“新工科”背景下工程圖學(xué)“二維-三維融合”課程體系探究＊

杜 俊 ， 王巧華 ， 夏俊芳 ， 趙純清 ， 任奕林

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖北 武漢 430070）

0 引言

為深化工程教育改革，2017年教育部頒布了“關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知”，提出要全面探索能引領(lǐng)世界的工程教育[1-2]?！靶鹿た啤苯ㄔO(shè)要求用新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新體系開展工程教育改革，因此“新工科”的提出與建設(shè)對高校工科專業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容改革提出了新要求[3-5]。

工程圖學(xué)相關(guān)課程是普通高校工科專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要研究工程圖樣表達(dá)與技術(shù)交流。在國家標(biāo)準(zhǔn)《學(xué)科分類與代碼》中，工程圖學(xué)為“工程與技術(shù)科學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科”下的二級學(xué)科[6]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及工程技術(shù)的發(fā)展，工程圖學(xué)的成圖介質(zhì)由紙質(zhì)圖紙變?yōu)橛?jì)算機(jī)圖形顯示，且表達(dá)內(nèi)容從二維平面表達(dá)向三維建模發(fā)展。國家工程圖學(xué)課程指導(dǎo)委員會已將“應(yīng)用繪圖軟件繪制工程圖樣及進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)的能力”設(shè)置為該課程一項(xiàng)重要的教學(xué)任務(wù)[7]。同時(shí)，面向全生命周期的三維數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、3D打印、基于圖像的建模已日趨成為工程應(yīng)用的新方向[8]。“新工科”建設(shè)要求工程教育教學(xué)內(nèi)容要適應(yīng)市場和產(chǎn)業(yè)的需求，培養(yǎng)多元化的人才。因此，工程圖學(xué)課程體系的教學(xué)內(nèi)容必須做出相應(yīng)調(diào)整，以適應(yīng)“新工科”建設(shè)的需要。

本文基于華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院的教學(xué)實(shí)踐，分析工科專業(yè)工程圖學(xué)課程體系的教學(xué)現(xiàn)狀，重點(diǎn)探討“新工科”建設(shè)背景下，將三維建模技術(shù)融入本科工程圖學(xué)課程體系對培養(yǎng)一流工程技術(shù)人才的意義，并提出“二維-三維融合”的工程圖學(xué)課程體系建設(shè)方案。

1 工程圖學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀分析

1.1 現(xiàn)行課程體系概況

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院機(jī)械類和農(nóng)業(yè)工程類現(xiàn)行的教學(xué)大綱中工程圖學(xué)課程體系共涉及三門必修課，分別為“工程圖學(xué)”（第一學(xué)期）、“機(jī)械制圖”（第二學(xué)期）和“機(jī)構(gòu)測繪與計(jì)算機(jī)繪圖”（第二學(xué)期）。其中，“工程圖學(xué)”以投影理論為方法，研究工程圖樣的圖示原理、繪圖和讀圖方法，共56學(xué)時(shí)；“機(jī)械制圖”以制圖相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，立足圖形表達(dá)的規(guī)范性，培養(yǎng)機(jī)械圖樣的尺規(guī)表達(dá)、及計(jì)算機(jī)繪圖的基本能力，共40學(xué)時(shí)；“機(jī)構(gòu)測繪與計(jì)算機(jī)繪圖”是一門計(jì)算機(jī)應(yīng)用與圖學(xué)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)類課程，對機(jī)械零部件進(jìn)行拆裝測繪，并利用AutoCAD軟件繪制工程圖樣，共24學(xué)時(shí)。

1.2 現(xiàn)行課程體系存在的問題

1.2.1 畫法幾何部分內(nèi)容偏多

“工程圖學(xué)”要求學(xué)生掌握投影法的基本原理，涵蓋了點(diǎn)線面等畫法幾何內(nèi)容，需16學(xué)時(shí)，占課程總學(xué)時(shí)近三分之一。盡管畫法幾何知識是基本體和組合體視圖表達(dá)的基礎(chǔ)，但其中涉及的兩直線的相對位置，直線與平面、平面與平面的相對位置等問題在機(jī)械工程圖樣中實(shí)際應(yīng)用較少；隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，該類問題在三維建模中均能得到有效解決。因此，“工程圖學(xué)”中有近三分之一的內(nèi)容不適應(yīng)圖學(xué)學(xué)科的發(fā)展。

