面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的CAD課程設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)踐

李成濤，馬文剛，陳立，朱玉琴 （南京工程學(xué)院經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，江蘇 南京 211167）

1 引言

CAD課程對于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)很有幫助，很多文獻(xiàn)都介紹了CAD教學(xué)與學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的關(guān)系[1]。工程制圖是工科學(xué)生必備的技能之一，CAD課程也是工科教育中重要的基礎(chǔ)課程。

目前CAD課程的教材多是圍繞某一種計(jì)算機(jī)制圖軟件的功能展開，但當(dāng)CAD課程僅教授某款軟件如何繪圖時(shí)，學(xué)生容易忽視其背后的知識邏輯，造成軟件教學(xué)內(nèi)容受限于功能，僅將CAD課程理解為制圖工具軟件的學(xué)習(xí)，忽視軟件開發(fā)等相關(guān)功能，“知其然，不知其所以然”，對學(xué)生的主動(dòng)思考和創(chuàng)新教育能力培養(yǎng)不夠。

作者結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，強(qiáng)化課程知識，梳理課程主線，有意識地進(jìn)行知識擴(kuò)展，為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力做鋪墊，以期提高學(xué)生分析問題、解決問題的綜合能力，獲得更好的教學(xué)效果。

2 CAD課程教學(xué)的總體設(shè)計(jì)

在CAD教學(xué)實(shí)踐中，理論知識點(diǎn)非常重要，需要提綱挈領(lǐng)、理清概念，讓學(xué)生更深刻地理解知識要點(diǎn)。對CAD課程而言，除常規(guī)軟件操作相關(guān)的理論之外，可從前導(dǎo)課程知識引入、課程邏輯主線梳理、知識邊界劃分、知識要點(diǎn)總結(jié)、學(xué)習(xí)方法引導(dǎo)等五個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

①前導(dǎo)課程知識引入。將已有知識，尤其是工程制圖、計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)等知識進(jìn)行銜接，同時(shí)闡述本課程的主干內(nèi)容，承上啟下、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

②闡述本課程的邏輯主線。確保精度條件下通過計(jì)算機(jī)輔助的手段提高工程圖紙的繪制效率，整個(gè)課程中，基本繪制命令是以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的適應(yīng)計(jì)算機(jī)的工作模式，其他的編輯功能，如復(fù)制、陣列、鏡像，高階功能如樣式設(shè)置、圖層管理、圖塊管理、文件管理等功能，都是在提高繪圖效率。課程的各知識單元都有邏輯主線，對學(xué)生們理解課程知識，具有非常重要的引導(dǎo)作用。

③知識邊界劃分。與其他相關(guān)課程的內(nèi)容辨析，以闡明本課程的重點(diǎn)。如CAD制圖，與前導(dǎo)的工程制圖、后續(xù)BIM建模、相關(guān)的機(jī)械制圖等課程有相關(guān)性和異同點(diǎn)，與專業(yè)制圖課程關(guān)系密切，在教學(xué)實(shí)踐中，專業(yè)制圖課與CAD課程的融合，也有很好的效果[2-4]。

④知識要點(diǎn)總結(jié)。可以作為創(chuàng)新能力培養(yǎng)較好的切入點(diǎn)，在這一部分建議涵蓋矢量圖形、CAD軟件二次開發(fā)、CAD與BIM技術(shù)的關(guān)系等理論性、創(chuàng)造性較強(qiáng)的內(nèi)容，下文將對此內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)闡述。

⑤學(xué)習(xí)方法引導(dǎo)。CAD制圖課程是一門實(shí)操性很強(qiáng)的課程，建議引導(dǎo)同學(xué)們多動(dòng)手、多思考，“在學(xué)中做，在做中學(xué)”，熟練運(yùn)用制圖軟件，但在思維上不要拘泥于軟件現(xiàn)有的功能。

3 面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的授課要點(diǎn)

