“工程制圖”課程與“CAD技術”課程融合研究

李杞超，張洪軍

（嶺南師范學院，廣東 湛江 524048）

“工程制圖”是高等院校工科類專業必修的一門基礎課程，旨在培養學生繪制工程圖樣和分析工程圖樣的水平，掌握工程圖樣讀圖與繪圖技術，提高學生空間形象思維能力、機構搭建創新能力以及外觀包裝審美能力等，為學生將來的專業課程學習與技能的廣泛應用奠定基礎[1]。工程制圖以現代工程應用為背景，培養學生從基礎理論研究走向實際工程應用，是工程應用技術的啟蒙，其自身特點具有一定的抽象性和復雜性，制約著學生對其學習理解與應用，導致講解難度大、學習效率低[2]。因此，根據“工程制圖”課程學習重要性和自身特點，結合當前“新工科”與“雙一流”學科建設背景，為培養科技前沿的復合型人才，“工程制圖”課程教學需要革新。近年來，中國科學技術迅猛發展，機械創新設計已走向世界前位，其中CAD技術起到了至關重要的作用。CAD技術在中國的發展與應用越來越成熟，被廣泛運用到機械生產領域中，與“工程制圖”課程有著緊密的聯系。“工程制圖”課程教學的目標與重點已經從先前的讀圖與繪圖逐步轉為CAD二維繪制和三維建模設計，機械零件的二維繪制和三維造型也已經成為圖學課程教學體系中的重要組成部分。因此，革新“工程制圖”課程內容，融合CAD二維圖形繪制和三維建模設計，建設具有形象化、三維實體化的制圖知識與CAD技術應用相結合的高容量圖學課程內容，提高教學效率，促進學生學習興趣和創新思維活力，培養學生專業技術及相關應用能力，提高專業技術人才培養質量，儲備機械工程行業技術型人才，具有重要意義[3-4]。

一、圖學課程教學中的問題分析

圖學課程主要包括工程制圖與計算機繪圖，其中工程制圖包含畫法幾何部分與專業制圖部分，按專業可分為機械類和非機械類，計算機繪圖可分為二維繪圖和三維建模設計。目前，眾多院校的“工程制圖”“計算機二維繪圖”及“三維建模設計”屬于獨立完整的3門課程，多處于分學期獨立式教學，缺乏課程間教學時間緊密銜接性和知識體系密切關聯性的融合。在“新工科”和“雙一流”學科建設背景下，“工程制圖”課程學時量不斷縮減，而課程包含的畫法幾何與專業制圖兩部分基本理論知識卻不能隨意刪減，否則不僅無法構成課程本身完整體系，更會影響相關專業課程系統的學習，由此引發了教師理論內容講授多、速度快，學生實踐練習少、學習難度大、效果差等問題。雖然有些高校對此課程培養計劃有所調整，將工程制圖與CAD二維繪圖化為1門課程，相關研究者也出版了一些教材，但內容的融合多為簡單的疊加組合，基本是以工程制圖較多學時在前講授，CAD二維制圖少量學時在后講授，繼續沿用原來的教材疊加組合和教學體系，缺少將CAD繪圖融入工程制圖各章節，導致二者形合意不合，仍處于分離狀態，而且隨著三維建模設計的快速發展與應用，也已將其設為單獨1門專業繪圖設計課程。對于這3部分知識，大部分院校是分布在3個學期陸續完成教學，課程總學時量占比不少，但實際教學中，由于它們相對獨立，缺少知識點間的緊密融合，存在知識點交叉重復講解，導致教學課時緊張，效果欠佳。

二、“工程制圖”課程與“CAD繪圖”課程內容融合意義

為適應“新工科”與“雙一流”建設人才培養的“產業需求導向，跨界交叉融合，支撐引領行業”的要求，解決目前教學中存在的問題，提出工程制圖與CAD繪圖內容融合[5]。“工程制圖”課程主要包含繪圖基本知識、投影基本理論、圖樣表達、零件圖以及裝配圖等內容。在教學過程中，教師多側重于投影基本理論，所用課時較多，接近總課時的一半，但教學的效果并不理想，學生對部分知識的理解需要具備較好的空間想象能力。而在“工程制圖”初期教學過程中，學生的空間想象力及邏輯思維能力水平不同，且尚未形成系統的工程制圖學習框架，對有些復雜的形體內容缺少感性認知。雖然可以通過現代教學手段PPT，將平面與實體相交部分清晰展示，但仍是處于某一個角度的圖片形式，缺乏實體圖的動態旋轉任意角度觀察。隨著計算機繪圖技術的快速發展，CAD二維繪圖和三維建模軟件已應用到設計和制造中。通過利用計算機繪圖建模軟件展示三維形體，不僅柔化了課程教學內容的隱深度，亦能結合實體模型進行教學，逐步培養學生制圖、識圖的相關能力，進而通過CAD內容知識講解弱化工程制圖的部分內容講授。由此，知識的與時俱進，內容的融合是必然趨勢。結合工程制圖、AutoCAD二維工程圖以及SolidWorks三維建模設計軟件各知識點的相關性和相輔性，歸納和總結知識框架，突出機械制圖教學中的重點內容，將3門課程內容融合教學，不僅有助于“工程制圖”課程的基本理論知識和機械制圖知識的學習，還能熟悉AutoCAD二維繪制工程圖和SolidWorks三維建模設計軟件操作，提高學生對機械圖信息的理解和分析能力，強化對二維轉化三維、三維轉化二維的理解能力，培養學生創新能力和空間思維想象能力[6-7]。“工程制圖”教學內容雖然具有一定的復雜性和抽象性，但通過CAD技術融合在工程制圖教學內容中，有效協助教師在理論正推及問題分析過程中實現詳盡、形象的實例展現，不但能夠激發學生的學習積極性，而且還能節約大量學時，對提高機械制圖教學效率和水平具有積極作用。

