基于CAID的工程制圖教學(xué)改革體系構(gòu)建＊

黨進(jìn)才

（甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741020）

1 CAID的概念與內(nèi)涵

CAID即計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)（Computer-aided Industrial Design），是指以計(jì)算機(jī)硬件、軟件、通訊協(xié)議和互聯(lián)網(wǎng)等為技術(shù)手段，對(duì)信息進(jìn)行離散化表述、掃描、處理、傳遞等的科學(xué)技術(shù)集合[1]。隨著科技發(fā)展和信息時(shí)代的到來，市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品性能、價(jià)格和生產(chǎn)周期的要求更加苛刻，要求產(chǎn)品研發(fā)周期短，品種多樣化、個(gè)性化、趣味化。這些都需要制造企業(yè)具備快速開發(fā)高質(zhì)量產(chǎn)品的能力，在盡可能短的時(shí)間內(nèi)確保產(chǎn)品的準(zhǔn)確性、新穎性、獨(dú)特性，于是CAID應(yīng)運(yùn)而生，CAID以計(jì)算機(jī)技術(shù)和工業(yè)設(shè)計(jì)相結(jié)合所形成的系統(tǒng)為支撐，進(jìn)行工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的各項(xiàng)創(chuàng)造性活動(dòng)。相比于傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計(jì)，CAID在設(shè)計(jì)過程、設(shè)計(jì)質(zhì)量、設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)效率等各方面都產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，它涉及了CAD技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、人工智能技術(shù)、敏捷制造、人機(jī)工程等許多信息技術(shù)領(lǐng)域，是一門綜合的交叉性學(xué)科[2]。現(xiàn)階段CAID技術(shù)發(fā)展主要涵蓋4個(gè)方面。

第一，計(jì)算機(jī)輔助造型技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了特征造型與參數(shù)化、變量化，推動(dòng)了實(shí)體模型向產(chǎn)品模型的轉(zhuǎn)化。主要涉及串通圖形、基本表面與移動(dòng)特征的自由曲面設(shè)計(jì)和滿足工業(yè)設(shè)計(jì)人員手繪習(xí)慣的草圖設(shè)計(jì)。

第二，人機(jī)工程技術(shù)，包括三維人體模型、人體標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)、評(píng)估系統(tǒng)等的應(yīng)用。主要涉及以多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為依托的人機(jī)界面技術(shù)和利用計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)共同實(shí)現(xiàn)的虛擬仿真技術(shù)。

第三，人工智能技術(shù)，主要依賴集成化智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)提供一體化計(jì)算機(jī)支持。包括將設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)想法和知識(shí)表達(dá)與草圖設(shè)計(jì)相結(jié)合的創(chuàng)造性設(shè)計(jì)思維，以及將物體的形狀、造型、色彩及生成原理等抽象成形式化描述的設(shè)計(jì)文法。

第四，CAID中的高新技術(shù)，主要包括將VR技術(shù)融入形狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的VR產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以及涉及面向再生設(shè)計(jì)技術(shù)和面向生命周期評(píng)估等的綠色設(shè)計(jì)[3]。

目前，世界上大型的CAD/CAM/CAE軟件系統(tǒng)包括Pro/Engineer、Solid Works、EDSUnigraphi cs、EUCLID等，都提供了產(chǎn)品前期設(shè)計(jì)的系統(tǒng)模塊，即所謂的工業(yè)設(shè)計(jì)模塊[4]。

2 CAID為工程制圖教學(xué)改革提供新的思路

2.1 思維方式的轉(zhuǎn)變

傳統(tǒng)的工程制圖教學(xué)改革圍繞工程圖識(shí)讀及繪制兩大模塊展開。工程圖識(shí)讀的學(xué)習(xí)著重在掌握工程圖符號(hào)、線型、表達(dá)方式等含義的前提下，通過立體思維和空間想象得出二維圖型所表達(dá)的三維實(shí)體形狀，即由二維圖形轉(zhuǎn)譯為三維空間實(shí)體[5]。工程圖繪制的學(xué)習(xí)則圍繞如何用平面符號(hào)和線條來表達(dá)空間實(shí)體及設(shè)計(jì)思想，如何在二維與三維轉(zhuǎn)換過程中，完整保留幾何信息，并正確使用文字和符號(hào)對(duì)材料、工藝等附加信息進(jìn)行說明。轉(zhuǎn)換過程中信息關(guān)聯(lián)度不高，難于理解，給初學(xué)者造成很大困難。

