基于全國成圖大賽的“工程圖學”課程教學改革探索

［摘 要］ 隨著三維成圖技術的日趨成熟，工程產品的設計回歸設計思維的本源，沖擊著現行“工程圖學”課程教學體系。全國大學生成圖大賽融合了現階段我國制造業界、工程界對工程圖樣的最新要求，重點考查大學生三維成圖技術和圖樣信息化處理技術的創新應用能力。通過調整教學目標、教學內容、教學方式和考核評價方法等，構建新的“工程圖學”課程教學體系，將三維成圖技術和圖樣信息化處理技術完全融入其中。實踐證明，“徒手繪圖+尺規成圖+計算機成圖”的新模式符合教與學的規律。

［關鍵詞］ 工程圖學；教學改革；創新能力；三維設計；教學模式

［作者簡介］ 袁望姣（1969—），女，湖南雙峰人，碩士，中南大學機電工程學院副教授，主要從事計算機輔助設計與先進機械設計方法研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）25-0063-04［收稿日期］ 2022-09-06

在制造業領域推行數字化、智能化，提升工程產品設計、制造能力與品質，推進信息化與工業化的深度融合，是我國實現從制造業大國向制造業強國轉變必須占據的制高點之一［1］。先進的工程產品成圖技術，是在工程產品設計過程中借助計算機輔助設計和其他先進設計方法實現工程產品工作原理、空間幾何關系、本質安全性能等的模擬研究和優化設計，提高了設計制造的精準度和安全性。利用計算機輔助設計與先進設計方法處理工程產品圖樣、優化工程產品設計，改變了傳統的工程產品設計模式［2］，體現了計算機技術與制造技術的有機融合。

一、大賽要求與我校“工程圖學”課程教學問題

“全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽”是由原教育部高等學校工程圖學課程教學指導委員會等單位聯合主辦的全國性大型學科競賽活動［3］。大賽以激勵在校大學生學習先進的成圖技術和圖樣信息化處理技術、探索工程圖學的發展方向為宗旨，助力應用型創新人才的成長。大賽內容的創新性、成圖技術的先進性、與社會需求的融合性、大學生參與的廣泛性，推動著我國高校工程圖學的教學改革。據統計，2021年度有550多所高校、14萬多名大學生參加了比賽［4］。

工程圖樣作為工程界的技術語言，起源于18世紀末法國人加斯帕爾·蒙日創立的畫法幾何［5］，我國學者趙學田將其基本原理概括為“長對正，高平齊，寬相等”［6］。畫法幾何把工程產品復雜的三維關系用簡單的二維圖樣精準地表達出來，方便了相關人員的識圖、制圖和交流。

現階段，我校“工程圖學”課程教學基本的組織模式是“工程圖學基礎+專業特需”，依專業的不同要求，教學內容各有側重。工程圖學基礎包括基礎理論、尺規成圖和計算機二維成圖等；專業特需則是根據各專業的特點，引進各具專業特色的計算機成圖軟件和圖樣信息化處理軟件，進行專業性較強的深層次工程圖學教育，以實現工程產品的優化設計等。如機械工程、地質工程、采礦工程等專業因追求工程產品系統內部各組成單元間的空間關系，廣泛采用SoildWorks、Pro/E、Surpac、3DMine等軟件工具構建三維可視化工程產品圖形，從而完成相應的課程設計或畢業設計任務。

受課程學時和專業總學時的限制，“工程制圖”作為我校工科各專業的專業基礎課，現階段仍以二維成圖為主組織教學。機械工程、采礦工程等少數專業在計算機三維成圖和工程圖樣信息化處理技術方面設置了包括課程設計、創新實踐等實踐性教育環節，以培養學生解決復雜問題的能力。

我校目前開設的“工程圖學”課程存在以下問題。一是開課時序與成圖大賽不相匹配。每年大賽賽程一般是學校選拔賽在4月中旬，省級預選賽在5月底，全國比賽在7月中下旬。以目前我校機械類專業“工程圖學”課程（80學時）為例，在第一、二學期完成“工程圖學基礎”（含計算機二維成圖）的課程教學任務后，到第四學期開設“機械產品測繪與三維設計”和“工程圖學綜合設計與創新實踐”等后續課程，影響了學生參加上半年舉行的比賽。二是實驗條件不能滿足三維成圖技術和圖樣信息化處理技術教學的需要。現有工程圖學實驗室的硬件（計算機配置、3D打印等）、軟件（AutoCAD、SolidWorks、Pro/E和其他三維成圖軟件）還不具備面向各工科專業學生教授計算機三維成圖內容的條件。

