基于數(shù)字化設(shè)計的現(xiàn)代工程圖學(xué)教學(xué)模式研究

賀春山，劉曉杰，李慶華

(1.長春大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，長春 130022;2.吉林大學(xué) 生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，長春 130012)

基于數(shù)字化設(shè)計的現(xiàn)代工程圖學(xué)教學(xué)模式研究

賀春山1，2，劉曉杰1，李慶華1

(1.長春大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，長春 130022;2.吉林大學(xué) 生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，長春 130012)

本文分析了制造業(yè)的技術(shù)發(fā)展對工程圖學(xué)教育的要求，指出了圖學(xué)教學(xué)改革的方向。對傳統(tǒng)工程制圖與三維設(shè)計要求下的工程圖學(xué)之間的區(qū)別做了深入分析，明確了數(shù)字化工程圖學(xué)的基本定位與內(nèi)涵，規(guī)劃出新圖學(xué)教育的模式和基本內(nèi)容體系框架。對教學(xué)改革中傳統(tǒng)內(nèi)容與現(xiàn)代內(nèi)容的銜接、協(xié)調(diào)、融合等方面的一些問題進(jìn)行了初步研討，并提出相應(yīng)解決方案。

工程圖學(xué);教學(xué)改革;三維設(shè)計;數(shù)字化

工程圖學(xué)是一門與生產(chǎn)實(shí)踐緊密結(jié)合的課程，它的發(fā)展也必然隨著生產(chǎn)實(shí)踐的發(fā)展而發(fā)展。而制造業(yè)不斷的信息化、集成化，必然要求工程圖的信息化、數(shù)字化。從實(shí)際應(yīng)用來看，三維參數(shù)化是工程圖數(shù)字化的基礎(chǔ)。因此，筆者認(rèn)為，基于三維數(shù)字化設(shè)計的現(xiàn)代工程圖學(xué)必然是以產(chǎn)品設(shè)計為導(dǎo)向，以三維設(shè)計造型為基礎(chǔ)的，注重實(shí)踐技能的技術(shù)基礎(chǔ)課程。

1 數(shù)字化是現(xiàn)代工程圖的基本特征

工程圖的信息化不僅是把圖樣“畫”到計算機(jī)里，而且是把圖形的數(shù)據(jù)信息，以合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲到計算機(jī)里，并且能夠?yàn)楦鞣N工程應(yīng)用提供模型基礎(chǔ)。制造業(yè)的信息化、數(shù)字化給現(xiàn)代工程圖學(xué)帶來了新的特征:工程圖學(xué)、設(shè)計學(xué)、計算機(jī)圖形學(xué)逐步融為一體，用計算機(jī)三維實(shí)體造型來表達(dá)設(shè)計思維，用幾何數(shù)據(jù)庫傳遞設(shè)計信息，同時要求必要的草圖繪制能力。可以認(rèn)為，設(shè)計制圖的基礎(chǔ)是以合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建立3D數(shù)字幾何數(shù)據(jù)庫，將構(gòu)思設(shè)計、立體造型、設(shè)計分析、虛擬樣機(jī)制造、裝配檢驗(yàn)、繪圖工程圖、編制生產(chǎn)文件等全過程均由數(shù)據(jù)信息并行傳遞工程師在設(shè)計產(chǎn)品時的原始沖動是三維的，是有顏色、形狀、大小、位置、材料、運(yùn)動關(guān)系、制造工藝等等具有幾何或者其他數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的實(shí)際物體。同時，一項(xiàng)產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)，不但要建立產(chǎn)品的幾何模型，還要有結(jié)構(gòu)力學(xué)分析、運(yùn)動機(jī)構(gòu)分析、仿真或者振動分析，以及生成工藝規(guī)程文件、數(shù)控加工、成品檢驗(yàn)等設(shè)計/制造一體化工作。傳統(tǒng)的二維設(shè)計，不管是在圖紙上，還是在計算機(jī)上，由于原始數(shù)據(jù)的不完整，很難完成這些工作。而三維參數(shù)化設(shè)計既可以把設(shè)計者的原始設(shè)計想法變成實(shí)體，實(shí)現(xiàn)設(shè)計的實(shí)體化、可視化，也包含完整的原始設(shè)計數(shù)據(jù)。三維的設(shè)計結(jié)果，不僅有參數(shù)化的幾何特征，還有相關(guān)聯(lián)的工藝、運(yùn)動等其他技術(shù)信息，可以支持產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)的全過程。在參數(shù)化的三維實(shí)體完成之后，設(shè)計人員可以利用計算機(jī)軟件的二維/三維關(guān)聯(lián)功能，直接生成二維工程圖。而更加重要的是，三維幾何模型可直接用于很多計算機(jī)輔助工程(CAE)，以解決產(chǎn)品的力學(xué)性能分析以及結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計等問題;利用其工藝信息，可以實(shí)現(xiàn)與產(chǎn)品的工藝規(guī)程生成(CAPP)、數(shù)控加工(NC)程序的數(shù)據(jù)共享和集成。可以說，這樣的過程，正是產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)的數(shù)字化過程。

