融合三維CAD技術的“工程制圖”課程教學改革探討

袁恩先

(揚州大學 化學化工學院，江蘇 揚州 225002)

“工程制圖”是高等院校工科類專業學生的一門必修課，其主要任務是培養學生空間想象和邏輯思維能力，同時在培養學生形象思維、科學研究以及創新能力等綜合素質的過程中也起著重要作用，并為后續的相關學習和工作奠定基礎。如今，隨著科學技術的發展，尤其是計算機其廣泛應用和其運算能力的飛速提升，工程制圖與計算機技術的融合愈發深入，因而對本課程提出了更高要求，傳統的教學內容和模式受到挑戰，課程改革勢在必行[1]。隨著計算機繪圖技術的普及，傳統手工制圖的模式已經逐步被計算機輔助設計(CAD)所取代，尤其是三維CAD技術因其強大的建模造型功能，已經廣泛用于機械設計，是作為未來設計人員的大學生必須掌握的技能，同時運用好三維CAD技術可以提高教師教授“工程制圖”課程的效率。

1 CAD教學的現狀

隨著社會的發展，市場需求發生了深層次的變革，工程設計領域對專業人才的知識儲備和能力結構的要求也在不斷提高。以工程制圖課程為例，目前課程中CAD教學存在的主要問題：(1)課時的縮減導致學生的CAD軟件練習量過低，從而阻礙了CAD技術操作能力的提升；(2)圖形電子化技術的發展使得三維CAD 技術已經成熟，而目前課程中教授的CAD內容主要是二維視圖的繪制，無法滿足立體三維空間表達的要求；(3)部分高校的 CAD 教授內容較為滯后，導致學生所學的操作技能和方法較為陳舊。這些問題直接影響學生在后續學習中的專業能力，關系到學生在從事工程設計領域工作時競爭能力的高低。

2 “工程制圖”課程存在的主要問題和應對措施

作者通過總結以往“工程制圖”課程教學過程中的經驗和教訓，歸納了該課程面臨的三個主要問題，并提出了相應的解決措施。

2.1 教學內容有待更新

目前，高等院校中“工程制圖”課程的學時已由以往的96學時壓縮為現在的48學時，其中32學時用于制圖理論知識的學習，16學時用于制圖實踐。當今機械制造技術的發展，使得制圖新理論不斷出現，這雖然使“工程制圖”課程的內容得到了豐富，但也使教師面臨如何讓學生在較短時間內掌握最全面知識的難題。傳統“工程制圖”課程的教學大綱強調畫法幾何、制圖標準以及二維CAD繪圖，卻很少涉及與制圖相關的實際應用。這不但導致學生因知識點難度大而學習積極性不高，且易造成紙上談兵的現象，學生難以將學得的理論知識正確地應用于實踐[2]。

課程教學改革中，要對課程內容進行更新。首先，針對性地選擇教學內容全面、實用性強的新型教材，需包括工程制圖、設備設計、CAD軟件應用三方面。其次，圖板制圖和二維CAD制圖并無本質區別，而三維CAD建模的出現則使機械設計領域發生了革命性的變化，其眾多優勢使得未來CAD教學必然以三維為主、二維為輔，因此“工程制圖”課程中必將引入三維CAD建模內容，并適量增加制圖實踐學時，同時壓縮講解點、線、面投影等畫法幾何內容的學時。畫法幾何部分的精簡，并不意味其重要性的降低，而是因為通過三維CAD建模內容的學習能夠有利于學生更好、更快地掌握二維元素的投影性質。最后，教學過程中還要注重設備結構設計的合理化以及尺寸標注的可測性和可加工性。

2.2 教學模式需優化

傳統的教學方式，以教材為依據，以教師為主導，讓學生耳濡目染逐漸接受知識，教學效率低，且因“工程制圖”課程的特性導致傳統教學方式的缺點被放大。制圖理論知識較為抽象，晦澀難懂，只通過語言描述很難讓學生完全理解，一旦講述時間過長，必然會導致學生學習積極性降低；同時，在教授機件立體的表達形式時，因教學條件限制，不能提供教學內容所涉及的所有機件模型，部分學生空間思維能力有限，對知識點的理解較為困難，教學效果并不理想[3]。

優化傳統課堂教學過程，發揮學生的主動性。采用翻轉課堂模式，針對知識的難點和重點，精心設計一個實際問題，讓學生自由討論、思考，在尋求答案的過程中掌握知識并培養空間思維能力。另一方面，在制圖理論知識學習的過程中，交叉教授CAD三維建模知識，讓學生制作課程中講解的三維結構模型，既鍛煉學生CAD制圖技能，又能夠直觀生動地呈現教學內容中涉及的立體結構，有利于學生對重點和難點的理解與掌握。這種新型教學模式因其較強的表現力，能夠有效地調動學生的感官系統參與學習，增強其學習的自主性，從而有助于提高其知識獲取的完善性，并同時提高教師的教學效率。

2.3 理論與實踐聯系需加強

與國外高等教育注重緊密聯系生產實際的情況相反，目前國內“工程制圖”課程內容中缺少實踐應用教學環節，導致學生無法將所學理論知識應用于解決實際問題，實踐能力得不到鍛煉，從而也無法檢測學生對知識掌握的真實程度[4]。課程學時少，無法實現組織學生進行實地現場考察、分析機械設備結構以及設計原理、最終完成設備結構圖繪制的全過程。

將三維CAD技術融入“工程制圖”教學中能夠有效地解決上述問題。教師可根據教學內容采用CAD軟件繪制三維設備模型，向學生直觀地展現復雜構件中各零件之間的裝配關系；同時，能夠讓學生感受三維立體與二維平面圖形之間的轉換過程，有助于學生思維想象能力和空間分析能力的提升。

