工程图学系列课程二维——三维双向式创新教学新体系改革研究＊

杨放琼，云 忠

(中南大学机电工程学院，湖南长沙410083)

工程图学系列课程二维
——三维双向式创新教学新体系改革研究＊

杨放琼，云 忠

(中南大学机电工程学院，湖南长沙410083)

通过引入现代设计理念，在二维教学模式的基础上，突出三维设计思想，将原有的以计算机三维实体造型为主线的工程图学课程体系改变为厚基础、重创新、强能力的工程制图二维、三维双向式创新教学课程新体系。实践证明:该教学模式已取得了初步成效，具有一定的推广应用价值。

工程图学;双向式;现代设计

一、国内外研究现状分析

目前，随着制造业信息化技术的加速，带来了设计方式的巨大变革。以计算机辅助设计CAD为例，三维CAD设计制造技术的出现，不仅使直接进行三维设计成为可能，更是从真正意义上实现了以产品几何模型为核心的CAD/CAPP/CAM一体化设计。随着知识更新的加快，原本是研究生课程的CAX课程群正逐步向本科生课程转移，并融入到机械系列课程的各环节。工程图学课程作为该课程群的最基本单元，必须顺应这一潮流的变化。同时，工程图学课程是工科类学生的一门量大面广的重要技术基础课程，也是各高校都十分重视的一门主干课程。而由于传统的工程制图教学远远不能适应先进制造业的飞速发展的需求，工程图学的教学改革一直是工科院校课程体系改革的主要内容;反过来，工程信息化，产品设计数字化等先进制造技术也为工程图学的发展提供了新的契机［1，2］。

目前存在着两种不同的设计方法:一种是以二维为主、三维为辅的设计方法，这是一种由二维设计向三维设计过渡时期的设计方法;另一种是完全立体化、数字化的三维设计方法。面对现代工程的需求，国内各高校都展开了该方面的研究［3，4］。而中南大学的教学模式可以分为两个部分，第一部分将二维CAD绘图与传统的工程制图相结合，并强调徒手草绘能力的训练;第二部分将三维实体造型与学生综合实践相结合，采用Pro/E软件，在二年级机械类学生中进行，着重培养学生的实体造型与创新能力。

国外高校在该课程的改革研究方面的做法是［5］:1)美国的一些高校近年来加强了徒手草图以及三维建模的教学内容。例如，弗吉尼亚州立大学《工程图学》的教学大纲中，有关二维的内容为画轴测图、用绘图软件画二维图;三维内容为用Solidworks生成零件实体模;三维—二维的转换内容为由实体模型生成二维图等。美国国家先进制造协会建议教育界应提高学生的二维读图能力以及三维实体造型与形体表达能力。2)根据1995年12月由日本设计工程学会发起的“工业界对大学设计制图的期望”的147个公司返回的问卷调查，日本武藏大学的平野重雄和东京大学的铃木教授提出了他们对二维与三维在工程图学中关系的看法。他们的结论是:(1)必须掌握制图基础和制图技能;(2)具备快速表达自己设计思想和图形的能力;(3)手工绘图对发展学生的空间想象能力和创新能力很有用;(4)要把手工绘图和CAD二者结合起来，没有手工绘图的基础就不会掌握CAD;(5)三维CAD时代正在快速走来，它使传统设计与绘图的思想、内容与方法都发生了变化，现在是讨论三维CAD教育的目的与内容的最好时候。

综合目前国内外的现状，特别是我国的国情，各地区、各行业间的差异很大，完全改变工程图的设计模式，用三维取代二维还是不现实的，工程图学中要正确把握二、三维的关系，既不要保守，也不要冒进。基于对目前国内外现状的分析及专家的看法，作者提出了面向现代工程的二维—三维双向式的工程图学教学模式，以适应新形势下机械类人才培养的目标和要求。

二、《工程图学》系列课程教学新体系的基本内容

面向机械类专业的机械制图课程包括工程制图和机械制图综合实践，工程制图课程以二维为主，包括制图基本知识和理论、机械图的绘制、计算机绘图、徒手绘图等;而机械制图综合实践课程着重于工程测绘、草图绘制等动手能力的培养，测绘对象为齿轮减速箱，有求学生绘制所有的零件草图并拼画出装配图。由于工程制图课中已涉及到测绘齿轮油泵的内容，因此，拟将机械制图综合实践课程内容进行改革，以三维构型为主，由三维图生成二维工程图;而工程图学课程以二维为主，加入三维实体构型初步的内容，形成由二维到三维，再由三维到二维的双向教学，使学生既能掌握由零部件到工程图的转换，完成设计的过程，又能实现由工程图到具体的零部件的转换，从而能够校验设计过程的合理性，理解设计的过程是一个不断反复、不断优化的过程，以符合现代工程设计的需要。经过几年的改革实践，将原有的以计算机三维实体造型为主线的工程图学课程体系改变为厚基础、重创新、强能力的工程制图二维——三维双向式创新教学课程新体系。