CAID使用的是一種更貼近現(xiàn)實(shí)，更直觀的設(shè)計(jì)思維模式，以三維建模為基礎(chǔ)，在虛擬化的建設(shè)場(chǎng)景中模擬工業(yè)產(chǎn)品的真實(shí)制造過程，實(shí)現(xiàn)所想、所建與所得的融合統(tǒng)一，幫助設(shè)計(jì)人員避免了二維與三維空間轉(zhuǎn)化時(shí)易出現(xiàn)的偏差和錯(cuò)誤，由電腦代替人腦在三維與二維間進(jìn)行準(zhǔn)確快速轉(zhuǎn)化，回歸設(shè)計(jì)制造本源。

2.2 教學(xué)改革重心的轉(zhuǎn)移

工程制圖以培養(yǎng)學(xué)生的五大核心能力為教改目標(biāo)，具體包括工程圖樣的識(shí)讀能力，工程圖樣的繪制能力，二、三維轉(zhuǎn)換的空間思維能力，三維構(gòu)型與設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力，良好的工程意識(shí)。目前多數(shù)學(xué)校的工程制圖教改都以訓(xùn)練學(xué)生二、三維轉(zhuǎn)換的空間思維能力為重心，在掌握了各種國(guó)標(biāo)規(guī)定和圖示符號(hào)的基礎(chǔ)上，訓(xùn)練學(xué)生由二維圖形特征推導(dǎo)三維實(shí)體形狀的立體思維和空間想象力，難度較高且枯燥乏味，不利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，忽略了本課程的實(shí)質(zhì)，未使學(xué)生在各種工具的幫助下正確理解和表達(dá)設(shè)計(jì)意圖、造型思想，未能激發(fā)創(chuàng)新能力、培養(yǎng)良好的工程意識(shí)。而在CAID提供的虛擬仿真環(huán)境中，學(xué)生可以通過實(shí)例建模掌握各零部件的形狀結(jié)構(gòu)，材料特性，及其在機(jī)械整體中的工作位置、原理、相互關(guān)聯(lián)和約束。從而更直觀地把控整體，體驗(yàn)設(shè)計(jì)與創(chuàng)造的快樂。

隨著CAID成為制造業(yè)的領(lǐng)先技術(shù)，工業(yè)設(shè)計(jì)與制造開啟新模式，與之關(guān)聯(lián)緊密的工程制圖教改也應(yīng)打破陳規(guī)，不再局限于傳統(tǒng)的圍繞幾何投影理論的教改模式，而是充分結(jié)合計(jì)算機(jī)科學(xué)、智能化和工程科學(xué)，使本課程教改最大限度地服務(wù)于學(xué)生未來的實(shí)際工作場(chǎng)景，因此教學(xué)課程改革勢(shì)在必行。

3 基于CAID建模的知識(shí)體系構(gòu)建

以CAID三維建模思想為基礎(chǔ)，在建模過程中融入制圖基礎(chǔ)內(nèi)容的講解，引入其他相關(guān)設(shè)計(jì)類課程內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)課程內(nèi)容的良好銜接，使學(xué)生的學(xué)習(xí)重點(diǎn)從被動(dòng)的二維圖樣繪制和識(shí)讀轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾鲃?chuàng)新設(shè)計(jì)，使工程制圖教改形成三維建模為主，二維為輔，國(guó)標(biāo)規(guī)范為依據(jù)、工程意識(shí)為導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)建模與設(shè)計(jì)實(shí)踐高度融合的教改思路。

