應用三維設計軟件的混合式教學改革與探索

楊磊 陸俊杰

摘?要：工程圖紙是產品設計信息表達與交流的技術語言，它廣泛應用于機械、航空、船舶、土木、國防、汽車、化工等領域。工程制圖課程是廣大工科專業一門必修的基礎課。隨著計算機在工程領域的深入應用以及在工程教育認證的大背景下，很多課程進行了課程壓縮。工程制圖教學課時幾乎壓縮至原來的一半，這將引起課程內容過多、教學方法陳舊、CAD實踐課程有待優化等問題。針對這些問題，本文提出應用三維軟件強大的建模能力，結合工程制圖的課程重點和難點，建立與知識點關聯的典型案例的三維模型，通過模型操作、視圖剖切展示，線下與學生進行交互式、直觀的課程知識點講授。該方法可以降低學生工程制圖課程的學習難度，提高教師的教學效率。同時利用網絡教學以及三維軟件的建模優勢，提出應用三維設計軟件線上線下混合式教學改革方案。利用超星學習通網絡教學平臺的資料、活動、討論、作業、考試等功能，將三維模型、二維和三維CAD軟件操作視頻傳至網絡教學平臺，進一步豐富了課程內容，提高了課程與企業需求的契合度，進而有助于人才培養質量的提升。

關鍵詞：工程制圖；三維設計軟件；混合式教學

中圖分類號：G642

一、概述

工程圖紙是產品設計信息表達與交流的技術語言，它廣泛應用于機械、航空、船舶、土木、國防、汽車、化工等領域。工程制圖課程幾乎是所有工科專業必修的一門課程。它以畫法幾何的投影理論為基礎，在平面上用圖形表示空間幾何形體。這門課程的主要目的是培養學生的空間想象和空間分析能力，并掌握形體表達的基本方法，讀懂工程圖樣的初步能力。隨著計算機輔助設計（CAD）技術的快速發展及應用，傳統的手工制圖的模式已基本上被CAD所取代，尤其是三維CAD技術［1］。三維CAD軟件融入工程制圖教學已有一些教師進行了嘗試［24］。三維CAD具有強大的建模造型功能，在產品三維造型設計、運動學分析、結構力學分析、動畫制作、數字孿生等方面應用越來越廣泛。產品設計圖紙已由三維模型轉二維工程圖的方式逐漸取代二維出圖的方式，三維直觀而又形象的展示方式已被各大行業所青睞。然而目前，高校的工程制圖的上機實踐課程還是以二維CAD為主。應用三維設計軟件融入工程制圖教學過程，可以更為形象地表達三維的物體，幫助學生理解課程中的知識點，還能讓學生學到物體三維表達的新技能，激發學生的學習興趣。這種教學方法將社會發展的需求與課程緊密結合，幫助學生更好地規劃后續其他課程的學習。

二、工程制圖教學現狀及存在問題

（一）工程制圖教學內容有待調整

當前工程教育認證的大背景下，大部分課程課時被壓縮［5］。目前，高校中工程制圖課程已由原來的96課時壓縮為32課時制圖理論+16課時上機實踐。長期以來，工程制圖的教學內容以點、線、面的投影理論、立體、組合體、零件圖、裝配圖等內容層層推進。這種方法雖然可以使學生對制圖知識體系有一個較全面的認識，但是制圖理論知識較為抽象、難懂，容易讓學生形成“枯燥、乏味”的印象，產生不良情緒，影響課程教學質量［6］。再者，由于課時的壓縮，課程進度加快，學生在短時間內掌握制圖理論知識也變得更困難，降低了學生學習積極性。在課程壓縮的背景下，工程制圖的教學內容也需要調整，課程中的重點要細講，如投影面平行線、垂直線、投影面平行面、垂直面等的投影特點；非重點部分少講或不講，如直線的實長和傾角求法、平面的傾角與實形求法、球及圓環表面點的投影等。

（二）工程制圖教學方法有待更新

傳統的工程制圖教學方式是以教師為主導，借助繪圖尺、石膏模、木模等工具，講授制圖理論知識。制圖中投影理論較為抽象、晦澀難懂，有些同學在點、線、面的投影中的理論知識基本可以掌握，但應用實際三維物體的投影時就難以理解。因為，三維物體到二維圖紙，由二維圖紙構建三維模型的過程中需要學生具有一定的空間構想能力，這種能力需要通過不斷訓練、實踐來提高。石膏模、木模在一定程度上能夠幫助學生提高空間構想能力，但是這類模型存在制作成本較高、模型種類有限、投影線遮擋不清晰、不宜制作復雜模型等缺點，對學生的幫助有限，稍微復雜點的模型學生就難以構想。

