“新工科”背景下工程圖學“二維-三維融合”課程體系探究＊

杜 俊 ， 王巧華 ， 夏俊芳 ， 趙純清 ， 任奕林

（華中農(nóng)業(yè)大學工學院，湖北 武漢 430070）

0 引言

為深化工程教育改革，2017年教育部頒布了“關于開展新工科研究與實踐的通知”，提出要全面探索能引領世界的工程教育[1-2]。“新工科”建設要求用新理念、新結構、新模式、新質量、新體系開展工程教育改革，因此“新工科”的提出與建設對高校工科專業(yè)課程教學內(nèi)容改革提出了新要求[3-5]。

工程圖學相關課程是普通高校工科專業(yè)重要的專業(yè)基礎課，主要研究工程圖樣表達與技術交流。在國家標準《學科分類與代碼》中，工程圖學為“工程與技術科學基礎學科”下的二級學科[6]。隨著計算機技術及工程技術的發(fā)展，工程圖學的成圖介質由紙質圖紙變?yōu)橛嬎銠C圖形顯示，且表達內(nèi)容從二維平面表達向三維建模發(fā)展。國家工程圖學課程指導委員會已將“應用繪圖軟件繪制工程圖樣及進行三維造型設計的能力”設置為該課程一項重要的教學任務[7]。同時，面向全生命周期的三維數(shù)字化產(chǎn)品設計、3D打印、基于圖像的建模已日趨成為工程應用的新方向[8]。“新工科”建設要求工程教育教學內(nèi)容要適應市場和產(chǎn)業(yè)的需求，培養(yǎng)多元化的人才。因此，工程圖學課程體系的教學內(nèi)容必須做出相應調(diào)整，以適應“新工科”建設的需要。

本文基于華中農(nóng)業(yè)大學工學院的教學實踐，分析工科專業(yè)工程圖學課程體系的教學現(xiàn)狀，重點探討“新工科”建設背景下，將三維建模技術融入本科工程圖學課程體系對培養(yǎng)一流工程技術人才的意義，并提出“二維-三維融合”的工程圖學課程體系建設方案。

1 工程圖學教學現(xiàn)狀分析

1.1 現(xiàn)行課程體系概況

華中農(nóng)業(yè)大學工學院機械類和農(nóng)業(yè)工程類現(xiàn)行的教學大綱中工程圖學課程體系共涉及三門必修課，分別為“工程圖學”（第一學期）、“機械制圖”（第二學期）和“機構測繪與計算機繪圖”（第二學期）。其中，“工程圖學”以投影理論為方法，研究工程圖樣的圖示原理、繪圖和讀圖方法，共56學時；“機械制圖”以制圖相關國家標準為基礎，立足圖形表達的規(guī)范性，培養(yǎng)機械圖樣的尺規(guī)表達、及計算機繪圖的基本能力，共40學時；“機構測繪與計算機繪圖”是一門計算機應用與圖學相結合的實驗類課程，對機械零部件進行拆裝測繪，并利用AutoCAD軟件繪制工程圖樣，共24學時。

1.2 現(xiàn)行課程體系存在的問題

1.2.1 畫法幾何部分內(nèi)容偏多

“工程圖學”要求學生掌握投影法的基本原理，涵蓋了點線面等畫法幾何內(nèi)容，需16學時，占課程總學時近三分之一。盡管畫法幾何知識是基本體和組合體視圖表達的基礎，但其中涉及的兩直線的相對位置，直線與平面、平面與平面的相對位置等問題在機械工程圖樣中實際應用較少；隨著計算機技術的發(fā)展，該類問題在三維建模中均能得到有效解決。因此，“工程圖學”中有近三分之一的內(nèi)容不適應圖學學科的發(fā)展。

1.2.2 重視二維平面表達，輕視三維建模技術

工程圖學課程體系涵蓋的必修課共120學時，全部為二維平面表達內(nèi)容，三維建模技術的相關內(nèi)容均為選修課，二維平面表達被視作制圖識圖能力的關鍵，三維建模技術僅被視為提升學生能力的一種選擇。與此同時，三維建模技術已成為工程應用的重要方向，包括波音公司在內(nèi)的眾多制造業(yè)企業(yè)在完成了圖紙的電子化后，已將三維建模技術作為未來設計和制造的核心內(nèi)容[9,10]。可見，“重二維、輕三維”的課程體系不符合現(xiàn)代工程發(fā)展方向，難以適應“新工科”建設的需要。

1.2.3 學生空間思維能力不足

二維平面表達實質是構建二維投影與三維實體的對應關系，但大學新生尚未形成基本的機械學科知識體系，缺乏對機械零部件的基本認知。在教學實踐中學生往往存在空間想象能力不足、空間分析能力有待提高的現(xiàn)實困難，表現(xiàn)為在制圖時易缺線漏線，在讀圖時難以對實體構型。訓練與加強學生的空間想象能力和空間分析能力既是工程圖學課程體系的重要課程目標，也是學習難點。