與二維設(shè)計不同，三維參數(shù)化設(shè)計是一種完全數(shù)字化、信息化的設(shè)計，它使整個設(shè)計生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高度一致性，并極大地提高了設(shè)計效率，并為產(chǎn)品項(xiàng)目管理、生產(chǎn)過程管理、銷售、財物等等的企業(yè)資源管理(ERP)提供了基本的原始數(shù)據(jù)，見圖1。

圖1 參數(shù)化的三維CAD數(shù)據(jù)的作用

可以說，數(shù)字化生產(chǎn)要求工程圖的數(shù)字化，這也必然要求工程圖的底層模型的數(shù)字化，其必然結(jié)果就是設(shè)計出參數(shù)化的三維幾何模型。而設(shè)計生產(chǎn)的全過程就可以根植于參數(shù)化三維實(shí)體，進(jìn)而完成其他所有可能的應(yīng)用，包括產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能分析(如運(yùn)動分析、力學(xué)分析、可靠性分析等等)、數(shù)字化樣機(jī)模擬、加工檢測及相應(yīng)的工程文件、產(chǎn)品發(fā)布和銷售、使用、培訓(xùn)的技術(shù)資料、產(chǎn)品研發(fā)的項(xiàng)目管理、產(chǎn)品生產(chǎn)制造的成本分析及財務(wù)數(shù)據(jù)提供等等。

基于上述分析，現(xiàn)代工程圖學(xué)應(yīng)該將以二維設(shè)計為主的教學(xué)模式，轉(zhuǎn)換為以三維參數(shù)化設(shè)計為出發(fā)點(diǎn)，兼顧投影理論和二維圖樣表達(dá)方法的，與現(xiàn)代生產(chǎn)實(shí)踐的數(shù)字化相適應(yīng)的教學(xué)模式。

2 數(shù)字化工程圖學(xué)要求的教學(xué)模式

由于制造業(yè)的數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化的不斷發(fā)展，必然要求現(xiàn)代工程圖學(xué)調(diào)整自己的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)手段，進(jìn)而形成繼承傳統(tǒng)，又有創(chuàng)新的現(xiàn)代工程圖學(xué)教學(xué)新模式。如果說將計算機(jī)二維工程圖的教學(xué)融入工程圖學(xué)教育是一種教學(xué)改革的話，那么，將參數(shù)化三維設(shè)計的理念和工具融入工程圖學(xué)教學(xué)，就是一種革命。

2.1 數(shù)字化工程圖學(xué)教學(xué)目標(biāo)

數(shù)字化的工程圖學(xué)要求的教學(xué)模式應(yīng)該達(dá)成如下目標(biāo)。

①培養(yǎng)使用繪圖軟件進(jìn)行參數(shù)化的三維幾何特征造型及簡單裝配的能力;

②培養(yǎng)對空間形體的形象思維能力和表達(dá)能力，掌握基本的構(gòu)型方法;

③由三維模型繪制二維工程圖樣，并掌握二維工程圖的表達(dá)方法;

④初步掌握現(xiàn)代工程設(shè)計理念和工程設(shè)計的基本常識，培養(yǎng)基本的工程意識和素質(zhì)。

2.2 數(shù)字化工程圖學(xué)的教學(xué)體系構(gòu)建原則

課程體系與設(shè)計過程保持一致;以優(yōu)秀的三維設(shè)計軟件為工具，以產(chǎn)品設(shè)計為主線，從三維參數(shù)化實(shí)體模型出發(fā)，按照從三維到二維的設(shè)計思維來構(gòu)建課程，將三維建模，二維工程圖表達(dá)以及機(jī)械制圖知識融為一體;盡量弱化在工程制圖中不可見的畫法幾何的內(nèi)容，其難點(diǎn)盡量不涉及。

圖2 三維設(shè)計中的相貫線自動生成

對于學(xué)生來說，畫法幾何的難點(diǎn)是截交線、相貫線。而這些交線在三維設(shè)計中都是自動生成的，不需要特意關(guān)注，見圖2;在傳統(tǒng)的工程圖中，相貫線(過渡線)也是采用近似畫法的。所以，這部分弱化或者略講，并不影響工程圖學(xué)的教學(xué)結(jié)果，也不影響未來的工程師們的實(shí)際工作。

2.3 數(shù)字化工程圖學(xué)的教學(xué)體系及模式

包括三個環(huán)節(jié):正課、輔導(dǎo)制圖課、上機(jī)實(shí)驗(yàn)課。

正課是主要的教學(xué)內(nèi)容，由教師主導(dǎo)完成，是實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)。應(yīng)該包含畫法幾何的基本知識和機(jī)械制圖的大部分內(nèi)容如:制圖基本知識、正投影法及點(diǎn)線面體的投影、換面法等、組合體三視圖、表達(dá)法、構(gòu)型法、軸測圖、標(biāo)準(zhǔn)件及零件圖、裝配圖;還應(yīng)該包含計算機(jī)二維繪圖(AutoCAD，要求自學(xué))、三維設(shè)計軟件的建模和裝配(Inventor)。這些內(nèi)容應(yīng)該融合在一起，工具軟件和課程應(yīng)用要有機(jī)的結(jié)合。比如組合體與構(gòu)型法就應(yīng)該放在一起講;零件圖和表達(dá)法應(yīng)該在三維造型之后講，并且表達(dá)法應(yīng)該放在零件圖里;而零件圖和三維建模、表達(dá)法等也要做結(jié)合，并通過上機(jī)實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行簡單的產(chǎn)品設(shè)計。

