淺議“工程制圖基礎”的教學內容和方法

朱文博,瞿元賞,崔 怡

(上海理工大學 機械工程學院,上海 200093)

淺議“工程制圖基礎”的教學內容和方法

朱文博,瞿元賞,崔 怡

(上海理工大學 機械工程學院,上海 200093)

針對部分學生空間想象力弱,工程制圖能力差的現狀,提出“工程制圖基礎”課程的教學內容應該從三維實體造型入手,進而講解二維工程圖。培養學生具有使用三維設計軟件進行三維實體建模,并運用三維軟件生成符合國標的二維工程圖的能力,這是現代設計對工程制圖教學提出的必然要求,同時符合人類認識客觀事物的規律。將三維建模和二維工程圖有機地融合在一起,并輔助于翻轉課堂的教學方法和考試考核的多樣化,培養學生的學習興趣,增強學生實際閱讀和繪制工程圖的能力,為后續課程打下堅實的基礎。

工程制圖基礎;三維實體建模;二維工程圖;翻轉課堂;教學內容和方法

掌握工程圖樣的繪制及閱讀是任何一個工程技術人員必須具備的最基本的素質和能力[1]。“工程制圖基礎”課程是培養學生繪制和閱讀機械圖樣的一門技術基礎課程[2],是機械類大一學生必修的學科基礎課,該課程為后續學習機械專業課程,如機械設計、機械結構設計等打下基礎[3]。

一般來說,“工程制圖基礎”課程在大一第一學期開設,側重于講解幾何形體的投影原理和工程圖的表達方法,與該課程緊密相關的后續課程是“機械工程制圖”,進一步講解零件(標準件和非標準件)圖和裝配圖的繪制,在大一第二學期開設。這兩門課程合起來完整地講解機械制圖的繪制與閱讀。

“工程制圖基礎”這門課重在培養學生的空間想象能力,建立三維物體到二維投影圖的映射關系,是學習“機械工程制圖”的基礎,大一第一學期制圖課如果沒有學好,會直接影響第二學期制圖的學習。然而,從目前的教學大綱來看,“工程制圖基礎”課程往往一開始就講授二維投影理論,并且僅僅講授二維工程制圖,不涉及三維實體造型,忽略了人類的認知是從三維向二維過渡的事實,導致一些空間想象能力差的同學無法跟上教學進度,甚至成績不及格。因此,本課程體系需進一步進行改進與完善。

針對部分學生空間想象力弱,工程制圖能力差的現狀,“工程制圖基礎”課程的教學內容應該從三維實體造型入手,進而講解二維工程圖。這種課程設置的思路不僅符合人類的認知規律,而且順應時代發展。

一、“工程制圖基礎”課程的教學目標

計算機技術的發展推動了幾乎所有領域的變革。現代設計要求工程設計人員根據設計構思,運用三維軟件直接建立其三維模型,對三維模型進行結構分析、運動干涉、受力仿真等之后,再由三維模型生成符合國標的二維工程圖進行生產制造[4-5]。因此,從三維建模出發進行工程制圖教學是順應時代發展的必然結果。培養學生具有使用三維設計軟件進行三維實體建模,并運用三維軟件生成工程圖的命令繪制出符合國標的二維工程圖的能力,是現代設計對工程制圖教學提出的必然要求,也是符合人類認識客觀事物的規律,即從三維立體到平面二維圖形的認知。由此,通過本課程的建設,要求學生在知識、能力和素質方面達到更高的目標。

(一)知識

要求學生掌握三維實體建模的基本理論和方法,具有運用三維實體造型軟件進行機械產品三維建模的能力;掌握投影法的基本原理,能正確運用各種線性的表達方法,熟練繪制立體的三視圖投影;熟記國家制圖標準的常用規則;掌握機械圖樣的常見表達方法,包括基本視圖、向視圖、局部視圖、斜視圖、剖視圖、斷面圖、局部放大圖等表達方法,尤其是對各種剖視圖畫法的深入學習,能夠根據幾何形體的結構特征,選擇適當的表達方法,繪制幾何形體的工程圖。

(二)能力

能夠做到給定某個幾何形體三維模型或立體圖,能運用正投影的方法繪制立體的三視圖和剖視圖等;反之,給定物體的工程圖,能夠想象出立體結構,并運用三維軟件進行三維造型;要求學生具有一定空間想象和形象思維能力。