1.2.2 重視二維平面表達(dá)，輕視三維建模技術(shù)

工程圖學(xué)課程體系涵蓋的必修課共120學(xué)時(shí)，全部為二維平面表達(dá)內(nèi)容，三維建模技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容均為選修課，二維平面表達(dá)被視作制圖識圖能力的關(guān)鍵，三維建模技術(shù)僅被視為提升學(xué)生能力的一種選擇。與此同時(shí)，三維建模技術(shù)已成為工程應(yīng)用的重要方向，包括波音公司在內(nèi)的眾多制造業(yè)企業(yè)在完成了圖紙的電子化后，已將三維建模技術(shù)作為未來設(shè)計(jì)和制造的核心內(nèi)容[9,10]?？梢?，“重二維、輕三維”的課程體系不符合現(xiàn)代工程發(fā)展方向，難以適應(yīng)“新工科”建設(shè)的需要。

1.2.3 學(xué)生空間思維能力不足

二維平面表達(dá)實(shí)質(zhì)是構(gòu)建二維投影與三維實(shí)體的對應(yīng)關(guān)系，但大學(xué)新生尚未形成基本的機(jī)械學(xué)科知識體系，缺乏對機(jī)械零部件的基本認(rèn)知。在教學(xué)實(shí)踐中學(xué)生往往存在空間想象能力不足、空間分析能力有待提高的現(xiàn)實(shí)困難，表現(xiàn)為在制圖時(shí)易缺線漏線，在讀圖時(shí)難以對實(shí)體構(gòu)型。訓(xùn)練與加強(qiáng)學(xué)生的空間想象能力和空間分析能力既是工程圖學(xué)課程體系的重要課程目標(biāo)，也是學(xué)習(xí)難點(diǎn)。

2 將三維建模技術(shù)融入工程圖學(xué)課程體系的意義

2.1 豐富圖學(xué)教學(xué)方法，突破傳統(tǒng)圖學(xué)教學(xué)瓶頸

三維建模軟件具備可視化程度高、易于交互等特點(diǎn)，通過建立各類組合體和機(jī)械零部件的三維模型，可以實(shí)現(xiàn)360°全景視圖及基于結(jié)構(gòu)的多視角觀測，結(jié)合相應(yīng)二維視圖，可以形成直接的二維-三維間對應(yīng)關(guān)系，有助于培養(yǎng)二維-三維間的空間轉(zhuǎn)換能力。對于結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的機(jī)械零部件，通過三維建模技術(shù)中的剖切模型功能，可直接觀測剖切斷面及剖切后的零部件結(jié)構(gòu)，可對照剖視圖及剖切過程詳細(xì)分析剖視圖的原理、方法和要點(diǎn)?？梢?，三維建模技術(shù)是培養(yǎng)二維-三維空間轉(zhuǎn)換能力的有效方法。

2.2 激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)積極性

通過三維建模技術(shù)創(chuàng)建各類組合體和機(jī)械零部件三維模型，幫助學(xué)生突破了學(xué)習(xí)中的障礙和瓶頸，讓二維平面表達(dá)成為探索零件三維結(jié)構(gòu)的成果，在跨越圖學(xué)知識難點(diǎn)的同時(shí)激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，充分利用課外時(shí)間擴(kuò)展建模能力，通過發(fā)散思維培養(yǎng)創(chuàng)新能力，通過樹立學(xué)習(xí)自信心和成就感全面激發(fā)學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性，使圖學(xué)知識的學(xué)習(xí)和應(yīng)用進(jìn)入良性循環(huán)。

2.3 為工科專業(yè)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)