輔導(dǎo)制圖課，包括答疑，習(xí)題講解、和尺規(guī)、徒手繪圖。從傳統(tǒng)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)上看，在點(diǎn)線面體的三面正投影中，線、面、體的投影性質(zhì)和空間分析均應(yīng)安排習(xí)題課，組合體部分也應(yīng)該安排適量的習(xí)題講解。而制圖基本知識、組合體、軸測圖、標(biāo)準(zhǔn)件、零件圖、裝配圖部分均應(yīng)有尺規(guī)繪圖，并且應(yīng)該安排一次徒手繪圖課。有實(shí)物模型的也可以安排積木教學(xué)討論課。

尺規(guī)制圖和徒手圖是培養(yǎng)學(xué)生工程意識和工程能力的重要手段，在現(xiàn)階段不宜取消，而要有適量的和適度的要求。

表1 數(shù)字化工程圖學(xué)的教學(xué)體系框架

上機(jī)實(shí)驗(yàn)課，包括二維繪圖和三維造型及工程圖。鑒于目前國內(nèi)的AutoCAD應(yīng)用非常普遍，應(yīng)適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)該軟件。課程中應(yīng)該主要以三維設(shè)計軟件為主，并且以草圖約束、三維建模方法、裝配表達(dá)、二維工程圖生成及表達(dá)為重點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置上應(yīng)該考慮以產(chǎn)品設(shè)計為線索，可以安排簡單的產(chǎn)品設(shè)計綜合題目，如擺鐘設(shè)計、自動鉛筆刀設(shè)計、小臺鉗設(shè)計等。

4 結(jié)語

在計算機(jī)三維技術(shù)的支持下，工程領(lǐng)域尤其是制造業(yè)已經(jīng)發(fā)生了深刻的變革，在這種情況下，工程圖學(xué)的教學(xué)內(nèi)容必須有所揚(yáng)棄，教學(xué)模式也應(yīng)深入改革。繼承傳統(tǒng)，引入前沿知識和技術(shù)是必然的選擇。以三維設(shè)計為核心的，數(shù)字化的工程圖學(xué)教學(xué)與以往的以二維工程圖為主的教學(xué)模式有很大區(qū)別，必須采用適應(yīng)制造業(yè)發(fā)展的教學(xué)方法和手段。而引入三維設(shè)計軟件作為課程工具則是工程圖學(xué)課程不能回避的唯一出路。

［1］ 竇忠強(qiáng)，等.高校的CAD教學(xué)應(yīng)從三維開始［J］.工程圖學(xué)學(xué)報，2001(4):112－105.

［2］ 陳錦昌.本科工程圖學(xué)課程基本要求的修改［J］.工程圖學(xué)學(xué)報，2004(3):101－105.

［3］ 童秉樞，易素君，徐曉慧.工程圖學(xué)中引入三維幾何建模的情況綜述與思考［J］.工程圖學(xué)學(xué)報，2004(4):130－137.

［4］ 馮娟.美國高校工程圖學(xué)教育特色分析［J］.工程圖學(xué)學(xué)報，2008(3):139－144.

Research on Course System of Engineering Graphics Based on Digital Design

HE Chun-shan1，2，LIU Xiao-jie1，LI Qing-hua1
(1.College of Mechanical Engineering，Changchun University，Changchun 130022，China;2.College of Biological and Agricultural Engineering，Jilin University，Changchun 130012，China)

This paper analyzes the requirements of manufacturing technology for the development of education in engineering graphics，pointing out the reform direction of graphics teaching.By analyzing the differences between the traditional engineering drawing and graphics under the request of the 3-dimensional design，it makes clear the orientation and the basic connotation of digital engineering graphics，and plans a system framework of mode and basic contents of modern graphics education.In the teaching reform，the connection，coordination and integration between traditional content and modern content are discussed and the solutions are given.

engineering graphics;teaching reform;3-dimension design;digitization

G420

A

1009－3907(2011)12－0104－03

2011-03-19

長春大學(xué)教研基金項(xiàng)目(XJZD10-02)

賀春山(1969-)，男，吉林長春人，講師，博士研究生，主要從事數(shù)字化機(jī)械設(shè)計方面研究;

劉曉杰(1956-)，男，吉林長春人，教授，主要從事數(shù)字化機(jī)械設(shè)計方面研究;

李慶華(1968-)，男，吉林蛟河人，副教授，博士，主要從事數(shù)字化設(shè)計制造研究。

責(zé)任編輯:劉 琳