三、工程制圖與CAD技術內容融合與教學方式

工程制圖和CAD技術密切關聯，完整系統地融合將是一個發展趨勢。工程制圖和CAD技術融合的根基是內容的融合，可將知識碎片化，將關聯的知識融為一體，改變簡單的疊加式堆合，形成一門融工程制圖與二維及三維繪圖于一體化的新課程，同時調整教學方式，配置適宜新課程內容的教學方式，達到充分利用資源，節約時空，有效提高教學效率和質量，提升學生興趣與積極性。

（一）畫法幾何與CAD繪圖知識的融合

1.畫法幾何基本知識與CAD二維繪圖知識的融合。教師在講解工程制圖基本知識時，可將AutoCAD軟件中的圖層管理部分和平面繪制命令融在一起講解。首先在AutoCAD軟件中講解各種線形設置方法，設置完成后講解直線、圓等基本繪圖命令，在繪圖顯示區繪制包含多種線形表達的圖形，利用此圖形講解各類線形表達的意義，這樣既有助于學生對線形的理解，同時又可使其學會AutoCAD中圖層管理與基本繪圖命令。圖形要涉及尺寸標注，由此引出AutoCAD軟件中注釋部分。講解尺寸標準內容以及注釋內容相關設置，完成后對圖形進行標注，標注過程中講解尺寸標注的意義和方法，完成工程制圖中的尺寸標注基本知識講授要求。

2.畫法幾何投影理論知識與CAD二維及三維繪圖知識的融合。針對點線面的投影部分，結合AutoCAD軟件進行講授更易理解。首先教師在AutoCAD繪圖顯示區確定圖紙，在圖紙內確定三視圖的布局定位，再進行點線面的三視投影，以及線面相對投影面和線面之間的位置關系投影，掌握點線面投影基本理論。針對體的投影，可結合AutoCAD二維繪圖和三維建模軟件來講授。學生在學懂AutoCAD二維繪圖基本繪圖操作的基礎上，教師可進行SolidWorks的草圖繪制講解，二者均為平面繪圖，屬異曲同工，容易學習與理解，之后講解實體建模中拉伸旋轉部分，形成基本幾何體，繼續講解SolidWorks工程圖部分中投影操作，由此講授工程制圖中體的投影知識，這樣有助于對體的投影理解，特別是在學習截交線和相貫線部分，利用SolidWorks軟件進行實體建模，在生成相交實體時，自然得到截交線和相貫線，通過任意旋轉相交體，可多角度觀察截交線和相貫線形狀，再進行工程制圖中的截交線和相貫線部分知識的具體投影方法講授。通過先觀察到認知，再細節到深知的學習過程，讓學生對學習圖學課程更直觀易理解，同時對SolidWorks軟件產生濃厚興趣，促進其自發性學習，提高他們的學習主動性和積極性。

3.畫法幾何組合體視圖與CAD二維及三維繪圖知識融合。在組合體視圖教學中，已知兩視圖補畫第三視圖及形體構思是重要內容，也是教學中的重點與難點，空間思維想象能力稍弱的學生，對組合體視圖和形體構思很難進行深入思考，補畫第三視圖和構思形體比較困難，因此教師在教學過程中可融合CAD技術展開教學，滲透三維建模設計，并讓學生繪制基本體的疊加或切割形成的組合體，準確地掌握組合體的特征。根據已知視圖，利用SolidWorks三維設計軟件將二維圖進行相應實體建模操作，輕松構建組合體的三維實體模型，再將三維實體模型轉換為二維工程圖，結合已知的視圖進行核對，確定一致后，完成第三視圖。如果核對不一致，需要再次對零件圖的三維模型進行修改，直到求出正確的第三視圖為準。

