基于数字化设计的现代工程图学教学模式研究

贺春山，刘晓杰，李庆华

(1.长春大学 机械工程学院，长春 130022;2.吉林大学 生物与农业工程学院，长春 130012)

基于数字化设计的现代工程图学教学模式研究

贺春山1，2，刘晓杰1，李庆华1

(1.长春大学 机械工程学院，长春 130022;2.吉林大学 生物与农业工程学院，长春 130012)

本文分析了制造业的技术发展对工程图学教育的要求，指出了图学教学改革的方向。对传统工程制图与三维设计要求下的工程图学之间的区别做了深入分析，明确了数字化工程图学的基本定位与内涵，规划出新图学教育的模式和基本内容体系框架。对教学改革中传统内容与现代内容的衔接、协调、融合等方面的一些问题进行了初步研讨，并提出相应解决方案。

工程图学;教学改革;三维设计;数字化

工程图学是一门与生产实践紧密结合的课程，它的发展也必然随着生产实践的发展而发展。而制造业不断的信息化、集成化，必然要求工程图的信息化、数字化。从实际应用来看，三维参数化是工程图数字化的基础。因此，笔者认为，基于三维数字化设计的现代工程图学必然是以产品设计为导向，以三维设计造型为基础的，注重实践技能的技术基础课程。

1 数字化是现代工程图的基本特征

工程图的信息化不仅是把图样“画”到计算机里，而且是把图形的数据信息，以合理的数据结构存储到计算机里，并且能够为各种工程应用提供模型基础。制造业的信息化、数字化给现代工程图学带来了新的特征:工程图学、设计学、计算机图形学逐步融为一体，用计算机三维实体造型来表达设计思维，用几何数据库传递设计信息，同时要求必要的草图绘制能力。可以认为，设计制图的基础是以合适的数据结构建立3D数字几何数据库，将构思设计、立体造型、设计分析、虚拟样机制造、装配检验、绘图工程图、编制生产文件等全过程均由数据信息并行传递工程师在设计产品时的原始冲动是三维的，是有颜色、形状、大小、位置、材料、运动关系、制造工艺等等具有几何或者其他数据关联的实际物体。同时，一项产品的设计开发，不但要建立产品的几何模型，还要有结构力学分析、运动机构分析、仿真或者振动分析，以及生成工艺规程文件、数控加工、成品检验等设计/制造一体化工作。传统的二维设计，不管是在图纸上，还是在计算机上，由于原始数据的不完整，很难完成这些工作。而三维参数化设计既可以把设计者的原始设计想法变成实体，实现设计的实体化、可视化，也包含完整的原始设计数据。三维的设计结果，不仅有参数化的几何特征，还有相关联的工艺、运动等其他技术信息，可以支持产品设计生产的全过程。在参数化的三维实体完成之后，设计人员可以利用计算机软件的二维/三维关联功能，直接生成二维工程图。而更加重要的是，三维几何模型可直接用于很多计算机辅助工程(CAE)，以解决产品的力学性能分析以及结构性能的优化设计等问题;利用其工艺信息，可以实现与产品的工艺规程生成(CAPP)、数控加工(NC)程序的数据共享和集成。可以说，这样的过程，正是产品设计数据的数字化过程。

与二维设计不同，三维参数化设计是一种完全数字化、信息化的设计，它使整个设计生产过程实现了数据的高度一致性，并极大地提高了设计效率，并为产品项目管理、生产过程管理、销售、财物等等的企业资源管理(ERP)提供了基本的原始数据，见图1。

图1 参数化的三维CAD数据的作用

可以说，数字化生产要求工程图的数字化，这也必然要求工程图的底层模型的数字化，其必然结果就是设计出参数化的三维几何模型。而设计生产的全过程就可以根植于参数化三维实体，进而完成其他所有可能的应用，包括产品的结构设计、性能分析(如运动分析、力学分析、可靠性分析等等)、数字化样机模拟、加工检测及相应的工程文件、产品发布和销售、使用、培训的技术资料、产品研发的项目管理、产品生产制造的成本分析及财务数据提供等等。

基于上述分析，现代工程图学应该将以二维设计为主的教学模式，转换为以三维参数化设计为出发点，兼顾投影理论和二维图样表达方法的，与现代生产实践的数字化相适应的教学模式。

2 数字化工程图学要求的教学模式

由于制造业的数字化、信息化、网络化的不断发展，必然要求现代工程图学调整自己的教学目标和教学手段，进而形成继承传统，又有创新的现代工程图学教学新模式。如果说将计算机二维工程图的教学融入工程图学教育是一种教学改革的话，那么，将参数化三维设计的理念和工具融入工程图学教学，就是一种革命。

2.1 数字化工程图学教学目标

数字化的工程图学要求的教学模式应该达成如下目标。

①培养使用绘图软件进行参数化的三维几何特征造型及简单装配的能力;

②培养对空间形体的形象思维能力和表达能力，掌握基本的构型方法;

③由三维模型绘制二维工程图样，并掌握二维工程图的表达方法;