(三)素質

通過學習三維造型軟件以及工程圖的常用表達方法,培養學生具有閱讀工程圖的能力;根據工程圖進行三維實體建模的能力;初步的表達幾何形體的圖示能力,能綜合應用視圖、剖視圖和斷面圖等表達方法來表達物體;為后續的專業課程學習和為產品設計制圖打下基礎。具有良好的設計能力和創新能力是企業所需人才的必要條件之一。

二、“工程制圖基礎”課程的教學內容

從三維實體造型技術出發來改革“工程制圖基礎”課程的教學。

(一)課程教學特點

(1)從三維建模引出二維工程圖的投影,從立體到平面,更符合人類認識客觀事物的規律,使現代設計手段和傳統制圖教學相結合,提高學生的空間想象力。

(2)將三維建模和二維工程圖的繪制有機地結合在一起,使學生更加牢固地掌握工程制圖和計算機繪圖的知識,順應時代的發展,增強實際工作的能力。

(3)用實例進行說明三維軟件如何進行三維建模,如何運用該三維軟件自帶的工程圖工具,生成符合國標規定的二維機械圖樣,提升學生的工程制圖能力。

(二)教學內容

1.三維實體建模

在緒論課(了解課程的性質、任務和學習方法)之后,馬上講解三維實體建模軟件的使用(可采用Solidworks進行教學,該軟件操作簡單易學),大體上分為三個知識點來講解。

(1)三維實體建模的基本方法。所有零件的實體造型都是建立在草圖基礎上,完成草圖的繪制后,利用特征建模方式形成立體。

(2)草圖繪制與編輯的常用命令以及草圖的尺寸約束。講解草圖繪制的基本方法為:確定基準面,在基準面內,使用草圖繪制命令,結合草圖編輯命令繪制草圖,并點擊“智能尺寸”進行尺寸約束,完成二維圖形的繪制。常用的草圖繪制命令包括:直線、圓、圓弧、矩形、橢圓、多邊形、樣條曲線等;常用的草圖編輯命令包括:剪裁實體、鏡向實體、陣列實體等。

(3)建模常用命令。講解拉伸、旋轉、掃描、放樣等三維實體建模常用命令,從簡單到復雜,用實例來演練,要求學生能夠進行普通的機械產品三維實體造型。首先讓學生學會三維實體建模是“工程制圖基礎”課程教改的特色,也是三維向二維過渡的前提條件,在學習二維工程圖的過程中,不斷畫出三維模型以便協助二維工程圖的繪制。

2.工程圖投影理論

本節的核心知識是二維三視圖的生成。由于學生學會了三維建模,由三維向二維轉變,符合認識客觀事物的規律,尤其適合空間想象能力弱的同學,在學習二維三視圖的過程中,可以不斷的繪制三維模型幫助空間想象和形體分析。

本節分為四個知識點進行講解。

(1)投影體系的建立。講解投影法及其分類,以及三投影體系的建立。

(2)立體三視圖的形成原理。講解點、線、面、體在三投影體系下生成主視圖、俯視圖和左視圖;在講解平面與立體相交,以及兩立體表面產生的交線時,不斷使用三維軟件進行講解,讓學生直觀的看到在三維模型軟件中,立體的截交線和相貫線是什么樣子的,進行投影后繪制二維工程圖又是什么樣子的。

(3)工程制圖的基本規定。講解國標對圖紙幅面、圖框、標題欄、比例、字體、圖線、尺寸標注等的規定,為繪制符合國標的零件圖和裝配圖打下基礎。

(4)由三維模型直接生成三視圖。用實例講解,使學生學會由三維模型生成三視圖的方法,同時要求學生能夠根據已知的三視圖來繪制三維模型。通過三維到二維,二維到三維的反復演練,提高學生的形象思維和空間想象能力。二維和三維的有機結合是“工程制圖基礎”課程教改的核心任務,有助于培養學生的學習興趣,提高學習成績。