3.1 構(gòu)建原則

使設(shè)計(jì)建模過程與人的思維過程保持一致；以Solid Works軟件為平臺(tái)，以三維造型為基礎(chǔ)，以虛擬制造為手段，使三維造型、二維工程圖與機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范，與實(shí)際設(shè)計(jì)場(chǎng)景完美融合，貼近工程實(shí)際；重點(diǎn)突出“體”的地位，弱化“點(diǎn)、線、面”的講解，最大限度壓縮畫法幾何的內(nèi)容；實(shí)現(xiàn)多門課程的交叉融合，在三維建?；A(chǔ)上實(shí)現(xiàn)裝配、材料，運(yùn)動(dòng)仿真，工程管理等信息的集成。

3.2 教學(xué)改革目標(biāo)

新的教改體系將從理論知識(shí)、技術(shù)技能和工程素質(zhì)3個(gè)層面著手，培養(yǎng)學(xué)生的三維建模能力、設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力和綜合知識(shí)應(yīng)用能力，提高學(xué)生任務(wù)執(zhí)行能力和在行業(yè)內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)力，分層教改目標(biāo)如表1所示。

表1 分層教改目標(biāo)

表2 傳統(tǒng)工程制圖教學(xué)內(nèi)容

3.3 教學(xué)改革內(nèi)容

目前大部分高校的工程制圖教學(xué)改革以投影理論為主體，學(xué)分為4～6分，主要教學(xué)內(nèi)容如表2所示?；贑AID的教學(xué)改革體系以三維建模為主，改變二維與三維分離的教學(xué)方式，講授基本的設(shè)計(jì)原理和具體的建模方法，以三維實(shí)體建模為載體，從形體構(gòu)造過渡到圖形表達(dá)，著重培養(yǎng)實(shí)踐與創(chuàng)新意識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)二維工程圖表達(dá)能力的課程體系，如表3所示。新體系的理論教學(xué)環(huán)節(jié)為2學(xué)分，實(shí)踐環(huán)節(jié)2學(xué)分，綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)2學(xué)分，內(nèi)容安排符合學(xué)生的慣性思維，貼近未來的工作要求，便于理解易于接受。通過表2和表3內(nèi)容對(duì)比，可以看出新教學(xué)改革內(nèi)容安排的明顯優(yōu)勢(shì)。

表3 基于CAID的工程制圖教改內(nèi)容

表3（續(xù)）

3．3．1 零件形體認(rèn)識(shí)

剛?cè)雽W(xué)的新生沒有專業(yè)基礎(chǔ)，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)、零件形體、工程圖樣等概念都很陌生，此時(shí)利用二維圖紙教學(xué)，學(xué)生很難通過二維圖形想象三維實(shí)體，在課程開始便會(huì)對(duì)課程產(chǎn)生畏難厭煩情緒，不利于后續(xù)內(nèi)容的開展和工程意識(shí)的建立。從工業(yè)中常見的基本零件，如螺釘、螺栓、齒輪等入手，在CAID提供的Solid Works平臺(tái)上，利用設(shè)計(jì)庫(kù)中的Design Library和Toolbox等工具中分類存放的常用零部件，為學(xué)生展示不同功用類別零件的結(jié)構(gòu)及相互間的異同。并在此基礎(chǔ)上為學(xué)生展示各零件在不同視圖中的形狀，引出基本三視圖中3個(gè)視圖的概念、含義及對(duì)應(yīng)關(guān)系，軸測(cè)圖的概念、作用及使用方法。這些都是基于工業(yè)的基本邏輯，使學(xué)生在了解機(jī)械零件的同時(shí)對(duì)工程圖的基本表達(dá)方式和原理有更深刻的理解。通過軟件設(shè)置操作，展示實(shí)物、三視圖及三維視圖的一一對(duì)應(yīng)，幫助學(xué)生理解不同的三維零件在二維圖中的形態(tài)。