④初步掌握现代工程设计理念和工程设计的基本常识，培养基本的工程意识和素质。

2.2 数字化工程图学的教学体系构建原则

课程体系与设计过程保持一致;以优秀的三维设计软件为工具，以产品设计为主线，从三维参数化实体模型出发，按照从三维到二维的设计思维来构建课程，将三维建模，二维工程图表达以及机械制图知识融为一体;尽量弱化在工程制图中不可见的画法几何的内容，其难点尽量不涉及。

图2 三维设计中的相贯线自动生成

对于学生来说，画法几何的难点是截交线、相贯线。而这些交线在三维设计中都是自动生成的，不需要特意关注，见图2;在传统的工程图中，相贯线(过渡线)也是采用近似画法的。所以，这部分弱化或者略讲，并不影响工程图学的教学结果，也不影响未来的工程师们的实际工作。

2.3 数字化工程图学的教学体系及模式

包括三个环节:正课、辅导制图课、上机实验课。

正课是主要的教学内容，由教师主导完成，是实现教学目标的重要环节。应该包含画法几何的基本知识和机械制图的大部分内容如:制图基本知识、正投影法及点线面体的投影、换面法等、组合体三视图、表达法、构型法、轴测图、标准件及零件图、装配图;还应该包含计算机二维绘图(AutoCAD，要求自学)、三维设计软件的建模和装配(Inventor)。这些内容应该融合在一起，工具软件和课程应用要有机的结合。比如组合体与构型法就应该放在一起讲;零件图和表达法应该在三维造型之后讲，并且表达法应该放在零件图里;而零件图和三维建模、表达法等也要做结合，并通过上机实验来进行简单的产品设计。

辅导制图课，包括答疑，习题讲解、和尺规、徒手绘图。从传统的教学经验上看，在点线面体的三面正投影中，线、面、体的投影性质和空间分析均应安排习题课，组合体部分也应该安排适量的习题讲解。而制图基本知识、组合体、轴测图、标准件、零件图、装配图部分均应有尺规绘图，并且应该安排一次徒手绘图课。有实物模型的也可以安排积木教学讨论课。

尺规制图和徒手图是培养学生工程意识和工程能力的重要手段，在现阶段不宜取消，而要有适量的和适度的要求。

表1 数字化工程图学的教学体系框架

上机实验课，包括二维绘图和三维造型及工程图。鉴于目前国内的AutoCAD应用非常普遍，应适当引导学生自学该软件。课程中应该主要以三维设计软件为主，并且以草图约束、三维建模方法、装配表达、二维工程图生成及表达为重点。实验内容设置上应该考虑以产品设计为线索，可以安排简单的产品设计综合题目，如摆钟设计、自动铅笔刀设计、小台钳设计等。

4 结语

在计算机三维技术的支持下，工程领域尤其是制造业已经发生了深刻的变革，在这种情况下，工程图学的教学内容必须有所扬弃，教学模式也应深入改革。继承传统，引入前沿知识和技术是必然的选择。以三维设计为核心的，数字化的工程图学教学与以往的以二维工程图为主的教学模式有很大区别，必须采用适应制造业发展的教学方法和手段。而引入三维设计软件作为课程工具则是工程图学课程不能回避的唯一出路。

［1］ 窦忠强，等.高校的CAD教学应从三维开始［J］.工程图学学报，2001(4):112－105.

［2］ 陈锦昌.本科工程图学课程基本要求的修改［J］.工程图学学报，2004(3):101－105.

［3］ 童秉枢，易素君，徐晓慧.工程图学中引入三维几何建模的情况综述与思考［J］.工程图学学报，2004(4):130－137.

［4］ 冯娟.美国高校工程图学教育特色分析［J］.工程图学学报，2008(3):139－144.

Research on Course System of Engineering Graphics Based on Digital Design

HE Chun-shan1，2，LIU Xiao-jie1，LI Qing-hua1
(1.College of Mechanical Engineering，Changchun University，Changchun 130022，China;2.College of Biological and Agricultural Engineering，Jilin University，Changchun 130012，China)

This paper analyzes the requirements of manufacturing technology for the development of education in engineering graphics，pointing out the reform direction of graphics teaching.By analyzing the differences between the traditional engineering drawing and graphics under the request of the 3-dimensional design，it makes clear the orientation and the basic connotation of digital engineering graphics，and plans a system framework of mode and basic contents of modern graphics education.In the teaching reform，the connection，coordination and integration between traditional content and modern content are discussed and the solutions are given.

engineering graphics;teaching reform;3-dimension design;digitization

G420

A

1009－3907(2011)12－0104－03

2011-03-19

长春大学教研基金项目(XJZD10-02)

贺春山(1969-)，男，吉林长春人，讲师，博士研究生，主要从事数字化机械设计方面研究;

刘晓杰(1956-)，男，吉林长春人，教授，主要从事数字化机械设计方面研究;

李庆华(1968-)，男，吉林蛟河人，副教授，博士，主要从事数字化设计制造研究。

责任编辑:刘 琳