非機(jī)械類工科專業(yè)工程圖學(xué)課程教學(xué)思考

汪晨 鄭梅生 孫青云 孫志武

摘? 要：隨著三維CAD技術(shù)的發(fā)展和普及，工程圖學(xué)課程教學(xué)需要為適應(yīng)人才培養(yǎng)目標(biāo)的轉(zhuǎn)變進(jìn)行改革。該文探討了非機(jī)械類工科專業(yè)工程圖學(xué)課程的改革方向，分析了融入三維CAD內(nèi)容的重要意義，提出了以二維制圖教學(xué)為主線、融合三維CAD內(nèi)容的教學(xué)方案，指出了少學(xué)時(shí)融合式課程建設(shè)的3個(gè)重要內(nèi)容。新課程注重提高學(xué)生的空間想象能力，旨在培養(yǎng)能夠滿足現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展需求的科技人才。

關(guān)鍵詞：非機(jī)械類? 工程圖學(xué)? 三維CAD? 教學(xué)改革

Abstract：With the development and popularization of 3D CAD technology， teaching of Engineering Graphics should reform in order to meet the change of talent training goals. This essay discusses the reform direction of teaching of Engineering Graphics for non-machinery majors. The importance of including 3D CAD is analyzed and a teaching scheme is proposed which takes teaching of 2D engineering drawing as the main line with contents of 3D CAD combined. Three important contents in construction of the combined course is pointed out. This new course focuses on improving the ability of spatial imagination and aims at training scientific and technological talents which are able to meet the development of modern technology.

Key Words：Non-machinery; Engineering Graphics; 3D CAD; Teaching reform

工程圖學(xué)是工科專業(yè)的基礎(chǔ)課程，教學(xué)目的包括培養(yǎng)學(xué)生空間想象能力和分析能力、培養(yǎng)學(xué)生的圖形表達(dá)能力、培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算機(jī)繪圖的初步能力、培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)、提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)能力[1]。隨著三維CAD技術(shù)的發(fā)展，基于二維圖紙的機(jī)械設(shè)計(jì)手段正在逐漸被邊緣化，行業(yè)發(fā)展趨勢促使高校機(jī)械類專業(yè)的工程圖學(xué)課程逐步融入了三維CAD內(nèi)容，新課程結(jié)構(gòu)分為獨(dú)立式、分段式和主線式3種形式[2]。大量教學(xué)實(shí)踐表明，主線式融合三維CAD內(nèi)容更符合機(jī)械學(xué)科和機(jī)械行業(yè)發(fā)展需求，同時(shí)也有利于提升學(xué)生學(xué)習(xí)效果[3-5]。然而，材料、化工、自動(dòng)化等非機(jī)械類工科專業(yè)的工程圖學(xué)課程主要強(qiáng)調(diào)對學(xué)生空間想象能力和工程意識(shí)的培養(yǎng)，對繪制和閱讀工程圖樣的要求較低，隨著二維制圖重要性的下降，這類課程是否有必要融入三維CAD內(nèi)容，以及如何融入這部分內(nèi)容值得思考。

1? 融合三維CAD內(nèi)容的意義

培養(yǎng)空間想象能力是非機(jī)械類工科專業(yè)工程圖學(xué)課程的一個(gè)重要教學(xué)目的。學(xué)生通過將腦海中的三維實(shí)體與二維圖線反復(fù)對比，最終完成二維圖形繪制的過程是提高空間想象能力的關(guān)鍵步驟。無論基于二維圖紙還是基于三維模型進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，其根本都是通過一種圖形語言將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒┙涣鞯馁Y料，對工程師空間想象能力的要求不會(huì)降低。工程圖學(xué)是本科階段系統(tǒng)訓(xùn)練學(xué)生空間想象能力的主要課程，即使未來二維圖紙的重要性不斷降低，在大學(xué)階段開設(shè)工程圖學(xué)課程仍有其合理性和必要性。

但是，為了適應(yīng)未來產(chǎn)品設(shè)計(jì)方式的改變，適應(yīng)我國本科階段教學(xué)改革的需要，在工程圖學(xué)課程中引入三維CAD內(nèi)容具有重要的實(shí)際意義。