當(dāng)教育者在設(shè)計(jì)課程時(shí)，需要有意識的增加相應(yīng)元素或內(nèi)容，以增強(qiáng)課程的創(chuàng)造性培養(yǎng)效果[5]。為了適應(yīng)新時(shí)代的培養(yǎng)目標(biāo)，讓學(xué)生們從會(huì)用軟件到理解軟件、具備二次開發(fā)潛質(zhì)，在常規(guī)內(nèi)容之外，建議增加位圖圖像和矢量圖形、CAD軟件二次開發(fā)、CAD與BIM技術(shù)的關(guān)系。

3.1 位圖圖像和矢量圖形

CAD課程與圖形學(xué)的關(guān)系密不可分。CAD課程涉及到“計(jì)算機(jī)的應(yīng)用如何幫助人們提高制圖效率”，與“圖”的存儲(chǔ)和“矢量圖形與位圖圖像”概念成為了教學(xué)的重點(diǎn)。矢量圖形與位圖圖像的直觀區(qū)別在于，位圖圖像隨著圖像放大將變得模糊，而矢量圖形不隨圖形縮放而失真。CAD制圖的成果一般情況下都是矢量圖形。矢量圖形中的圖形元素，其存儲(chǔ)方式在于關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)和形狀函數(shù)，故而在放大時(shí)才能保證不失真。以上這些特點(diǎn)，與CAD技術(shù)的“精度高”“圖形數(shù)據(jù)便于使用”等優(yōu)點(diǎn)息息相關(guān)。

建筑工程類相關(guān)專業(yè)對于圖像處理知識涉及很少，在CAD制圖中，矢量圖形是基本的知識要素，如果不解釋矢量圖形的原理，就難以解釋為什么CAD制圖的成果在縮放后不失真，CAD制圖的“精度高”“圖形數(shù)據(jù)便于使用”等優(yōu)點(diǎn)就無從談起，也無法解釋二維圖形編輯中，曲線繪制時(shí)需通過命令聲明曲線類型（如圓、圓弧、樣條曲線），而不能做到對于任意函數(shù)的線型（如拋物線）進(jìn)行直接繪制（因?yàn)樵谲浖袥]有某個(gè)函數(shù)類型時(shí)，無法計(jì)算該曲線上各點(diǎn)的坐標(biāo)，就無法直接繪制該類型的曲線）。

從課堂效果來看，學(xué)生充分了解了CAD的強(qiáng)大能力與技術(shù)限制，顯著地增強(qiáng)了對“計(jì)算機(jī)輔助制圖”本質(zhì)概念的理解，也為繪制復(fù)雜圖形提供了解決思路。

3.2 CAD軟件二次開發(fā)

軟硬件的二次開發(fā)能力，是學(xué)生創(chuàng)新能力的重要體現(xiàn)，借助二次開發(fā)技術(shù)，可將自己的想法形成切實(shí)的創(chuàng)新成果，對學(xué)生的創(chuàng)新教育有著重要的積極作用。

CAD二次開發(fā)是必要的，也是可行的[6]。教學(xué)時(shí)，在矢量圖形概念的基礎(chǔ)上介紹二次開發(fā)的相關(guān)知識，給學(xué)生們演示由二次開發(fā)形成的快捷繪圖成果，激發(fā)學(xué)生的興趣并引導(dǎo)學(xué)生積極嘗試，為學(xué)生在大學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)中提供良好的知識和技術(shù)支撐。

以AutoCAD 2019為例，在其幫助文檔中可以查看具體的API類型。Au?toCAD軟件提供了豐富的應(yīng)用程序接口（API），如AutoLISP、ObjectARX等。在CAD教學(xué)中，為幫助解決學(xué)生在軟件安裝、調(diào)試不熟悉時(shí)遇到的問題，可以采用AutoCAD內(nèi)置的AutoLISP語言進(jìn)行介紹和演示。可以提供簡單示例給學(xué)生介紹其語法結(jié)構(gòu)，并介紹二次開發(fā)API資源（如在AutoCAD幫助文檔中搜索“關(guān)于支持的編程接口”即可查看）。以文件導(dǎo)入代碼的形式為例，使用以下教學(xué)案例展示AutoLISP代碼：