二、與大賽相適應的課程教學體系改革設想

工程產品是以三維形態存在的，三維設計也符合人的設計思維邏輯。隨著計算機三維成圖技術和工程圖樣信息化處理技術的發展和成熟，三維圖樣對工程產品特性表述的準確性、圖樣識別的容易性和交流的方便性得到有效改進，使得三維工程產品圖樣的應用越來越廣泛。以現有的“工程圖學”課程教學體系為依托，將三維成圖技術與圖樣信息化處理技術作為通識內容納入“工程圖學”課程教學范疇主要有三種形式。

第一，外掛式引入。保持現行的“工程圖學”課程教學體系不變，在現有的學時之外，以必修課程的形式增開三維成圖技術與圖樣信息化處理技術方面的課程，并將之列入課程設計、畢業設計等實踐教學環節的訓練內容。現階段中南大學機械類專業與采礦工程專業對三維成圖與圖樣信息化處理技術等知識的引入，就是采用“工程圖學基礎+專業特需”的模式。這種模式的好處是能夠充分體現專業的需求，但基礎部分和專業特需部分存在脫節現象。

第二，模塊化引入。將“工程圖學”的課程教學內容劃為畫法幾何、機械制圖、計算機成圖3大模塊。在總學時保持不變的情況下，在前兩個模塊中刪除畫法幾何方面的內容，對平面立體、曲面立體及截交、相貫等部分內容也進行了較大的刪減，將點、線、面及簡單幾何體的投影規律和投影特性調整到形體投影中加以簡介，盡量壓縮學時以組織計算機成圖模塊教學。這種模式的優點是各模塊保持其內容的系統性，便于學生學習與理解。

第三，融入式引入。在計劃學時沒有較大增量的前提下，依照現行的“工程圖學”課程教學體系，以傳統的畫法幾何、機械制圖為主線，將計算機二維、三維成圖方面的內容按章節完全融入畫法幾何、機械制圖等相應的內容之中，形成“徒手畫圖+尺規成圖+計算機成圖”的新模式。這種模式的優點是方便學生循序學習，保證各知識點內容的完整性，便于學生理解和掌握，符合教學規律。

三、融入式“工程圖學”課程教學體系的構建

基于計算機技術的工程產品三維數字化成圖技術，使得工程產品的設計思維、加工方法發生了顛覆性變革。將計算機三維成圖與圖樣信息化處理技術完全融入現有“工程圖學”課程教學體系，并對原有教學內容、實踐訓練和服務于教學內容的教學條件進行改造，構建新的“工程圖學”課程教學體系，才能滿足制造業發展對人才的要求。

（一）課程教學體系的構建

構建新的融入式“工程圖學”課程教學體系，具體可從以下幾個方面實施改革。

1.教學目標的調整。新的“工程圖學”課程教學體系旨在培養學生的識圖及圖樣表達、空間想象、工程實踐、創新設計，以及計算機輔助設計與優化設計等方面的能力。教學時應引導學生的工程產品設計思維由二維回歸到三維。

2.教學內容的調整。著重將以尺規成圖為主的訓練模式變為徒手繪圖、尺規成圖和計算機成圖相結合的模式。依托AutoCAD、SolidWorks、Pro/E、3DMax等計算機輔助設計軟件，將工程產品的三維表述融入相應的工程圖學基礎課程體系中，加強徒手繪圖、計算機三維成圖知識的傳授與訓練。徒手繪圖能夠方便、快捷地記錄設計靈感，表達設計意圖，時效性強，應用方便。工程產品的數字化三維模型有利于學生進一步進行工程產品的原理模擬和設計優化。零部件測繪時，先徒手繪裝配示意圖、二維圖形，再通過計算機三維成圖技術生成裝配模型，完成拆裝動畫和工作原理演示的仿真設計，并在此基礎上進行創新或優化設計，最后根據需要轉化為二維工程圖。

3.教學方法的調整。建立課內、課外學習相結合的教學模式，并將課外學習情況納入平時成績的考核范圍，推動建立方便學生自主學習、自主訓練的網絡課程體系。對于國家標準如《技術制圖》和《機械制圖》中的有關規定，標準件與常用件、AutoCAD、SolidWorks等軟件的操作和命令等內容，可利用在線課堂或微課等網絡媒介，引導學生自學。

4.課程考核體系調整。在新的“工程圖學”課程教學體系中，對學生學習效果的考核兼顧線上和線下，對徒手成圖、尺規成圖、計算機二維和三維成圖等進行全方位考查，從基本知識、基本技能、綜合能力和創新能力等方面對學生做出公平、公正的評價。