第一，從人才培養(yǎng)角度來說，非機(jī)械類工科專業(yè)學(xué)生走上工作崗位之后不可避免地會(huì)需要與機(jī)械設(shè)計(jì)工程師協(xié)作解決工程問題，因此通常要求學(xué)生具有繪制和閱讀簡單工程圖樣的能力。隨著機(jī)械設(shè)計(jì)手段的不斷革新，未來機(jī)械設(shè)計(jì)工作將可能不再基于二維圖紙進(jìn)行，配套系統(tǒng)也可能需要基于三維模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。非機(jī)械類專業(yè)學(xué)生同樣有必要緊隨行業(yè)發(fā)展趨勢，掌握簡單的三維建模技能。

第二，從課程教學(xué)角度來說，融入三維CAD內(nèi)容有助于更好地完成教學(xué)目的。非機(jī)械類學(xué)生的空間想象能力通常不如機(jī)械類學(xué)生，在學(xué)習(xí)基本體的截切和相貫問題、組合體的三視圖以及零件的剖視圖等內(nèi)容時(shí)，通常會(huì)遇到更多困難，容易出現(xiàn)想不出、聽不懂的情況。此外，工程圖學(xué)作為一門基礎(chǔ)課，通常開設(shè)于大一階段，學(xué)生對工程結(jié)構(gòu)尚無概念，對于課程中提到的倒角、相貫線、截交線等結(jié)構(gòu)要素缺乏直觀認(rèn)識(shí)。眾多高校對非機(jī)械類專業(yè)的工程圖學(xué)課程通常采用合班教學(xué)的模式，基于木模和照片進(jìn)行講解，學(xué)生學(xué)習(xí)效果欠佳。利用三維CAD軟件輔助教學(xué)可以有效突破學(xué)生空間想象能力不足的困境，增加學(xué)生對機(jī)械結(jié)構(gòu)的感性認(rèn)識(shí)，提升教學(xué)質(zhì)量。

第三，傳統(tǒng)工程圖學(xué)課程一般采用遞進(jìn)式的教學(xué)思路，從國家標(biāo)準(zhǔn)和作圖基礎(chǔ)開始講解，逐步進(jìn)入點(diǎn)、線、面、基本體投影的學(xué)習(xí)，最后才涉及實(shí)際零件。課程早期內(nèi)容相對枯燥，不易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，影響后期學(xué)習(xí)效果，導(dǎo)致出現(xiàn)學(xué)生普遍反映課程難度大的問題?，F(xiàn)代學(xué)生接觸電腦較早，對計(jì)算機(jī)技術(shù)具有比較濃厚的興趣，在課程開始階段引入三維CAD內(nèi)容，有利于提升課程的趣味性，為整個(gè)課程的學(xué)習(xí)起到積極的促進(jìn)作用。

2? 融合式工程圖學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

基于以上考慮，針對非機(jī)械類工科專業(yè)的工程圖學(xué)課程應(yīng)以傳統(tǒng)二維制圖教學(xué)為主線，合理融入三維CAD內(nèi)容，在培養(yǎng)學(xué)生空間想象能力的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)體系。為此，筆者建立了一套比較合理的教學(xué)方案，其改革主要有如下幾個(gè)方面。

（1）課程教學(xué)從三維CAD基礎(chǔ)出發(fā)，學(xué)生首先學(xué)習(xí)二維草圖繪制和拉伸和旋轉(zhuǎn)建模方法。拉伸模型的草圖是結(jié)構(gòu)的特征視圖[6]，掌握拉伸建模方法有助于提高學(xué)生對結(jié)構(gòu)特征視圖的敏感程度，為學(xué)習(xí)讀圖知識(shí)奠定基礎(chǔ)。旋轉(zhuǎn)模型的草圖是旋轉(zhuǎn)體的徑向截面，掌握旋轉(zhuǎn)建模方法有助于學(xué)生初步了解斷面的概念，為學(xué)習(xí)剖視圖奠定基礎(chǔ)。二維草圖還涉及尺寸的概念，在講解時(shí)向?qū)W生灌輸完全定義草圖的思想，強(qiáng)調(diào)尺寸標(biāo)注的完整性和唯一性，對于學(xué)生學(xué)習(xí)平面圖型的尺寸標(biāo)注有幫助。通過讓學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)建零件的練習(xí)，還能夠增加其對典型機(jī)械結(jié)構(gòu)的感性認(rèn)識(shí)，提高學(xué)習(xí)興趣。

