(nèi)的學(xué)生彼此相對熟悉，從零件表達(dá)方式開始，可將學(xué)生分成3-4人的小組，這樣便于課上討論問題，課下完成作業(yè)，在CAD學(xué)習(xí)方面也可以互相幫助，在裝配建模部分實現(xiàn)分工合作，提高學(xué)習(xí)效率，增強(qiáng)學(xué)生的合作意識和團(tuán)隊精神。

（二）教學(xué)形式和考核方式

教學(xué)全部安排在學(xué)校的CAD中心機(jī)房進(jìn)行，2學(xué)時和4學(xué)時交替。同時，學(xué)生每次課也必須攜帶基本繪圖工具。課堂上除講授外，還進(jìn)行快速徒手草圖的練習(xí)和讀圖建模練習(xí)，教師隨時檢查學(xué)生操作和完成進(jìn)度。尺規(guī)繪圖都安排在課下完成。

考核方式為平時作業(yè)結(jié)合計算機(jī)建模上機(jī)考查，以及期末閉卷筆試三個部分，三部分基本是3∶3∶4的比例。

（三）教學(xué)改革實踐效果及仍待解決的問題

新的工程圖學(xué)教學(xué)課程在北航國際學(xué)院留學(xué)生中文班和英文班各經(jīng)歷了兩輪完整的實踐，期間對二維和三維表達(dá)比例、內(nèi)容設(shè)計、學(xué)時安排、考核方式都不斷調(diào)整，最終形成了如表1所示的較為完整的教學(xué)體系。學(xué)生經(jīng)過本課程的學(xué)習(xí)，掌握了規(guī)范的工程圖基本表達(dá)方法，三維CAD建模和裝配技術(shù)；教師實現(xiàn)了既定的教學(xué)目標(biāo)，滿足了后續(xù)課程的要求，取得了滿意的教學(xué)效果。

實踐也凸顯了新的教學(xué)模式仍存在一些未能解決的問題。首先是由于受到學(xué)生基礎(chǔ)和學(xué)時的限制，講授實例和作業(yè)設(shè)計都相對簡單，學(xué)生對更復(fù)雜形體的掌握不夠，未能更多地體現(xiàn)航空特色。另外，構(gòu)形訓(xùn)練從三維入手，從三維到二維的轉(zhuǎn)換練習(xí)較多，而從二維投影重構(gòu)三維形體的讀圖能力培養(yǎng)不夠。這些問題的解決一方面有賴于培養(yǎng)計劃調(diào)整、學(xué)時安排改進(jìn)和學(xué)生基礎(chǔ)的提高，另一方面也需要進(jìn)一步考慮調(diào)整教學(xué)模式、重新設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化與整合教學(xué)環(huán)境和資源，將教學(xué)改革繼續(xù)推進(jìn)。

六、總結(jié)

在數(shù)字模型定義方法日益成熟并逐漸標(biāo)準(zhǔn)化的今天，工程圖學(xué)課程內(nèi)容體系應(yīng)如何變化，應(yīng)如何正確處理投影理論、二維表達(dá)與三維數(shù)字模型之間的關(guān)系，如何加強(qiáng)學(xué)生的徒手草圖交流能力，貫徹最新制圖標(biāo)準(zhǔn)，很多圖學(xué)教師都在教學(xué)改革中多方努力，以求回答這些問題。借助北航國際學(xué)院留學(xué)生教學(xué)給予的改革空間，希望本文提出的全面整合三維CAD技術(shù)的工程圖學(xué)教學(xué)實踐經(jīng)驗，能成為各位教師取得更大突破的他山之石。

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[責(zé)任編輯：陳 明]