3.工程圖表達方法

零件圖和裝配圖通常不是采用三視圖進行表達的,因此需要學習工程圖的各種表達方法。

(1)視圖。講解六個基本視圖、向視圖、局部視圖、斜視圖等表達方法。

(2)剖視圖。該方法是繪制零件圖和裝配圖時使用最多的表達方法,需花較多課時重點講解。詳細介紹剖視圖的概念和種類,全剖視圖、半剖視圖、局部剖視圖的生成、規定畫法和標注方法;單一剖、旋轉剖、階梯剖和復合剖等剖切方法。

(3)斷面圖的概念、種類、規定畫法和標注方法等。

(4)其他常用的表達方法。如局部放大圖、斷開畫法、簡化畫法、均布畫法、對稱畫法等。

(5)由三維模型生成工程圖。用實例講解在三維軟件中使用軟件自帶的工程圖工具菜單,由三維模型生成符合國標,并且采用適當表達方法繪制的二維工程圖。要求學生熟練操作三維軟件,學會使用生成各種工程圖的功能,并且運用視圖、剖視圖和斷面圖等表達方法,繪制符合國標規定的二維機械圖樣。同時,要求學生能夠看懂符合國標規定的、采用適當表達方法繪制的二維工程圖,根據給定的工程圖能夠進行三維實體建模。運用三維軟件進行實體建模并繪制二維工程圖是“工程制圖基礎”課程教改的最終目標,為后續課程打下堅實的基礎。

三、“工程制圖基礎”課程的教學方法和手段

從三維實體建模入手,進而講解二維工程圖的教學方法。一切為了學生:為了學生知識的掌握,為了學生的發展,為了學生創新能力的培養。在此教學理念指導下,所開展的教學活動不僅僅是把課程內容講清楚、講生動,更重要的是從學生能力培養出發,設計教學方法、完善教學內容、指導課程考核、啟發創新思想。本課程教學方法和手段的創新點主要在于采用翻轉課堂模式,以及考試考核方式的改革。

(一)翻轉課堂的教學方法

教學方法主要采用翻轉課堂模式,盡量讓學生多參與,使課堂教學以教師講課為主,變為以學生主動討論、講解、提問為核心。翻轉課堂教學模式的主動引導權在于教師,教師需規劃哪些授課內容可以交給學生預先自學,在學生自學的基礎上,才能在教師的引導下開展課堂討論。例如三維建模中部分命令,圖幅、比例等工程制圖規范,各種表達方法的綜合應用等知識點,教師事先規劃好,將這些容易理解或容易講解的知識點,至少提前一周布置給學生預習,要求學生看懂課本知識和教師制作的課件,書寫預習筆記、嘗試完成習題、制作學生自己的課件等,上課時由學生來講解,學生互相討論,教師答疑。

習題課和討論課完全采用翻轉課堂模式進行。對于習題課,要求學生課前做好習題,上課時由學生來組織講解習題答案,分析他人習題中的錯誤,教師輔助指導和點評。對于討論課,由教師和學生共同制定討論題目,由學生組織討論問題和回答問題,教師輔助參與。在習題課和討論課上,講解者使用“點陣數碼筆”實時在線討論過程,將紙上的書寫實時投影在電腦屏幕中,無論和哪位同學在交流討論,都能讓其他學生看到,有效組織教學,使全班同學都主動參與,提升學生學習制圖課程的積極性,以達到良好的學習效果。

(二)考試考核方式的改革

考試考核方式做到形式多樣化,除了傳統的筆試、電腦繪圖,還可要求學生制作課件、出考試題目,讓學生來“考查”老師,以證明學生掌握知識的程度。成績的評定由五部分構成:

(1)期末筆試占最終成績的50%;

(2)學生制作課件占最終成績的10%,一共規定10個主題,每位學生必須選擇一個主題制作課件,根據學生制作課件的優劣來打分;

(3)學生出考試題目占最終成績的20%,所有的知識點講授完成后,要求每個學生出10道題目,如果某一學生所出的題目中有1道題目被老師在期末考試題目中選用,則該學生此項成績為滿分,否則酌情給分;

(4)期中閉卷筆試占最終成績的10%;

(5)平時作業、出勤、習題課和討論課的參與度,反映平時學習本課程的基本情況,占最終成績的10%。

四、“工程制圖基礎”課程教改結果分析

“工程制圖基礎”課程的教改方案在2015年入學的學生中試點兩個班,教學內容按照本文第三部分“‘工程制圖基礎’課程的教學方法和手段”中所述,從講解三維建模到二維工程圖,在教學的過程中運用翻轉課堂,并且改革了考試考核方式。將試點班與普通班(按照原有教學計劃,僅講授二維工程制圖,考試形式為筆試占70%,平時成績占30%)從教學效果和成績兩方面進行對比,結果如下。