國家標(biāo)準(zhǔn)這部分內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)細(xì)碎，缺乏生動(dòng)性，容易導(dǎo)致學(xué)生興趣減弱，影響知識(shí)點(diǎn)的掌握和后續(xù)課程的學(xué)習(xí)效果。在該課程結(jié)構(gòu)中，通過學(xué)習(xí)三維建模的二維草圖繪制，學(xué)生已經(jīng)對圖線有了初步認(rèn)識(shí)，基本了解了常見尺寸的標(biāo)注格式。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生的學(xué)習(xí)難度會(huì)降低，更容易保持學(xué)習(xí)興趣。

（2）投影法的基礎(chǔ)知識(shí)是學(xué)習(xí)空間形體投影的基礎(chǔ)。在以往教學(xué)過程中，學(xué)生對特殊位置直線和平面的投影存在理解困難。學(xué)習(xí)了三維建模技術(shù)之后，學(xué)生可以自行創(chuàng)建不同直線和平面，利用軟件的坐標(biāo)系統(tǒng)，從不同方向?qū)ζ溥M(jìn)行觀察，加深對投影的理解。

基本體的投影、組合體的三視圖以及零件的表達(dá)方法等內(nèi)容是訓(xùn)練學(xué)生空間想象能力的關(guān)鍵內(nèi)容，傳統(tǒng)工程圖學(xué)課程的教學(xué)設(shè)計(jì)經(jīng)過多年驗(yàn)證能夠很好地完成這一教學(xué)目標(biāo)。該課程結(jié)構(gòu)中，在學(xué)習(xí)基本體的投影之前，補(bǔ)充由三維模型導(dǎo)出三視圖的方法，并在學(xué)習(xí)剖視圖之前，補(bǔ)充由三維模型創(chuàng)建剖視圖的方法。使學(xué)生能夠通過進(jìn)行制圖試驗(yàn)，觀察形體變化對投影圖線的影響，充分發(fā)揮三維CAD軟件的輔助作用，幫助學(xué)生進(jìn)行深入思考和自主學(xué)習(xí)，提升學(xué)習(xí)效果。比如在學(xué)習(xí)相貫和截切問題時(shí)，學(xué)生可以通過改變形體大小和位置，得到不同形狀的相貫線和截交線，體會(huì)形體尺寸和相對位置對相貫線和截交線的影響，加深對這部分知識(shí)的理解。在學(xué)習(xí)由兩視圖補(bǔ)充第三視圖時(shí)，可以將所想到的形體創(chuàng)建成數(shù)字模型，再導(dǎo)出二維視圖，幫助其進(jìn)行對比和思考，從而提升學(xué)習(xí)能力，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。

（3）最后，軸測圖、標(biāo)準(zhǔn)件、常用件、零件圖以及裝配圖等內(nèi)容對于非機(jī)械類專業(yè)學(xué)生而言屬于次要內(nèi)容。引入三維建模知識(shí)之后，這部分內(nèi)容應(yīng)充分利用三維模型進(jìn)行實(shí)例講解，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，提升課程趣味性。比如在介紹螺紋時(shí)，可以在CAD軟件中演示螺紋的生成過程，并結(jié)合軟件的螺紋投影，介紹螺紋的規(guī)定畫法。再比如在介紹裝配圖時(shí)，可以基于三維模型介紹裝配體的工作原理、裝配關(guān)系及主要零件的結(jié)構(gòu)形狀，提升課程的生動(dòng)性。

3? 融合式工程圖學(xué)課程建設(shè)

