基于CAID的工程制圖教學改革體系構建＊

黨進才

（甘肅林業職業技術學院，甘肅 天水 741020）

1 CAID的概念與內涵

CAID即計算機輔助工業設計（Computer-aided Industrial Design），是指以計算機硬件、軟件、通訊協議和互聯網等為技術手段，對信息進行離散化表述、掃描、處理、傳遞等的科學技術集合[1]。隨著科技發展和信息時代的到來，市場對產品性能、價格和生產周期的要求更加苛刻，要求產品研發周期短，品種多樣化、個性化、趣味化。這些都需要制造企業具備快速開發高質量產品的能力，在盡可能短的時間內確保產品的準確性、新穎性、獨特性，于是CAID應運而生，CAID以計算機技術和工業設計相結合所形成的系統為支撐，進行工業設計領域的各項創造性活動。相比于傳統工業設計，CAID在設計過程、設計質量、設計方法和設計效率等各方面都產生了質的飛躍，它涉及了CAD技術、虛擬現實技術、人工智能技術、敏捷制造、人機工程等許多信息技術領域，是一門綜合的交叉性學科[2]。現階段CAID技術發展主要涵蓋4個方面。

第一，計算機輔助造型技術，實現了特征造型與參數化、變量化，推動了實體模型向產品模型的轉化。主要涉及串通圖形、基本表面與移動特征的自由曲面設計和滿足工業設計人員手繪習慣的草圖設計。

第二，人機工程技術，包括三維人體模型、人體標準數據庫、評估系統等的應用。主要涉及以多媒體和虛擬現實技術為依托的人機界面技術和利用計算機軟硬件系統共同實現的虛擬仿真技術。

第三，人工智能技術，主要依賴集成化智能設計系統提供一體化計算機支持。包括將設計人員的設計想法和知識表達與草圖設計相結合的創造性設計思維，以及將物體的形狀、造型、色彩及生成原理等抽象成形式化描述的設計文法。

第四，CAID中的高新技術，主要包括將VR技術融入形狀結構設計的VR產品設計，以及涉及面向再生設計技術和面向生命周期評估等的綠色設計[3]。

目前，世界上大型的CAD/CAM/CAE軟件系統包括Pro/Engineer、Solid Works、EDSUnigraphi cs、EUCLID等，都提供了產品前期設計的系統模塊，即所謂的工業設計模塊[4]。

2 CAID為工程制圖教學改革提供新的思路

2.1 思維方式的轉變

傳統的工程制圖教學改革圍繞工程圖識讀及繪制兩大模塊展開。工程圖識讀的學習著重在掌握工程圖符號、線型、表達方式等含義的前提下，通過立體思維和空間想象得出二維圖型所表達的三維實體形狀，即由二維圖形轉譯為三維空間實體[5]。工程圖繪制的學習則圍繞如何用平面符號和線條來表達空間實體及設計思想，如何在二維與三維轉換過程中，完整保留幾何信息，并正確使用文字和符號對材料、工藝等附加信息進行說明。轉換過程中信息關聯度不高，難于理解，給初學者造成很大困難。

CAID使用的是一種更貼近現實，更直觀的設計思維模式，以三維建模為基礎，在虛擬化的建設場景中模擬工業產品的真實制造過程，實現所想、所建與所得的融合統一，幫助設計人員避免了二維與三維空間轉化時易出現的偏差和錯誤，由電腦代替人腦在三維與二維間進行準確快速轉化，回歸設計制造本源。

2.2 教學改革重心的轉移

工程制圖以培養學生的五大核心能力為教改目標，具體包括工程圖樣的識讀能力，工程圖樣的繪制能力，二、三維轉換的空間思維能力，三維構型與設計創新能力，良好的工程意識。目前多數學校的工程制圖教改都以訓練學生二、三維轉換的空間思維能力為重心，在掌握了各種國標規定和圖示符號的基礎上，訓練學生由二維圖形特征推導三維實體形狀的立體思維和空間想象力，難度較高且枯燥乏味，不利于調動學生的學習積極性，忽略了本課程的實質，未使學生在各種工具的幫助下正確理解和表達設計意圖、造型思想，未能激發創新能力、培養良好的工程意識。而在CAID提供的虛擬仿真環境中，學生可以通過實例建模掌握各零部件的形狀結構，材料特性，及其在機械整體中的工作位置、原理、相互關聯和約束。從而更直觀地把控整體，體驗設計與創造的快樂。

隨著CAID成為制造業的領先技術，工業設計與制造開啟新模式，與之關聯緊密的工程制圖教改也應打破陳規，不再局限于傳統的圍繞幾何投影理論的教改模式，而是充分結合計算機科學、智能化和工程科學，使本課程教改最大限度地服務于學生未來的實際工作場景，因此教學課程改革勢在必行。

3 基于CAID建模的知識體系構建

以CAID三維建模思想為基礎，在建模過程中融入制圖基礎內容的講解，引入其他相關設計類課程內容，實現課程內容的良好銜接，使學生的學習重點從被動的二維圖樣繪制和識讀轉變為自主創新設計，使工程制圖教改形成三維建模為主，二維為輔，國標規范為依據、工程意識為導向，實現計算機建模與設計實踐高度融合的教改思路。