2 將三維建模技術融入工程圖學課程體系的意義

2.1 豐富圖學教學方法，突破傳統(tǒng)圖學教學瓶頸

三維建模軟件具備可視化程度高、易于交互等特點，通過建立各類組合體和機械零部件的三維模型，可以實現(xiàn)360°全景視圖及基于結構的多視角觀測，結合相應二維視圖，可以形成直接的二維-三維間對應關系，有助于培養(yǎng)二維-三維間的空間轉換能力。對于結構十分復雜的機械零部件，通過三維建模技術中的剖切模型功能，可直接觀測剖切斷面及剖切后的零部件結構，可對照剖視圖及剖切過程詳細分析剖視圖的原理、方法和要點。可見，三維建模技術是培養(yǎng)二維-三維空間轉換能力的有效方法。

2.2 激發(fā)學生的學習興趣，提高學習積極性

通過三維建模技術創(chuàng)建各類組合體和機械零部件三維模型，幫助學生突破了學習中的障礙和瓶頸，讓二維平面表達成為探索零件三維結構的成果，在跨越圖學知識難點的同時激發(fā)了學習興趣，充分利用課外時間擴展建模能力，通過發(fā)散思維培養(yǎng)創(chuàng)新能力，通過樹立學習自信心和成就感全面激發(fā)學習主動性和積極性，使圖學知識的學習和應用進入良性循環(huán)。

2.3 為工科專業(yè)后續(xù)課程的學習提供堅實基礎

工科專業(yè)涉及的通用和專用機械裝備門類廣、技術參數(shù)多、結構復雜。在后續(xù)課程學習中，學生會頻繁接觸動力機械、工程機械、機床及儀表、食品及農(nóng)業(yè)機械、汽車等，建立三維模型是幫助學生快速理解各類機械裝備工作原理的有效途徑，將三維建模技術融入圖學課程體系可用于建立各類機械零部件模型，對提高后續(xù)專業(yè)課程學習效率具有重要意義。

2.4 有助于培養(yǎng)學生解決工程問題的能力

基于三維建模技術在現(xiàn)代工程應用中的推廣，工程圖學的教學也應以需求為導向。隨著計算機技術的發(fā)展，三維建模軟件在優(yōu)化建模功能的同時，也逐步擴展了仿真模塊，通過與數(shù)值計算軟件搭建接口，三維建模已成為機械設計和結構分析的基本環(huán)節(jié)。在圖學課程體系中掌握三維建模技術基本操作，在專業(yè)課學習中同步應用和提高三維建模能力，最大限度培養(yǎng)學生應用計算機技術解決專業(yè)工程技術問題的能力。通過工程圖學課程體系的改革有效打通了專業(yè)基礎課和專業(yè)課間的互聯(lián)通道，為后續(xù)課程更好滿足“新工科”建設要求提供了保障。

3 “二維-三維融合”的工程圖學課程體系建設方案

“二維-三維融合”的工程圖學課程體系需要結合本科培養(yǎng)方案分析三維建模技術與二維平面表達的支撐關系，明確圖學教學中三維建模技術的定位，確定工程圖學課程體系中三維建模技術擬解決的問題及課時安排。此外，還需考慮現(xiàn)有的基礎設施條件，注意條件建設與課程體系改革的配合。基于此，根據(jù)華中農(nóng)業(yè)大學工學院長期教學實踐積累的經(jīng)驗，參考借鑒其他工科院校的培養(yǎng)方案，本文提出了一套“二維-三維融合”的工程圖學課程體系改革建設方案，如表1所示。

表1 “二維-三維融合”的工程圖學課程體系及學時分配

該方案理順了課程體系中三門課程的定位，其中“工程圖學”講授制圖規(guī)則、點線面、基本體和組合體等制圖基礎知識，訓練二維-三維空間思維能力；“機械制圖”以常用件、零件圖和裝配圖為主線，訓練繪圖和讀圖能力；“計算機繪圖實驗”進行二維CAD繪圖和三維建模的訓練，綜合運用“機械制圖”中的理論知識和基本方法。該課程體系在實現(xiàn)二維-三維融合的基礎上，適應了“新工科”建設的要求，提高了學生運用所學知識解決工程問題的能力。

4 結束語

“新工科”建設對圖學課程教學提出了更高要求，針對學生空間思維能力不足等問題，將三維建模技術納入工程圖學課程體系可以利用計算機技術突破傳統(tǒng)圖學教學瓶頸，激發(fā)學生學習興趣和積極性，為學生解決工程技術問題提供技術支撐，適應現(xiàn)代工程應用場景，滿足“新工科”建設需要。提出的工程圖學課程體系建設方案實現(xiàn)了在不增加課程總學時的情況下，實現(xiàn)了“二維-三維融合”，滿足了“新工科”建設需要，有利于學生能力提升。