①在D盤存儲(chǔ)一個(gè)文件，如D:filesmorelisp ewfile2.lsp，該文件為ASCII格式，可以用記事本打開和編輯，其中內(nèi)容為：

(setq dRadius 300)

!dRadius

(command "circle" "0,0" dRadius)

②在AutoCAD軟件的命令行執(zhí)行

(load "d:/files/morelisp/newfile2")

③AutoCAD軟件彈出提示框，此時(shí)點(diǎn)擊“加載一次”

圖1 AutoCAD軟件加載lsp文件時(shí)彈出的對話框

④將在軟件繪圖區(qū)，看到一個(gè)半徑為300的圓被繪制出來了，如圖2所示。

圖2 通過二次開發(fā)程序繪制的圖形

在此示例當(dāng)中，能夠?yàn)閷W(xué)生展示參數(shù)定義（setq dRadius 300），注釋（!dRa?dius），命令執(zhí)行(command "circle" "0,0" dRadius)，同時(shí)完成了代碼的加載與執(zhí)行的全過程。由此可以加深學(xué)生對于AutoCAD程序執(zhí)行的理解，有助于積極思考根據(jù)自己的需求更好地發(fā)揮二次開發(fā)的作用，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。并通過布置相關(guān)的任務(wù)，為學(xué)生提供實(shí)操的機(jī)會(huì)，加深理解。

3.3 CAD與BIM技術(shù)的關(guān)系

BIM技術(shù)[7]經(jīng)歷了多年發(fā)展，被普遍應(yīng)用。擁有三維模型是BIM技術(shù)的顯著技術(shù)特征，但其技術(shù)核心是建筑信息的組織形式，三維模型只是某些構(gòu)件特定信息的存儲(chǔ)表達(dá)形式，即構(gòu)件的三維幾何信息。很多BIM建模軟件，如Revit，在完成建筑物的三維建模后，亦可以實(shí)現(xiàn)二維圖紙的自動(dòng)生成。

CAD技術(shù)對應(yīng)的二維繪圖是BIM技術(shù)無法替代的。由于三維顯示的特點(diǎn)導(dǎo)致很多尺寸在圖上無法直接標(biāo)識和測量，需要轉(zhuǎn)到特定平面進(jìn)行尺寸標(biāo)識，很多三維形體在設(shè)計(jì)階段，仍是依靠二維圖形進(jìn)行定義。例如，錐臺、梯形臺的定義，需要由上表面和下表面兩個(gè)平面內(nèi)的二維圖形定義。因此CAD技術(shù)仍是工程設(shè)計(jì)和施工圖紙繪制中不可或缺的，并且在BIM的技術(shù)生態(tài)中也發(fā)揮著重要作用。通過闡述CAD和BIM的關(guān)系，可以幫助學(xué)生了解CAD課程的必要性，并區(qū)分CAD課程和后續(xù)BIM建模課程的知識邊界，有利于更清晰的理解CAD課程的學(xué)習(xí)任務(wù)，同時(shí)加強(qiáng)學(xué)生對于技術(shù)升級、技術(shù)銜接的理解，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

4 結(jié)語

CAD課程為學(xué)生提供了良好的創(chuàng)新能力培養(yǎng)平臺。可將CAD制圖課程的邏輯主線總結(jié)為“確保精度條件下，通過計(jì)算機(jī)輔助的手段提高工程圖紙的繪制效率”。教學(xué)實(shí)踐表明，在CAD課程的教學(xué)中，增加位圖圖像與矢量圖形、CAD二次開發(fā)、CAD與BIM的關(guān)系等授課要點(diǎn)，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，擴(kuò)充知識結(jié)構(gòu)，梳理知識脈絡(luò)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力及提升綜合素質(zhì)。