(一)基于传统工程图学课程改革与学生空间思维构型能力培养——厚基础

对大学一年级的学生，重点培养其空间想象能力，读图、绘图能力，计算机二维绘图能力。针对学生入门难的特点，从三维入手，逐渐建立三维与二维的对应关系，由浅入深、循序渐进，又由于时间关系，以及毕业设计反馈信息表明，学生二维绘图能力不太强，因此，计算机三维绘图为辅，重点培养其二维绘图、读图能力。适当削减复杂相贯、标准件等内容，加强构型设计、徒手草绘、工程设计能力的培养，特别是增加模型测绘，培养学生掌握零部件的拆装、结构、测量、公差等概念及其图形表达、标注的方法。

(二)基于综合创新实践课程改革与学生工程设计能力、团队协作能力培养——重创新

对大学三年级的学生，重点培养其计算机三维构型设计能力和创新能力。采取项目组的形式，学生自由组合进行创意设计，给出开放性的设计主题，由学生自主进行产品开发前期的调研，项目的组织管理，以及具体的设计、建模、虚拟设计与装配工作。每个学生完成各自的零件草图的绘制以及Pro－E三维造型，并在小组内进行虚拟装配，并生成二维工程图。使学生在由部件到零件、零件到部件的过程中不断完善设计方案，实现由二维到三维，再由三维到二维并行的双向式教学。具体内容如图1所示。

图1 综合创新实践课程体系

(三)基于毕业设计的综合运用能力的拓展——强能力

对大学四年级的学生，重点培养其综合运用能力。副教授以上的老师结合自己的科研课题，利用三维建模技术、可视化技术、虚拟现实技术等指导毕业设计，形成了一个可以不断反馈、不断改进教学效果的良性循环课程体系。

三、具体实施

(一)采取的具体措施

1.自由分组和开放式选题

通过自由分组和开放式课题选择，促使学生独立思考、观察生活、积极收集信息、相互讨论，博采众家之长，有利于培养互帮互助、协同合作精神。

2.项目设计

要求在一定时期内完成相应的设计项目，撰写中英文说明，促使学生熟练掌握Pro/Engineer，AutoCAD等计算机辅助设计软件;通过文献检索、中英文阅读以及归纳总结，不断提高自学能力。

3.公开答辩

通过公开的设计答辩环节让学生将自己设计的作品展示在老师和同学面前，并回答老师和同学的提问，进而提高他们的学习能力，增强自我认识、自我体验、自我评价的能力;同时让老师更全面地了解学生和诊断自身教学中存在的问题，以便帮助、督促学生更快地进步［6］。

(二)实施效果

学生们在教师的指导下，采用 Pro/ENGINEER、Inventor、Solidworks等设计工具，对机械产品、日常用品等进行了三维数字建模设计，极大地促进了三维设计方法在我校的推广及应用。2006年7月9日，由湖南省高等院校机械设计研究会和湖南省高等院校机械原理教学研究会主办，中南大学机电学院承办的“山河智能杯”第二届湖南省大学生机械创新设计大赛成功举行。2008年刘舜尧老师指导的“福娃爬杆清洁除冰智能机器人”学生创新作品获国家级一等奖;2006年云忠老师指导的学生作品获第二届大学生机械创新设计大赛国家一等奖1项、省级二等奖2项;2009年，中南大学机电专业被划为全国第一批创新型高级工程人才试验班(4+1+1)，体现了我院在探索创新型高级工程技术人才培养道路上“敢为人先”的改革精神。

四、结语

1.引入现代设计方法与理念，即设计过程为部件—零件—部件间不断完善、不断优化的过程，从设计对象的整体出发，将传统的零件—部件的教学顺序改为部件—零件—部件，将传统独立的机件表达方法融入零部件图样表达之中，实现从三维到二维，再从二维到三维的双向教学。

2.突破了传统教学模式，加强课程的综合性、实践性，实现工程图学与机械工程训练基础等相关课程的衔接与整体优化。

［1］马彩祝，谢 坚.画法几何，何去何从［J］.工程图学学报［J］.2008，29(6):144－148.

［2］袁宝民，闫成新.面向现代工程中两种设计方法的工程制图教学改革［J］.工程图学学报，2006，(4):138－143.

［3］焦永和，张彤，陈军，等.第7次普通高等学校图学教育现状的调查与研究［J］.工程图学学报，2009，(3):068－072.

［4］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，2005，(4):131－135.

［5］舒宏，胡清泥，高菲.中日机械制图教材的比较及对教学改革的启示［J］.工程图学学报2005，(1):166－171.

［6］云忠，王艾伦.基于创新大赛的机械工程拓展型人才培养模式的研究与实践［J］.高等教育研究学报，2010，(9):116 －120.

2011－05－03

湖南省高校教学改革研究项目(湘教通［2010］243号)

杨放琼(1966－)，女，湖南长沙人，副教授，博士。