隨著計算機技術在工程制圖中的成熟應用，尤其是三維CAD具有強大的建模造型功能，可以輕松構建出各種各樣復雜的模型，不管模型大小，可以通過自由旋轉、移動、縮放等功能全方位展示模型的三維結構，還通過視圖剖切功能可以清晰地展示物體的內部結構，具有實體模型無可比擬的優勢。這種新型的教學方式可以極大地幫助學生理解課程中的難點和重點，提高空間構想能力，調動學生的學生積極性，同時也能提高教師的教學效率。

（三）CAD實踐教學內容有待優化

目前，高校的CAD實踐課程還是以二維CAD為主，即用CAD軟件直接繪制二維圖紙。然而，現在很多企業的二維圖紙已采用先三維CAD建模，再導出二維圖紙的方式，這種方式在很大程度上提高了出圖效率。有的甚至直接由三維CAD模型進行產品生產，如CAM數控加工、3D打印等。但這并不意味著二維CAD繪圖完全被取代，由三維CAD導出二維圖紙還有些細節問題需要在二維CAD中修改。因此，高校的CAD實踐課程應當增加三維建模、裝配的內容。這不僅能幫助學生更深入地學習工程制圖理論知識，提高學生的學習興趣和成就感，也更有利于培養符合企業需求的學生。

三、應用三維軟件的工程制圖教學改革探索

在科技大發展的大環境下，為應對課時縮減及企業需求的變化，在工程制圖課程中應用三維軟件進行教學改革是勢在必行。本文基于工程制圖課程的重點和難點，結合知識點有關典型模型，利用三維CAD軟件構建三維模型，結合超星學習通平臺，構建一套線上線下混合式的教學課程。

（一）三維軟件在線下教學中的探索

工程制圖中關于點、線、面的投影理論知識相較于立體、組合體的投影，學生比較容易掌握，采用繪圖尺繪圖、PPT演示進行講授即可。對于立體章節內容，棱柱、棱錐、圓柱、圓錐等基本體表面上點的投影，利用點的投影規律、面內取點法講解，學生基本可以掌握。對于平面與立體相交、立體與立體相交、組合體的二維繪制、組合體的讀圖分析等內容，由于涉及截交線、相貫線、不可見線、空間構形等問題，學生理解上存在困難。針對這部分內容，結合課程知識點，選取相關模型，應用三維CAD軟件構建三維模型，授課時通過模型的旋轉、平移、縮放等操作，直觀清晰地展示模型與知識要點的關系，這種三維交互式的教學方式可以促進學生對制圖理論知識的理解和掌握。

右表所示為工程制圖中幾個重要知識的典型模型和對應的三維模型示例，右表中列舉的知識點包括多個平面截切棱柱、多個平面截切圓柱、圓柱外外相貫及內內相貫、組合體畫三視圖畫法、剖視圖注意的要點等。右表中序號1的模型為一個正垂面和一個水平面截切六棱柱，兩個截平面的形狀分析、俯視圖中被遮擋的棱線是學生難理解的知識點，通過三維模型可以清晰地展示截平面的形狀、視圖中的遮擋關系。右表中序號2的模型為一個正垂面和一個側平面截切空心圓柱，兩個截平面與空心圓柱外表面和內表面截切形狀分析是該部分的難點，通過三維模型可以清晰地展示出截交線為矩形和橢圓以及內外圓柱的轉向輪廓線。下表中序號3的模型為一個水平半空心圓柱和豎直空心圓柱相貫，圓柱外表面直徑相同相貫線為平面曲線，圓柱內表面直徑不同相貫線為空間曲線，這是學生難以理解的知識點，三維模型可以直觀地展現出相貫線的空間形狀及投影特點。下表中序號4的模型為疊加型組合體，該組合體包含了平面與曲面相切、平面立體與回轉體相交、圓柱相貫等知識點，對于組合體學生容易出現交線多畫或漏畫、視圖遮擋關系不明等錯誤，三維模型可以幫助學生理解、融合、鞏固知識點的綜合應用。下表中序號5為組合體剖視的模型，剖視圖中易漏的線和已表達清楚的虛線不畫等知識點學生理解上存在困難，三維模型可以將剖開后的模型直接展示給學生，一目了然。

以上所舉例子只是工程制圖中的一部分，在授課時不能直接給學生展示三維模型，先引導學生構想三維模型，然后逐步構建二維與三維的投影關系，最后展示三維模型幫助學生構建和修正之前大腦中模糊或錯誤的三維模型。在傳統的教學中，從二維到三維構想過程難度大，猶如一條難以逾越的鴻溝，從而打擊學生學習的積極性。三維CAD構建的模型宛如一條跨越這段鴻溝的橋梁，降低了空間構想難度，提高了學生的學習興趣，通過長期的訓練，學生的空間構想能力將不斷提升。