（二）機械制圖與CAD繪圖知識的融合

1.標準件和常用件與CAD二維及三維繪圖知識的融合。教師在講授機械制圖課程中標準件和常用件章節時，可與SolidWorks軟件的零件庫知識融合一起，不僅可使學生學習起來更加直觀，還可使其充分認知標準件和常用件的類型，掌握零件的結構和繪制要求，同時，教師可讓學生學習SolidWorks軟件中將零件庫中的相應零件插入繪圖區的操作方法，并結合AutoCAD二維繪圖知識，講解簡化繪制標準件和常用件的畫法，由此完成標準件和常用件的二維繪圖方法與三維建模方法。

2.零件圖與CAD二維及三維繪圖知識的融合。教師在講授機械制圖課程中零件圖章節時，對零件的分類與結構進行講解，可利用SolidWorks軟件對各類零件進行三維建模，使學生加深對零件結構的理解，教師在建模過程中繼續講解軟件中掃描、放樣等實體建模特征和孔、圓角等一系列的編輯修飾特征，使學生對各類零件進行完整的建模，并充分學習零件的結構，完成對零件圖的學習和軟件中零件實體建模所有特征的學習。與此同時，教師在講授AutoCAD繪制零件圖的方法時，如涉及到尺寸標注和技術要求的注釋方法，要使學生理解好它們在零件圖中的作用和標注要求，繪制標準的零件工程圖，促進三維實體建模所生成的工程圖后，能夠按工程圖要求標準進行相應修正，最終完成零件圖的標準繪圖與三維設計。

3.裝配圖與CAD二維及三維繪圖知識的融合。教師在講授機械制圖課程中裝配圖章節時，可滲透Auto-CAD和SolidWorks軟件裝配圖繪制方法。AutoCAD二維裝配圖的繪制方法與上述零件圖二維繪制方法基本相同，可進一步融入到裝配圖的基本知識和技術要求講解中，同時通過SolidWorks自下而上的方法將事先建模好的零件進行裝配，模擬實際組裝，建立完整的裝配實體模型，讓學生清楚學習裝配過程。裝配中利用SolidWorks進行體積干涉檢查和動態碰撞干涉檢查，檢驗設計與裝配的合理性，既可以掌握SolidWorks裝配實體部分知識，又可以加深對裝配圖基本知識和技術要求的理解。裝配完成后為能夠清楚展示內部零件形體，可通過爆炸圖對零件形體進行充分展示。如果需要生成工程圖，按照各類機器的工程裝配圖表達標準，生成相應的視圖清晰表達，并對其進行調整與修正，亦可導入AutoCAD完成修正，形成標準的裝配圖。

（三）課程融合后的教學方式

工程制圖與AutoCAD及SolidWorks軟件課程內容完全融合一體，構成一門新課程，必然需要與之適宜的教學方式，僅是PPT與黑板授課方式不能適應融合后的新課程。依據課程融合的內容、信息技術的發展以及學習方式多元化、專業化的需求，結合課程內容融合后的二維與三維繪圖的實操與形體特征直觀形象的展現的特點，以及激發學生學習繪圖軟件的興趣，授課教室既可選擇在配有投影的計算機實驗室進行，也可根據學生配置筆記本情況，選擇多媒體教室進行授課，確保每位學生一臺計算機。課堂上教師講授基本知識過程中，學生應認真聽講，講授后，教師須預留時間，讓學生自行實操及知識理解，其間教師可對個別學生的疑惑進行單一的解答輔導，講解與學習靈活多樣、輕松高效。課程不再區分理論課和實驗課，理論與實操直接結合，一次課程可包含若干次講授與實操，直接做到邊講邊學邊練，帶動學生進行思考和想象，學生既能學到制圖基本知識，亦能學到軟件操作方法，還能提高設計技能。課上也可選擇線上教學和線上線下混合教學方式來完成教學內容[8]。課下學生可通過熟悉練習軟件過程，繼續加深對工程制圖基本知識的理解，轉變僅靠枯燥無趣的讀教材學習方式。教學方式的革新，不僅帶來了時間上的節約靈活利用，還帶來了空間上的節約充分利用，是課程融合教學發展優選模式。

四、結語

CAD技術的應用越來越廣泛，尤其在現代機械生產領域中，已經成為重要組成部分。為了有效提高CAD技術與工程制圖教學效率與效果，強化學生對CAD技術熟練程度及工程制圖相關知識的理解，本文結合現代科學技術發展形勢及市場需求，培養機械生產領域的高端專業人才，提出將AutoCAD二維繪圖與Solid-Works三維機械模型設計軟件課程內容緊密融入“工程制圖”課程內容中，構成完整的一門課程，既豐富了“工程制圖”課程內容，又使教學資源得到充分優化利用，有效節約時空，同時還提高了課堂教學效率和教學質量，有利于激發學生的學習興趣和動力，促進學生空間想象能力和空間分析能力。通過教學內容融合及教學方式的改革，有效地改變了傳統的教學方法，有利于學生對知識更加直觀與深入地學習，為后續相關專業課程的學習奠定良好基礎，為現代機械生產領域儲備大量專業人才。