基于三維造型的工程制圖教學改革

陳西府 羅繼權（等）

摘 要： 本文通過研究目前工程制圖課程教學中存在的三個突出問題，對如何將三維造型引入工程制圖的課堂進行了探討，進一步提出了基于三維造型的工程制圖教學改革的四個重點方法，以期能夠為“卓越工程師”的工程制圖教學改革提供有益的幫助。

關鍵詞： 三維造型 工程制圖 教學改革 卓越工程師

一、工程制圖課程教學中存在的突出問題

1.工程制圖課程教學與工程設計需要的制圖技能存在較嚴重的脫節問題。

現行的傳統工程制圖偏重于點、線、面構造形體的教學模式，有利于學生理解和讀懂二維圖形的來龍去脈，卻往往忽視了實體的整體性。工程設計往往從“體”的角度進行技術設計，在制圖技能方面主要依據實體的制造工序進行工程測繪、制圖、標注和設定技術要求等。現行的工程制圖教學內容對體的形成、造型和實體加工等涉及甚少，與工程設計實踐存在比較嚴重的脫節。

2.工程制圖（機械類）課程教學中存在教學要求高而學時短、理論學時多而實踐學時短、課外耗時多而效率不理想等矛盾。

機械制圖是機械行業的技術性文件，被稱為工程界的語言。工程制圖作為機械類必修的專業基礎課程，是后續機械各專業基礎課程和專業課程的前續基礎課程，該課程的教學效果將嚴重影響其他機械專業課程的教學效果。減少課程教學學時是不可逆轉的教學改革趨勢。由于該課程本身具有教學量大、內容抽象復雜、不易被學生接受等特點，現有的學時僅僅能用于理論教學，很難抽出足夠多的學時用于實踐性訓練。該門課程是我國機械類大學生接觸的第一門實踐性很強的專業課程，只有通過大量的訓練才有可能掌握該類課程的基本知識和技能。因此本門課程的課外作業量大（估計是所有理論課程作業量最多的課程之一），消耗了學生大量的課外時間，而效果卻不是很好。

3.工程制圖課程內容抽象、不易被接受。

該門課程需要二維與三維之間相互轉換，對部分空間思維和形象思維較差的學生而言有較大的難度。大部分學生習慣于長期以來形成的數理邏輯思維及學習方法，對幾何圖學所需的形象思維及學習方法感到陌生，并且不大適應。每個班級總有部分學生在課程的后半部分對該門課程產生恐懼、厭學甚至放棄的情況。

二、將三維造型引入工程制圖教學改革的探討

清華大學童秉樞教授對三維造型引入工程制圖教學改革過程中的幾種論調進行了總結對比[1]：（1）有的主張從三維模型入手，直接建立從體到圖的教學體系[2]；（2）有的主張堅持工程圖學教育的基本內容[3]；（3）有的認為工程制圖課程轉移到以三維設計為中心是必然趨勢，但二維工程圖依然必不可少[4]。

本文認為應在教學改革實踐的基礎上，結合應用型本科工程人才培養目標和培養方案，逐步融合式地引入三維建模的方法和技能，在三維造型的教學方面著重介紹三維造型的基本原理（如實體幾何構造法、形體集合運算等）、基本方法、造型過程和實體仿真加工過程。通過對簡單組合體、較復雜零件、裝配體的三維構形與建模演示，促進學生理解體的形成過程、實體加工過程，逐步培養學生的空間思維能力和工程實踐意識。

三、基于三維造型的工程制圖教學改革重點

1.運用“體”的形象弱化“圖”的抽象。

工程制圖中“體”與“圖”存在某種對應關系，傳統的畫法幾何過于注重“圖”的局部（如點、線、面）等，不利于幫助學生建立“體—圖”的整體性對應關系。以致部分學生畫圖和讀圖時拘泥于“線”，難以形成“體”的真實概念。運用三維造型能幫助學生建立“體”的概念，利用“體”的形象加深理解其對應的“圖”。