綜上可以發現，將三維CAD技術融入“工程制圖”課程中，是課程教學改革的必然方向。同時，二維圖形信息已經遠不能滿足現代工程設計和機械制造的需求，為了縮短周期，三維設計已成為必然。因此，當今的工程制圖應該是面向三維設計，將制圖與設計融合。這豐富了“工程制圖”課程教學內容，但同時也給傳統教學模式帶來了挑戰[5]。在基于三維CAD技術的“工程制圖”課程教學過程中，需要加強學生立體結構表達能力和建模能力的培養，使其形成系統的工程意識和創新思維。

3 融合三維CAD技術的制圖課程教學改革策略

3.1 三維CAD軟件的教授

AutoCAD是一款專業繪圖軟件，具有強大的二維圖形繪制和三維建模功能，可以作為三維CAD建模教學工具。鑒于部分學生的計算機操作與應用能力不足，在教授AutoCAD軟件的過程中，首先，整體把握教學目標，由淺入深安排教學內容，從二維圖形繪制教授開始，隨后到三維建模，重點講解二維、三維制圖的典型命令和操作，讓學生盡快熟練掌握軟件繪圖的基本操作；其次，通過案例教學，基于任務驅動的理念，進行系統性教學，爭取將大多數知識點融會貫通，形成一個整體，同時兼顧教學案例的漸進性，讓學生可以在反復循環練習中掌握較為系統的知識體系；最后，充分尊重學生的主觀能動性，爭取在整個教學過程中，做到以教師為主導、學生為主體，教師只扮演引領、歸納和查缺補漏的角色，而讓學生去探索和嘗試軟件功能的使用。

三維建模是CAD軟件教授的重點以及難點。為了使學生掌握應用CAD軟件三維建模的技能，在教學過程中，要詳細講解軟件的使用特點，演示三維建模過程中的軟件操作技巧，并先以較為簡單的棱柱、圓柱、球體等基本體為例進行三維建模，隨后逐漸過渡到較復雜的組合體三維建模。

3.2 三維CAD建模與工程制圖內容的統一

CAD三維建模是“工程制圖”課程教學的輔助手段，因此CAD三維建模的教授內容應與“工程制圖”課程的目的保持一致。傳統“工程制圖”課程中畫法幾何部分的教授是一個從點、線、面到體的過程。而基于三維CAD技術，要建立以“體”為中心的教學體系，由三維模型出發分析及點、線、面，使學生在學習之初，就形成空間立體思維。通過對三維模型進行編輯，動態多角度地觀測立體結構和投影、截交線和相貫線、剖視圖和斷面圖的形成。三維模型與二維視圖之間的轉變，有助于學生對組合體畫圖和讀圖的理解。此外，培養學生三維讀圖能力也是教授三維CAD建模的重點。通過將立體的三維模型進行旋轉，學生可以直觀地感受到相應投影視圖的生成過程。

3.3 三維工程圖樣繪制能力的培養

將三維CAD建模用于工程設計領域，相比傳統的二維工程圖樣，三維工程圖樣更為直觀、易懂，有利于后續的實際操作。但在三維工程圖樣繪制過程中，需要注意一些工程圖樣標準的問題，例如科學使用工程圖樣的單位、選用合適的圖幅以及縮放比例、規范標注等。同時，學生在使用三維 CAD技術繪制工程圖樣時，也可結合傳統二維視圖的表達方法，例如局部視圖、剖視圖等，來描述設備的某些特定結構。這樣能夠同時加深學生對這些視圖表達方法的理解。

教師可以采用三維CAD對某典型機械設備進行設計，直觀地展示機械設備中各個零件的結構，通過演示該設備的裝配過程，讓學生理解各零件之間的聯結和裝配關系。同時可以根據教學需要，對設備結構進行剖切，幫助學生進行設備內部結構的觀察和視圖分析。以機械設備中最為常見的減速器為例，借助AutoCAD軟件對其齒輪、軸、軸承、箱體以及其他附屬零件進行三維設計，然后進行虛擬裝配(圖1)，讓學生在裝配過程中掌握各零件之間的裝配關系。在使用三維CAD軟件建模的過程中，學生可以利用并、交、差等布爾運算對立體結構進行編輯，有助于加深其對在畫法幾何中學習的立體截切、相貫等知識的理解，大幅縮短掌握相關知識的時間。

圖1 減速器的零件和裝配

3.4 融合三維 CAD制圖課程教學模式的創新

傳統的制圖課程教學順序是先幾何元素投影，后三維建模。學生在學習幾何元素投影，尤其是較為復雜的立體投影過程中，經歷的是由二維視圖到三維空間的形態變換，再將三維結構進行二維表達的一個思考過程。但受限于理解力和空間想象能力，學生很難通過抽象思維在腦中想象出對應的立體空間形態。將三維CAD建模融入制圖課程的教學中，建立先三維建模后二維投影的教學模式，能夠有效地解決這一教學難題。學生通過三維CAD建模的訓練，能夠理解并掌握立體的結構特征，隨后在此基礎上進行立體投影的學習，無疑能夠顯著地提高學習效率。

4 結語

本文從三維CAD技術融合角度，闡述了“工程制圖”課程教學改革的方向，總結了融合三維CAD技術的必要性，以及其給“工程制圖”課程內容、教學模式帶來的挑戰和機遇。我們相信融合了三維CAD技術的“工程制圖”課程能夠有助于學生能力的培養，符合未來社會發展的需要。