3.1 構建原則

使設計建模過程與人的思維過程保持一致；以Solid Works軟件為平臺，以三維造型為基礎，以虛擬制造為手段，使三維造型、二維工程圖與機械設計規范，與實際設計場景完美融合，貼近工程實際；重點突出“體”的地位，弱化“點、線、面”的講解，最大限度壓縮畫法幾何的內容；實現多門課程的交叉融合，在三維建模基礎上實現裝配、材料，運動仿真，工程管理等信息的集成。

3.2 教學改革目標

新的教改體系將從理論知識、技術技能和工程素質3個層面著手，培養學生的三維建模能力、設計創新能力和綜合知識應用能力，提高學生任務執行能力和在行業內的競爭力，分層教改目標如表1所示。

表1 分層教改目標

表2 傳統工程制圖教學內容

3.3 教學改革內容

目前大部分高校的工程制圖教學改革以投影理論為主體，學分為4～6分，主要教學內容如表2所示。基于CAID的教學改革體系以三維建模為主，改變二維與三維分離的教學方式，講授基本的設計原理和具體的建模方法，以三維實體建模為載體，從形體構造過渡到圖形表達，著重培養實踐與創新意識，同時培養二維工程圖表達能力的課程體系，如表3所示。新體系的理論教學環節為2學分，實踐環節2學分，綜合實訓教學環節2學分，內容安排符合學生的慣性思維，貼近未來的工作要求，便于理解易于接受。通過表2和表3內容對比，可以看出新教學改革內容安排的明顯優勢。

表3 基于CAID的工程制圖教改內容

表3（續）

3．3．1 零件形體認識

剛入學的新生沒有專業基礎，對機械結構、零件形體、工程圖樣等概念都很陌生，此時利用二維圖紙教學，學生很難通過二維圖形想象三維實體，在課程開始便會對課程產生畏難厭煩情緒，不利于后續內容的開展和工程意識的建立。從工業中常見的基本零件，如螺釘、螺栓、齒輪等入手，在CAID提供的Solid Works平臺上，利用設計庫中的Design Library和Toolbox等工具中分類存放的常用零部件，為學生展示不同功用類別零件的結構及相互間的異同。并在此基礎上為學生展示各零件在不同視圖中的形狀，引出基本三視圖中3個視圖的概念、含義及對應關系，軸測圖的概念、作用及使用方法。這些都是基于工業的基本邏輯，使學生在了解機械零件的同時對工程圖的基本表達方式和原理有更深刻的理解。通過軟件設置操作，展示實物、三視圖及三維視圖的一一對應，幫助學生理解不同的三維零件在二維圖中的形態。

安排少量課時向學生闡述常用零部件的功能結構及基本的機械原理。使學生的思維不只局限于繪圖或建模技術，而是向設計思維和創造思維發展。從幾何形狀—功能—關聯的層層遞進，培養學生的初級設計思路框架。通過形狀—結構—功能—關聯層層遞進，幫助學生建立初級設計思維框架。

3．3．2 考核方式

由于本課程是一門實踐性和技能性較強的課程，傳統的以末考成績為主要依據的考核方式無法真實反映學生的學習狀況和實操水平。因此新的課程設計探索了一種過程監控和開放式考核相結合的方式。其中過程監控占總成績60%，內容為每周一次限時小作業。剩余40%分攤在第2學期的機械設計工程圖制作以及第3學期的數控編程與操作加工圖紙設計上，在環節安排上促進該課程知識的循環鞏固。

4 教學改革效果

在機電一體化技術專業的一年級和三年級各選1個班作為實驗班。統計一年級第一學年的學習狀況，可以發現實驗班的作業提交比例和作業質量明顯高于普通班。

課程實訓成績和作品質量也高于普通班，以機械設計工程圖制作為例，實驗班的學生通過CAID平臺設計的作品質量更高，耗時更短，同時體現出了更多的工程意識和創新思想。

對高年級學生進行問卷調查和訪談，學生反映在入學之初學習的工程制圖知識，在后續課程學習中有遺忘現象，影響后續專業課的學習效果。在不同學期學習的不同專業課，應用時也存在知識融合困難，缺乏綜合使用的能力。但通過CAID學習將本專業課程體系進行“縱向”整合后，對機械制造全過程有了立體的認識，各專業知識得到有機結合。高年級同學在機械設計基礎、機電設備裝調與維護及畢業設計中所花時間大大減少，低級常識性錯誤率基本為零。對新教改內容和方式更為滿意的人數占92%。實習單位反饋實驗班學生在讀圖速度、準確度以及工程意識和創造性思維能力方面均強于普通班學生。

5 結束語

CAID技術以直觀模型為基礎，弱化了抽象的投影模式，克服了二維圖紙信息量有限、必須輔以良好空間思維、發生錯誤后修改工作量巨大等缺點，提供了一種能對形體全方位可視化的環境，同時保留各部件間的拓撲關聯。本文提出的基于CAID的工程制圖教改新體系，改變了以畫法幾何為基本核心的傳統教改觀念，更適應當前信息時代、智慧時代的發展需要，在訓練空間思維能力的同時，培養學生的創新能力和工程素養，培養適應社會發展的高素質技能型人才。