基于無圖板化的工程圖學(xué)課程改革與實踐

徐紹軍　周亮

[摘 要]為適應(yīng)時代發(fā)展的要求，建立基于無圖板化的工程圖學(xué)教學(xué)模式，課題組通過改革教學(xué)體系，將計算機三維設(shè)計和二維繪圖與傳統(tǒng)的工程制圖有機融合，實現(xiàn)“無圖板化”。實踐證明，新的教學(xué)模式能大大提高學(xué)生的動手能力和工程實際的綜合運用能力。

[關(guān)鍵詞]無圖板化;工程圖學(xué);課程改革

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2022）05-0076-03

傳統(tǒng)的加工制造是根據(jù)手工繪制的圖紙來進行的，所以手工尺規(guī)圖板繪圖的質(zhì)量顯得尤為重要。因而，傳統(tǒng)的工程制圖課程非常注重尺規(guī)圖板繪圖的技能訓(xùn)練，要求圖線做到黑、光、亮，學(xué)生不得不花大量的時間來完成作業(yè)，以達到要求。

隨著數(shù)字化時代的到來，三維設(shè)計技術(shù)和制造方式迅速取代了傳統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)與制造方式，成為產(chǎn)品設(shè)計和制造的核心。計算機繪圖以其快速、準確、便于修改和存檔等特點，在實際設(shè)計中已完全取代了手工尺規(guī)繪圖，手工繪制的圖紙已不再是加工制造、技術(shù)交流的技術(shù)文檔。而大部分高校的工程制圖課程仍按原來的標準要求學(xué)生，過分強調(diào)尺規(guī)作圖的質(zhì)量，并且大學(xué)一年級都是用尺規(guī)作圖。當然，這也能達到培養(yǎng)學(xué)生一絲不茍、認真負責的工作作風(fēng)的目的，但現(xiàn)在學(xué)生所學(xué)課程在增加，課時又在減少，花在尺規(guī)作圖上的時間過多，就沒有足夠的時間和精力來掌握新技術(shù)和新手段，以至于后續(xù)有些課程設(shè)計仍在用尺規(guī)作圖。這種繪圖方式效率低，不便于修改，且圖紙不便于存檔，更不符合當前的設(shè)計繪圖模式。該教學(xué)要求已明顯滯后于新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求。因此，探索一種無圖板化的工程圖學(xué)教學(xué)模式，將計算機三維造型和二維繪圖完全融入工程圖學(xué)課程教學(xué)，以引導(dǎo)學(xué)生夯實基礎(chǔ)、了解學(xué)科前沿，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和實際應(yīng)用能力等，已成為工程圖學(xué)教學(xué)中一個具有重要意義的課題。

一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

國外的工程圖學(xué)教育完全沒有尺規(guī)作圖，其教學(xué)目標、教學(xué)方式、教學(xué)安排都始終圍繞著培養(yǎng)和提高學(xué)生的“圖學(xué)能力”“工程實踐能力”“計算機輔助設(shè)計及應(yīng)用能力”來開展。教學(xué)注重與工程實際的聯(lián)系，大小主題都會切入工程實際或引入工程問題。課程非常注重實踐教學(xué)，注重培養(yǎng)學(xué)生解決實際工程問題的能力和動手能力。實踐教學(xué)和課堂教學(xué)緊密結(jié)合，課堂教學(xué)內(nèi)容圍繞實踐教學(xué)項目逐步展開。如美國加州大學(xué)圣迭哥分校工程圖學(xué)和設(shè)計入門課程，其中的一個實驗項目就是時鐘項目實驗[1]。時鐘項目實驗要求學(xué)生運用 AutoCAD 繪制和設(shè)計鐘擺、擺輪、支座及各相關(guān)零件，計算其擺動頻率，并親自操作機床制造除標準件外的各個零件，安裝出時鐘。常州大學(xué)機械工程學(xué)院聘請美國普渡大學(xué)Douglas Acheson教授為過程裝備與控制工程專業(yè)開設(shè)了工程制圖與 CAD雙語課[2]。各教學(xué)要點圍繞形體表達組織安排，而不是離散孤立的存在。實踐課堂以三維形體為主體，注重徒手繪圖和尺寸標注，所有手工作業(yè)都采用草圖繪制，徒手繪圖與計算機繪圖雙管齊下。Acheson教授將畫法幾何和尺規(guī)作圖替換成3D打印內(nèi)容，并增加了一次生產(chǎn)實習(xí)、一次講座?？傊?，國外的圖學(xué)教育注重與工程實際相聯(lián)系，注重與設(shè)計相融合。