安排少量課時(shí)向?qū)W生闡述常用零部件的功能結(jié)構(gòu)及基本的機(jī)械原理。使學(xué)生的思維不只局限于繪圖或建模技術(shù)，而是向設(shè)計(jì)思維和創(chuàng)造思維發(fā)展。從幾何形狀—功能—關(guān)聯(lián)的層層遞進(jìn)，培養(yǎng)學(xué)生的初級(jí)設(shè)計(jì)思路框架。通過形狀—結(jié)構(gòu)—功能—關(guān)聯(lián)層層遞進(jìn)，幫助學(xué)生建立初級(jí)設(shè)計(jì)思維框架。

3．3．2 考核方式

由于本課程是一門實(shí)踐性和技能性較強(qiáng)的課程，傳統(tǒng)的以末考成績(jī)?yōu)橹饕罁?jù)的考核方式無法真實(shí)反映學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況和實(shí)操水平。因此新的課程設(shè)計(jì)探索了一種過程監(jiān)控和開放式考核相結(jié)合的方式。其中過程監(jiān)控占總成績(jī)60%，內(nèi)容為每周一次限時(shí)小作業(yè)。剩余40%分?jǐn)傇诘?學(xué)期的機(jī)械設(shè)計(jì)工程圖制作以及第3學(xué)期的數(shù)控編程與操作加工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)上，在環(huán)節(jié)安排上促進(jìn)該課程知識(shí)的循環(huán)鞏固。

4 教學(xué)改革效果

在機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)的一年級(jí)和三年級(jí)各選1個(gè)班作為實(shí)驗(yàn)班。統(tǒng)計(jì)一年級(jí)第一學(xué)年的學(xué)習(xí)狀況，可以發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)班的作業(yè)提交比例和作業(yè)質(zhì)量明顯高于普通班。

課程實(shí)訓(xùn)成績(jī)和作品質(zhì)量也高于普通班，以機(jī)械設(shè)計(jì)工程圖制作為例，實(shí)驗(yàn)班的學(xué)生通過CAID平臺(tái)設(shè)計(jì)的作品質(zhì)量更高，耗時(shí)更短，同時(shí)體現(xiàn)出了更多的工程意識(shí)和創(chuàng)新思想。

對(duì)高年級(jí)學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查和訪談，學(xué)生反映在入學(xué)之初學(xué)習(xí)的工程制圖知識(shí)，在后續(xù)課程學(xué)習(xí)中有遺忘現(xiàn)象，影響后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)效果。在不同學(xué)期學(xué)習(xí)的不同專業(yè)課，應(yīng)用時(shí)也存在知識(shí)融合困難，缺乏綜合使用的能力。但通過CAID學(xué)習(xí)將本專業(yè)課程體系進(jìn)行“縱向”整合后，對(duì)機(jī)械制造全過程有了立體的認(rèn)識(shí)，各專業(yè)知識(shí)得到有機(jī)結(jié)合。高年級(jí)同學(xué)在機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、機(jī)電設(shè)備裝調(diào)與維護(hù)及畢業(yè)設(shè)計(jì)中所花時(shí)間大大減少，低級(jí)常識(shí)性錯(cuò)誤率基本為零。對(duì)新教改內(nèi)容和方式更為滿意的人數(shù)占92%。實(shí)習(xí)單位反饋實(shí)驗(yàn)班學(xué)生在讀圖速度、準(zhǔn)確度以及工程意識(shí)和創(chuàng)造性思維能力方面均強(qiáng)于普通班學(xué)生。

5 結(jié)束語

CAID技術(shù)以直觀模型為基礎(chǔ)，弱化了抽象的投影模式，克服了二維圖紙信息量有限、必須輔以良好空間思維、發(fā)生錯(cuò)誤后修改工作量巨大等缺點(diǎn)，提供了一種能對(duì)形體全方位可視化的環(huán)境，同時(shí)保留各部件間的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)。本文提出的基于CAID的工程制圖教改新體系，改變了以畫法幾何為基本核心的傳統(tǒng)教改觀念，更適應(yīng)當(dāng)前信息時(shí)代、智慧時(shí)代的發(fā)展需要，在訓(xùn)練空間思維能力的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程素養(yǎng)，培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的高素質(zhì)技能型人才。