(一)教學效果分析

上海理工大學“工程制圖基礎”課程共48學時,對于試點班,學時分配為:三維建模12學時,工程圖投影理論18學時,工程圖表達方法18學時,其中運用翻轉課堂教學共18學時(講解三維建模命令、制圖國家標準、形體分析法閱讀組合體三視圖、以及組合體表達方法綜合應用10學時,習題課和討論課共8學時)。對于普通班,學時分配為:畫法幾何部分16學時,工程圖投影理論20學時,工程圖表達方法12學時。在課程結束前兩周讓試點班學生和普通班學生做無記名問卷調查進行教學效果分析,如表1所示。

表1 教學效果分析表

從表1中可以看出,試點班的學生對于各項指標的認同度均高于普通班,說明教改取得了良好教學效果。

(二) 考試結果分析

試點班的考試方式如第三部分第二節“考試考核方式的改革”中所述,由五部分構成;普通班的考試方式由兩部分構成,即期末考試成績和平時成績。期末考試為筆試,筆試題目的類型主要包括三視圖和剖視圖,筆試的成績占最終成績的70%,平時成績主要包括平時測驗成績、作業和出勤,占30%。試點班和普通班成績的對比如表2所示,試點班的成績總體高于普通班。

表2 試點班和普通班成績對比表

五、結束語

近十幾年來,講授制圖課程的教師們一直在不斷地探索“工程制圖基礎”課程的教學改革。從三維實體造型入手,進而講解二維工程圖,這種教學內容的安排不僅符合人類的認知規律,而且順應時代發展。將三維建模和二維工程圖有機的融合在一起,教學內容更加形象直觀,培養學生的空間想象能力和學習興趣,并輔助于翻轉課堂的教學方法和考試考核的多樣化,增大了課堂知識容量,增加了學生學習制圖的興趣,增強了學生實際閱讀和繪制工程圖的能力,為后續課程打下堅實的基礎。

[1]余明浪.“工程制圖”教學改革的反思和探索[J].工程圖學學報,2009,30(5):157-162.

[2]劉平.工程制圖課程創新教育的改革與探討[J].中國高教研究,2008(7):91-92.

[3]林大鈞.工程制圖歷史演變現狀改革和未來發展的研究[J].圖學學報,2012,33(4):136-139.

[4]朱文博.三維建模及工程制圖[M].武漢:華中科技大學出版社,2014.

[5]吳狄.工程制圖與CAD課程教學改革必要性的探討[J].沈陽工程學院學報(社會科學版),2010,6(2):265-267.

(編輯: 鞏紅曉)

On the Teaching Content and Methods of“Fundamentals of Engineering Drawing”

Zhu Wenbo,Qu Yuanshang,Cui Yi

(SchoolofMechanicalEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)

Since some students’ spatial imagination is weak and the ability of engineering drawing is poor,this paper proposes the teaching content of“Fundamentals of Engineering Drawing”should start from three-dimensional solid modeling,and then explains the two-dimensional drawings.Students should have the ability to do three-dimensional solid modeling and generate two-dimensional engineering drawings which meet the national standard with the three-dimensional design software,which is a necessary requirement of modern design for the engineering drawing teaching,and which meanwhile conforms to the laws of human understanding.It is proposed that we should combine the three-dimensional modeling with two-dimensional engineering drawings,and make use of the flipped class teaching method and diversified test means to cultivate the students’ interest in learning,enhance students’ the ability of reading and drawing engineering drawings,and lay a solid foundation for subsequent courses.

fundamentalsofengineeringdrawing;three-dimensionalsolidmodeling;two-dimensionalengineeringdrawings;flippedclass;teachingcontentandmethods

2015-10-12

2015年度上海市教委重點課程建設項目(滬教委高[2015]37號)

朱文博(1973-),女,副教授。研究方向： 數字化設計及制造。E-mail:teacherzwb@163.com

G 642.3

A

1009-895X(2017)01-0069-05

10.13256/j.cnki.jusst.sse.2017.01.013