國內(nèi)圖學(xué)教育經(jīng)過多年的改革已發(fā)生了很大的改變，各高?；旧隙家肓擞嬎銠C二維繪圖的教學(xué)，清華大學(xué)、北京理工大學(xué)、西安建筑科技大學(xué)等在工程圖學(xué)課程中引入了三維建模的內(nèi)容[3]，有的學(xué)校雖然也單獨開設(shè)了三維CAD教學(xué)課程，但大多沒能融入、貫穿到整個教學(xué)體系中。大部分高校在實踐教學(xué)中，仍然注重尺規(guī)繪圖，徒手繪圖和計算機繪圖占的比例較少，只有少數(shù)幾所學(xué)校在嘗試工程圖學(xué)教學(xué)中實現(xiàn)“甩圖板”工程，其中包括太原科技大學(xué)[4]、沈陽航空航天大學(xué)[5]等。

由于歷史和現(xiàn)實的原因，國內(nèi)外的圖學(xué)教育存在很大差異。我國的課程劃分過細，實踐教學(xué)條件有限。雖然不能完全照搬國外的教學(xué)模式，但我們可以借鑒國外的先進經(jīng)驗，注重教學(xué)與工程實際的聯(lián)系，注重學(xué)生實際應(yīng)用能力的培養(yǎng)。順應(yīng)時代的發(fā)展需要，弱化尺規(guī)作圖，培養(yǎng)學(xué)生徒手繪圖和計算機繪圖的能力。

二、我校機械類工程圖學(xué)實現(xiàn)無圖板化的課程改革

基于無圖板化的工程圖學(xué)課程改革目標就是依托現(xiàn)代設(shè)計方法，以工程設(shè)計為主線，將計算機三維設(shè)計和二維繪圖技術(shù)與傳統(tǒng)的工程制圖有機融合，實現(xiàn)“無圖板化”的繪圖方式，通過課堂教學(xué)、在線課程、翻轉(zhuǎn)課堂、實踐教學(xué)等多途徑的混合型教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力、識圖及圖樣表達能力、徒手繪圖能力、工程實踐應(yīng)用能力、創(chuàng)新設(shè)計能力、計算機輔助設(shè)計及應(yīng)用能力等。借鑒國內(nèi)外的教學(xué)改革經(jīng)驗，中南大學(xué)結(jié)合自身實際情況，對機械類工程圖學(xué)課程進行了一系列的教學(xué)改革。

（一）改革教學(xué)體系，將計算機三維設(shè)計和二維繪圖與傳統(tǒng)的工程制圖有機融合，實現(xiàn)“無圖板化”

三維設(shè)計已成為機械設(shè)計中不可或缺的有效設(shè)計方法，但二維工程圖仍是我國加工制造的主要依據(jù)，徒手繪圖在設(shè)計中也扮演著重要的角色，它可以將自己的設(shè)計意圖迅速表達出來，而在現(xiàn)場測繪中更能體現(xiàn)其優(yōu)越性。所以，要滿足時代發(fā)展的需要，必須轉(zhuǎn)變教育理念，改革教學(xué)體系，做到徒手繪圖、計算機三維設(shè)計和計算機二維工程圖表達三管齊下，實現(xiàn)“無圖板”。新的教學(xué)體系見表1。

改革后，工程圖學(xué)的教學(xué)完全顛覆了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

1.實現(xiàn)了“無圖板化”，真正做到徒手繪圖、計算機三維設(shè)計和計算機二維工程圖表達有機融合。這樣的教學(xué)緊跟時代發(fā)展需要，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和計算機應(yīng)用能力。