（二）三維軟件在線上教學中的探索

網絡教學具有打破學習時間和空間上的限制、學習資源更加豐富、教學管理更加方便等優勢，但也存在學生學習情況不易掌控、師生交流不及時等問題。如果采用線上線下混合式的教學方式，可以發揮兩者的優勢，提升學習效率，提高教學質量。

超星旗下的學習通平臺集成了活動、資料、通知、作業、考試、討論等功能，教師可以根據課程進度上傳相應的資料，如PPT、三維模型、模型操作動畫等，學生可以課后在平臺上瀏覽PPT、觀看動畫、下載模型查看等深入學習課程知識。如果學習通平臺能夠實現三維模型在網頁上進行旋轉、平移、縮放等功能，這種交互方式更能添加工程制圖線上教學的沉浸感。教師可以通過學習通平臺布置作業、課堂過程考核測試、討論問題等教學活動。根據學生作業情況，找出

較難、易錯的題目，構建三維模型課上講解或上傳學習通平臺，幫助學生答疑解惑。學生有問題，便可通過平臺向教師求助。

利用網格教學平臺，學生與教師的交流可以不受時間和空間的限制。應用三維軟件可以解決大部分工程制圖中的問題，通過網格教學平臺將解題思路和三維模型發布，可以幫助教師給學生答疑解惑的效率。利用平臺的討論、分組任務、活動等功能，能調動學生的學習興趣。

（三）三維軟件在CAD實踐教學中的探索

目前，高校的CAD實踐課程還是以二維CAD為主，包括軟件的基本操作、繪圖命令、標注、圖塊、零件圖等。企業在結構設計、運動分析、產品展示、動畫制作等方面對三維CAD都有需求，因此在CAD實踐課程中融入三維CAD的入門教學，有助于學生后續課程規劃、學習新技能、提高求職競爭力。雖然CAD實踐只有16課時，但是內容相對簡單，大部分學生掌握得較快，可以壓縮出2至4個課時講解三維CAD的入門課程。二維CAD課程內容的授課時長需要相應調整，對于二維CAD中軟件的基本操作、繪圖命令，教師可以錄好教學視頻，發布到網絡教學平臺，線下課程則縮減軟件基本操作、繪圖命令練習時間，軟件操作和命令在零件圖部分加強訓練和熟悉。壓縮出的課時用于講解三維CAD的入門，內容包括草圖設計、三維特征命令、修改命令、簡單的裝配等。三維CAD中草圖設計的內容與二維CAD大同小異，可以快速講解。三維CAD教學內容全部錄制視頻，發布到網絡教學平臺。線下課程則以幾個三維建模案例進行教學。這種教學方案利用了線上線下混合式教學的優勢，將軟件操作、繪圖命令等內容移至線上，提高了線下課堂的利用率，添加了三維CAD課程內容，不僅豐富了課程內容，更提高了課程與企業需求的契合度，提高了人才培養質量。

結語

本文闡述了工程制圖教學課時壓縮、課程內容有待調整、教學方法有待更新、CAD實踐課程有待優化的現狀，針對這些現狀，本文提出應用三維軟件強大的建模能力，結合工程制圖的課程重點和難點，建立與知識點關聯的典型案例的三維模型，通過模型旋轉、平移、縮放、視圖剖切等操作，線下與學生進行交互式、直觀的課程知識點講授。該方法可以降低學生工程制圖課程的學習難度，提高教師的教學效率。隨著網絡教學的發展，線上線下混合式教學的優勢不斷顯現。利用超星學習通網絡教學平臺的資料、活動、討論、作業、考試等功能，將三維模型，二維和三維CAD軟件操作視頻傳至網絡教學平臺，進一步豐富了課程內容，提高了課程與企業需求的契合度，有助于人才培養質量的提升。

參考文獻：

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［3］張月，楊建，徐東濤，等.基于SolidWorks的畫法幾何及［J］.中國冶金教育，2022（5）：3738.

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［5］曾威，孫文，孫艷萍，等.工程教育認證背景下面向工程實踐的“工程制圖”課程教學改革［J］.科技資訊，2022，20（23）：4.

［6］孫艷萍，鮑澤富，曾威，等.以工程應用為導向的“工程制圖”課程教學改革［J］.西部素質教育，2021，7（11）：3.

基金項目：上海市教委2022年度上海高校青年教師培養資助計劃項目——ZZ202212036

作者簡介：楊磊（1987—?），男，江西上饒人，博士，講師，研究方向：結構沖擊力學、智能制造。

*通訊作者：陸俊杰（1990—?），男，上海人，博士，講師，研究方向：轉子動力學、工程摩擦學、智能制造。