非機(jī)械類工科專業(yè)的工程圖學(xué)課程一般學(xué)時(shí)偏少，增加三維CAD內(nèi)容會(huì)進(jìn)一步占用有限課時(shí)，導(dǎo)致知識(shí)點(diǎn)過多而學(xué)時(shí)不夠的問題凸顯。目前二維工程圖樣在機(jī)械和相關(guān)行業(yè)中仍然非常重要，為了滿足人才培養(yǎng)需要，新課程無法對二維制圖教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行大幅刪減。融合了三維CAD內(nèi)容后，需要借助慕課來化解這一矛盾。慕課是一種在線視頻課程，視頻短小、有趣，能夠有效利用學(xué)生的碎片時(shí)間，完成簡單知識(shí)點(diǎn)和普及性知識(shí)的教學(xué)。國內(nèi)目前已經(jīng)建設(shè)上線的慕課繁多，然而為了有效利用慕課補(bǔ)充課堂教學(xué)，慕課視頻的內(nèi)容應(yīng)與課堂教學(xué)內(nèi)容緊密關(guān)聯(lián)。這要求教師根據(jù)課程的具體安排，合理規(guī)劃慕課內(nèi)容，精心制作慕課短片，有效提高視頻內(nèi)容的可用性。并且，教師應(yīng)根據(jù)課堂教學(xué)進(jìn)度，合理規(guī)劃慕課的推送，真正做到用好慕課。

課程習(xí)題建設(shè)是融合式課程建設(shè)的另一項(xiàng)重點(diǎn)內(nèi)容。傳統(tǒng)二維制圖作業(yè)量較大，學(xué)生只有通過大量練習(xí)，才能有效提高空間想象能力。然而，以畫圖為主要形式的作業(yè)實(shí)際上在空間想象能力的訓(xùn)練方面效率欠佳，作業(yè)時(shí)間大多用在了繪制圖線上，思考的時(shí)間非常有限[7]。相比而言，判斷和選擇題雖然無法對學(xué)生的繪圖能力進(jìn)行訓(xùn)練，但是在讀圖知識(shí)點(diǎn)的考察上同樣有效。由于無須繪制圖線，學(xué)生完成判斷和選擇題的效率更高，相同時(shí)間內(nèi)可以完成的習(xí)題數(shù)量更多，這種高頻次的練習(xí)能夠?qū)χR(shí)點(diǎn)形成強(qiáng)化刺激，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果?？紤]到非機(jī)械類工科專業(yè)人才對繪圖技能的要求本就較低，這種練習(xí)模式更加適合這類學(xué)生的培養(yǎng)。因此，在融合式課程體系中，課程習(xí)題需要由畫圖和補(bǔ)圖練習(xí)向以判斷和選擇題為代表的讀圖練習(xí)轉(zhuǎn)換，教師可以借助慕課平臺(tái)建立具有推送作業(yè)、自動(dòng)批改、互動(dòng)交流等功能的課程習(xí)題庫，與傳統(tǒng)畫圖和補(bǔ)圖作業(yè)互補(bǔ)，有效提高習(xí)題的訓(xùn)練效果。并且，為了杜絕部分學(xué)生在完成判斷和選擇題時(shí)存在的抄襲現(xiàn)象，可以考慮對學(xué)生進(jìn)行隨機(jī)派題，充分利用自動(dòng)批改功能，提升課程的人才培養(yǎng)效果。

此外，融合式課程的實(shí)現(xiàn)還依賴于模型庫的建設(shè)。建設(shè)模型庫一方面是為立體化課堂教學(xué)服務(wù)，另一方面能夠降低制圖實(shí)驗(yàn)的操作門檻。學(xué)生在沒有完全掌握三維CAD軟件操作方法的情況下就可能需要開展制圖實(shí)驗(yàn)，因此有必要在模型庫中加入預(yù)制的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，簡化?shí)驗(yàn)過程，降低操作難度，建立實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)材料，讓學(xué)生在進(jìn)行制圖實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)三維CAD操作技能和二維讀圖能力的共同提升。

4? 結(jié)語

隨著三維設(shè)計(jì)模式的普及，非機(jī)械類工科專業(yè)學(xué)生未來也將面臨需要?jiǎng)?chuàng)建和閱讀三維模型的情況，針對他們的工程圖學(xué)教學(xué)思想和方法也必須做出相應(yīng)改變。以二維制圖教學(xué)為主線，培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力，融入三維CAD內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的三維造型能力，并有效調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，提升課程趣味性，提高課程教學(xué)質(zhì)量，是這類課程改革的一個(gè)可行方向。

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