2.弱化了畫法幾何的內(nèi)容，圍繞實例或?qū)嶋H零件組織教學(xué)，而不是先花很多的時間孤立地介紹點、線、面的投影，這樣可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。再加上三維設(shè)計的引入，學(xué)生可以利用計算機迅速地進行三維與二維之間的轉(zhuǎn)換，使得制圖的學(xué)習(xí)變得不再困難。

3.強化了零部件測繪和創(chuàng)意構(gòu)型設(shè)計，注重教學(xué)與實際應(yīng)用相聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生的綜合運用能力、創(chuàng)新思維能力。

4.對于某些章節(jié)如標準件與常用件、計算機軟件相關(guān)操作等，利用在線課堂或微課，引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和獲取知識的能力。

（二）充分利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)這一教學(xué)的輔助手段，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力

由于課程總的課時不變，卻增加了計算機三維設(shè)計和計算機二維繪圖的內(nèi)容，教師和學(xué)生都必須充分利用課外的時間，通過利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來完成相關(guān)的教、學(xué)任務(wù)。

教師在課前要精心進行教學(xué)設(shè)計，制作多媒體課件、微視頻（如AutoCAD、SolidWorks軟件的操作及習(xí)題講解），以及采用AR（增強現(xiàn)實）技術(shù)制作三維模型二維碼。通過線上資源推送，學(xué)生可進行在線自學(xué)和預(yù)習(xí)。如：由于時間有限，教師對SolidWorks及AutoCAD軟件只做入門介紹，學(xué)生則根據(jù)教師推送的軟件操作小視頻進行自學(xué)，學(xué)生可以通過反復(fù)觀看視頻來完成相關(guān)的練習(xí)，以彌補軟件操作過程只憑教師在課內(nèi)的講授而容易遺忘的缺陷;學(xué)生也可以充分利用零散時間，隨時觀看教師制作的疑難習(xí)題的講解視頻;學(xué)生還可以通過掃描推送的二維碼，查看360°任意旋轉(zhuǎn)、可放大和縮小的三維模型，以完成課內(nèi)還未完成的草圖繪制、建立二維與三維之間的對應(yīng)關(guān)系。教師在線上發(fā)布作業(yè)，通過在線測試、在線討論了解分析學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，以實時調(diào)整教學(xué)方案。如教師線上發(fā)布要探究的問題，要求學(xué)生通過互聯(lián)網(wǎng)收集生活中因裝配不當而造成事故的案例[6]，下一次課堂中就由學(xué)生代表進行講解，這樣既可讓學(xué)生了解合理裝配的重要性，又能充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

（三）設(shè)置系列課程，實現(xiàn)“無圖板化”的圖學(xué)教育不斷線

中南大學(xué)機械類圖學(xué)教育設(shè)置了三門課程：工程圖學(xué)、機械產(chǎn)品測繪與三維設(shè)計、工程圖學(xué)綜合設(shè)計與創(chuàng)新實踐。

工程圖學(xué)課程為大一新生開設(shè)，主要進行草繪、計算機繪圖的初步訓(xùn)練。在根據(jù)模型草繪其三視圖時，要求學(xué)生保留三等關(guān)系的作圖線，以熟練掌握正投影規(guī)律;掌握AutoCAD常用的繪圖、編輯命令及尺寸的標注;能用SolidWorks軟件構(gòu)建簡單零件的三維模型，并生成工程圖。

機械產(chǎn)品測繪與三維設(shè)計課程為大二學(xué)生開設(shè)，主要是對現(xiàn)有部件（齒輪油泵或減速器）進行測繪和改進設(shè)計（兩個學(xué)生一組），要求繪制所有非標準件的零件草圖，用SolidWorks進行零件的三維造型和虛擬裝配，并生成零件工程圖和裝配工程圖。零件草圖不能有作圖線，但要基本保證三等關(guān)系;由SolidWorks生成的工程圖如不能滿足我國圖樣表達的要求，可用AutoCAD對其進行編輯。