工科專業(yè)涉及的通用和專用機(jī)械裝備門類廣、技術(shù)參數(shù)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在后續(xù)課程學(xué)習(xí)中，學(xué)生會頻繁接觸動(dòng)力機(jī)械、工程機(jī)械、機(jī)床及儀表、食品及農(nóng)業(yè)機(jī)械、汽車等，建立三維模型是幫助學(xué)生快速理解各類機(jī)械裝備工作原理的有效途徑，將三維建模技術(shù)融入圖學(xué)課程體系可用于建立各類機(jī)械零部件模型，對提高后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)效率具有重要意義。

2.4 有助于培養(yǎng)學(xué)生解決工程問題的能力

基于三維建模技術(shù)在現(xiàn)代工程應(yīng)用中的推廣，工程圖學(xué)的教學(xué)也應(yīng)以需求為導(dǎo)向。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，三維建模軟件在優(yōu)化建模功能的同時(shí)，也逐步擴(kuò)展了仿真模塊，通過與數(shù)值計(jì)算軟件搭建接口，三維建模已成為機(jī)械設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)分析的基本環(huán)節(jié)。在圖學(xué)課程體系中掌握三維建模技術(shù)基本操作，在專業(yè)課學(xué)習(xí)中同步應(yīng)用和提高三維建模能力，最大限度培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)解決專業(yè)工程技術(shù)問題的能力。通過工程圖學(xué)課程體系的改革有效打通了專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課間的互聯(lián)通道，為后續(xù)課程更好滿足“新工科”建設(shè)要求提供了保障。

3 “二維-三維融合”的工程圖學(xué)課程體系建設(shè)方案

“二維-三維融合”的工程圖學(xué)課程體系需要結(jié)合本科培養(yǎng)方案分析三維建模技術(shù)與二維平面表達(dá)的支撐關(guān)系，明確圖學(xué)教學(xué)中三維建模技術(shù)的定位，確定工程圖學(xué)課程體系中三維建模技術(shù)擬解決的問題及課時(shí)安排。此外，還需考慮現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施條件，注意條件建設(shè)與課程體系改革的配合。基于此，根據(jù)華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院長期教學(xué)實(shí)踐積累的經(jīng)驗(yàn)，參考借鑒其他工科院校的培養(yǎng)方案，本文提出了一套“二維-三維融合”的工程圖學(xué)課程體系改革建設(shè)方案，如表1所示。

表1 “二維-三維融合”的工程圖學(xué)課程體系及學(xué)時(shí)分配

該方案理順了課程體系中三門課程的定位，其中“工程圖學(xué)”講授制圖規(guī)則、點(diǎn)線面、基本體和組合體等制圖基礎(chǔ)知識，訓(xùn)練二維-三維空間思維能力；“機(jī)械制圖”以常用件、零件圖和裝配圖為主線，訓(xùn)練繪圖和讀圖能力；“計(jì)算機(jī)繪圖實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行二維CAD繪圖和三維建模的訓(xùn)練，綜合運(yùn)用“機(jī)械制圖”中的理論知識和基本方法。該課程體系在實(shí)現(xiàn)二維-三維融合的基礎(chǔ)上，適應(yīng)了“新工科”建設(shè)的要求，提高了學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識解決工程問題的能力。

4 結(jié)束語

“新工科”建設(shè)對圖學(xué)課程教學(xué)提出了更高要求，針對學(xué)生空間思維能力不足等問題，將三維建模技術(shù)納入工程圖學(xué)課程體系可以利用計(jì)算機(jī)技術(shù)突破傳統(tǒng)圖學(xué)教學(xué)瓶頸，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性，為學(xué)生解決工程技術(shù)問題提供技術(shù)支撐，適應(yīng)現(xiàn)代工程應(yīng)用場景，滿足“新工科”建設(shè)需要。提出的工程圖學(xué)課程體系建設(shè)方案實(shí)現(xiàn)了在不增加課程總學(xué)時(shí)的情況下，實(shí)現(xiàn)了“二維-三維融合”，滿足了“新工科”建設(shè)需要，有利于學(xué)生能力提升。