5.實驗室條件改善。將計算機三維成圖技術融入工程圖學教育，引發了“工程圖學”課程教學體系的變革和設計產品思維的調整。但目前的課程教學條件，如實驗室的計算機、三維數字模型的輸出與3D打印機、SolidWorks和Pro/E以及3DMax等三維圖形成圖軟件，都有待于建設。

（二）改革試點

選取了機械類2021級2個班與冶金材料類2021級2個班進行將計算機三維成圖融入課程的教學改革，力求將現代設計方法和設計手段貫穿教學全過程，以培養學生的空間想象能力、繪圖能力、計算機三維造型設計能力和二維工程圖的讀圖和表達能力。在實踐環節，學生經歷了尺規繪圖、徒手繪圖、SolidWorks三維成圖生成二維工程圖的全過程訓練。因教學內容和培養目標的改變，則必須精心組織教學過程，改進教學方法和手段。

教師準備了充足的網絡教學資料，制作了包括教學課件、微課視頻、典型例題、模型庫、作業庫等在內的線上線下資源供學生隨時隨地學習。在學校可視化信息平臺上傳了教學課件，建立了作業庫，開啟了在線隨堂測試，以了解和掌握學生的學習情況和學習效果，引導學生自主學習并培養其綜合運用所學知識解決問題的能力。

在課程講授時，適時應用SolidWorks建立三維模型，還用動畫演示彌補了以前的不足，使得教學更直觀、生動。基于SolidWorks的計算機三維成圖技術的“工程圖學”課程教學體系，如表1所示。

（三）實踐案例

進行相貫線相關教學時，傳統的教學方式是進行PPT演示，學生處于被動接受狀態，學習效果欠佳。而采用計算機三維建模技術，可以讓學生主動介入，直觀顯示內、外形體，并利用SolidWorks的剖切功能在窗口實時查看。通過修改尺寸，還可觀察圓柱直徑發生變化時相貫線形狀的變化。

進行裝配體相關內容的教學時，可應用SolidWorks的機械配合，完成齒輪嚙合的工作原理演示；還可利用單擊軟件屏幕左下角的運動算例按鈕進入運動模塊，添加馬達，制作齒輪油泵運轉的動畫。利用壓縮或更改透明度，可隨時觀察裝配體內部結構。利用爆炸分解功能，可實現齒輪油泵拆裝在課堂上進行動畫演示。

結語

基于三維圖樣的工程產品設計符合人的認知過程，是工程產品優化設計的基礎。將計算機三維成圖技術和諧融入現行的“工程圖學”課程教學體系，不僅導致授課內容、授課方式和考核方式等方面的變革，更促使了工程產品設計思維的回歸。因此，以成圖大賽為推手，順應快速發展的先進制造業需求，構建徒手成圖、尺規成圖和計算機成圖三者緊密結合的新工程圖學課程體系，可全面提升大學生的識圖與圖樣表達能力、計算機成圖能力、創新能力和實踐能力，培養出滿足當代社會信息化與工業化融合發展需要的創新人才。

參考文獻

［1］國務院關于印發《中國制造2025》的通知：國發〔2015〕28號［A/OL］.（2015-05-19）［2022-08-03］.https：//www.gov.cn/zhengce/content/2015-05/19/content_9784.htm.

［2］張海娟，談利斌.計算機技術發展給工程圖學教學帶來的巨大變革［J］.科技視界，2017（8）：157+146.

［3］毛文顏.我國工程圖學的歷史演變和未來發展研究［J］.考試周刊，2012（44）：162-163.

［4］劉克明.趙學田對中國圖學學科建設的貢獻［J］.圖學學報，2016，37（4）：443-450.

［5］李懷健，王劍平，張琪，等.基于成圖與建模創新大賽的思考［J］.圖學學報，2013，34（3）：134-137.

［6］第十四屆“高教杯”全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽成功舉辦［EB/OL］.（2021-07-26）［2022-08-03］.http：//www.chengtudasai.com/index/news/show/id/106.html.

Abstract： The maturity of 3D computer graphics technology makes the design of engineering product return to the origin of design thinking， which impacts the current teaching system of Engineering Graphics. National Undergraduate Graphics Technology Competition integrates the latest requirements of the manufacturing industry and the engineering community for engineering graphics at present， focusing on the innovative application ability of college students in three-dimensional mapping technology and drawing information processing technology. A new teaching system of engineering graphics is constructed， which fully integrates the 3D drawing technology and graphics information processing technology， by adjusting ， teaching objectives， curriculum content， teaching methodology and assessment method etc. Practice has proved that the new mode of “freehand drawing + rule drawing + computer drawing” is conducive to students sequential learning and conforms to the law of teaching and learning.

Key words： engineering graphics; teaching reform; innovation ability; 3D design; teaching mode