工程圖學(xué)綜合設(shè)計與創(chuàng)新實踐課程是繼機械產(chǎn)品測繪與三維設(shè)計課程后的實踐課程，該課程是按照全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽的主題和要求進行產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的，學(xué)生分組并根據(jù)課題方向進行市場調(diào)查，確定設(shè)計方案，繪制裝配示意草圖和零件草圖，用SolidWorks進行三維設(shè)計并生成工程圖，寫出設(shè)計報告并答辯。

此外，工程圖學(xué)課程通過引導(dǎo)學(xué)生進行組合體和零件的構(gòu)型設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。機械產(chǎn)品測繪與三維設(shè)計課程通過對測繪對象不合理的結(jié)構(gòu)進行改進設(shè)計，訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新技能。工程圖學(xué)綜合設(shè)計與創(chuàng)新實踐課程通過引導(dǎo)學(xué)生進行產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生的綜合運用能力、創(chuàng)新設(shè)計能力和團隊協(xié)作精神。

這三門課程的設(shè)置實現(xiàn)了對學(xué)生徒手繪圖、計算機繪圖能力的培養(yǎng)不斷線，同時也實現(xiàn)了對學(xué)生創(chuàng)新思維→創(chuàng)新技能→創(chuàng)新設(shè)計能力的遞進培養(yǎng)。

三、教改試點

課題組對機械專業(yè)2018級兩個班和2019級兩個班進行了教改試點，問卷調(diào)查顯示：95%的學(xué)生認為，將徒手繪圖、計算機三維設(shè)計和計算機二維工程圖表達有機融合，實現(xiàn) “無圖板化”的工程圖學(xué)教學(xué)模式值得推廣;95%的學(xué)生認為，工程圖學(xué)課程引入SolidWorks三維設(shè)計方法很有必要，能增強空間想象能力，加深對零件的整體認識，提高應(yīng)用能力;88%的學(xué)生認為，通過訓(xùn)練，其徒手繪圖能力和計算機繪圖能力得到了極大的提高;88%的學(xué)生認為，基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的輔助教學(xué)手段，能激發(fā)他們自主學(xué)習(xí)的興趣，通過反復(fù)觀看教學(xué)微視頻，能加深對所學(xué)知識的理解，彌補課堂教學(xué)的不足。

四、結(jié)論

基于無圖板化的工程圖學(xué)課程教學(xué)模式，緊跟時代發(fā)展需要，突破了以二維尺規(guī)繪圖為主的傳統(tǒng)教學(xué)模式。三維設(shè)計方法的引入，可以更好地幫助學(xué)生理解二維與三維的對應(yīng)關(guān)系，提高其空間想象能力;現(xiàn)代設(shè)計方法與傳統(tǒng)工程制圖的有機融合，加強了教學(xué)與工程實際的聯(lián)系;系列課程的設(shè)置，使學(xué)生的徒手繪圖能力、計算機繪圖能力、工程實際的綜合運用能力以及創(chuàng)新能力等得到了遞進式的提升。

[ 參 考 文 獻 ]

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[2] 朱科鈐，劉善淑，丁建寧，等.美國教授圖學(xué)課程短期授課的實踐及啟示[J].圖學(xué)學(xué)報，2015（4）：622-625.

[3] 孫淑艷，雷光明，成彬，等.三維CAD輔助工程制圖教學(xué)的方法[J].圖學(xué)學(xué)報， 2014（3）：464-468.

[4] 薛愛文.工程制圖課程“甩圖板”作業(yè)模式的探討[J].機械管理開發(fā)，2006（2）：153-154.

[5] 李紅雙，孫巖.機類工程制圖實現(xiàn)“甩圖板”的改革與實踐研究[J].科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力，2014（2）：49-50.

[6] 周亮，謝習(xí)華.互聯(lián)網(wǎng)時代工程圖學(xué)教學(xué)模式創(chuàng)新探究[J].大學(xué)教育，2018（1）：47-49.

[責任編輯：劉鳳華]