三維造型是基于特征的實體模型化系統，利用三維造型軟件（如PROE軟件）等能夠提供形象的立體圖形及圖形的形成過程。比如在工程制圖中，截切和相貫的形成過程及形成后的截交線和相貫線非常抽象，不易被學生接受，其二維圖形比較難理解。此時可以利用三維圖學幫助學生理解和掌握這類抽象的立體。圖1為PROE軟件生成的截切立體圖形，圖2為AutoCAD生產的截切平面圖學。對初學者而言，圖2的圖學較為難懂，但通過圖1的形象化之后，就比較容易掌握。

圖1 圓柱體截切的三維圖

圖2 圓柱體截切的二維圖

2.利用“三維造型”過程影響“二維圖形”的形成過程。

利用三維造型對“體”的造型過程演示，可以強化學生對“圖”形成的理解。二維“圖”的繪制、閱讀和尺寸標注的過程與“體”的造型過程存在高度一致，三維造型的過程演示能幫助學生深入理解二維圖形操作的規范步驟。

三維造型軟件畫圖過程是以形體為基本單位操作的，畫圖過程往往反映了形體的形成過程，能幫助學生理解形體分解的過程和形成的過程。

比如利用三維造型軟件繪制組合體，其三維圖形的畫圖步驟能反映出該立體的形成過程。這樣學生就能比較容易地理解立體的形體分解方法，并按照形體分解的步驟作圖。比如圖1中的三維圖形的作圖步驟為：先畫大圓柱體，再畫長方形槽，最后畫圓孔。學生通過三維造型的步驟就能夠掌握該立體的形成過程，也就很容易按照這一過程進行二維圖形的繪制，因而容易掌握工程制圖中的重要作圖方法——形體分析法。

3.將ProE三維模型導入多媒體課件。

結合我校卓越工程師計劃的教學內容改革，在現有多媒體課件的基礎上，引入“體”的三維造型及其仿真加工，加深學生對“體”與“圖”的形成過程的理解，培養學生的工程實踐意識和相應的制圖技能。利用三維造型的形象特點，弱化“圖”的抽象性，培養學生的學習興趣，提高教學效率。嘗試將三維造型用于工程制圖教學中，利用ProE軟件實現三維造型及仿真加工過程，幫助學生理解造型過程和加工過程，提高學生的學習興趣和接受效率，從而大大增強本門課程的教學效果。

4.通過三維造型及其仿真加工實現“體”的加工與“圖”的形成融為一體。

傳統的畫法幾何側重于“體”的幾何特性，忽略了“體”的加工特性。這容易導致學生從純粹立體幾何的角度學習本門課程，忽略了本門課程具有較強的工程實踐性。利用ProE的仿真加工功能模擬生產實踐的加工過程，能幫助學生理解“體”的加工過程，培養學生的工程意識，有利于學生從工程設計的角度理解制圖知識，從加工實踐的角度錘煉制圖技能。

比如在圖1關于圓柱體截切的圖例中，該立體的三維造型過程與工程的實際加工過程相對應，如表1所示。

表1 三維造型與加工工序對應表

從上表可以看出，三維造型與零件的加工工序存在緊密的對應關系，因此，通過應用三維造型軟件能夠幫助學生了解零件的實際加工過程，建立工程概念，增強卓越工程計劃所提出的工程實踐能力，提高綜合知識水平。

四、結語

采用三維造型軟件的三維造型和仿真加工功能，并用于多媒體課件的制作過程中，能幫助學生理解立體的空間形狀和形成過程，了解零件的加工過程和裝配過程，增強教學效果。以上研究是對如何加深學生對工程實踐知識的理解、強化學生工程意識、提高學生工程實踐能力的探索性嘗試。這些研究將會促進理論教學與工程實踐的結合，有利于培養具有綜合知識和綜合能力的“卓越機械工程師”。

參考文獻：

[1]童秉樞，易素君，徐曉慧.工程圖學中引入三維幾何建模的情況綜述與思考[J].工程圖學學報，2005，26（4）：130-135.

[2]陳熾坤，堯燕.現代工程圖學教育中的十大問題[J].第十四屆全國圖學教育研討會暨第六屆制圖CAI課件演示交流會論文集（上冊），2004.

[3]李世深.對工程圖學教育若干熱點問題的冷眼觀察[J].第十四屆全國圖學教育研討會暨第六屆制圖CAI課件演示交流會論文集（上冊），2004.

[4]王飛.以三維設計為中心的圖學課程改革[J].北京郵電大學學報（社會科學版），2004，4：013.