三维建模融入《工程制图》课程教学改革与实践*

魏剑

（三明学院 福建 三明 365000）

三维建模融入《工程制图》课程教学改革与实践*

魏剑

（三明学院 福建 三明 365000）

在计算机应用技术条件下，将三维建模融入到《工程制图》课程是时代发展的需求。通过对现有教学体系和教学内容进行改革，合理安排课时，处理二维图形与三维模型的关系，可以更好地培养学生的工程图学能力。

三维建模；工程制图；教学改革

《工程制图》是理工科的一门实践性非常强的技术基础课。随着计算机技术的飞速发展以及CAD/CAM技术的应用和普及，学生除了要学习传统工程制图技能，还要学习计算机绘图、三维建模等新知识。如何解决学时少、内容多的矛盾，处理好二维图形与三维模型的关系，更好地培养学生的空间思维能力就成为了工程制图教学改革的方向。

传统《工程制图》课程体系

传统《工程制图》课程教学内容由三大部分组成：一是画法几何，其核心内容是学习投影理论，包括点、线、面和基本立体的投影特性及作图方法、轴测投影和换面法，培养学生图解简单空间几何问题的能力和空间想象力、空间分析能力。二是制图基础，其核心内容是学习技术制图标准、组合体与机件常用的基本表示法，培养学生绘制和阅读投影图的基本能力，掌握标注尺寸的基本方法。三是机械图，其核心内容是学习零件图和装配图的有关知识。

三维数字化技术的现状

在当今的经济与信息时代，3D技术的应用在迅速改变着人们的生活。目前，三维数字化技术应用在工业设计、工程设计、模具、数控、仿真等方方面面，传统的制造业也发生了巨大变化。二维工程图样不再是工程界唯一的技术语言，应用三维CAD技术进行产品造型和设计分析是制造业今后发展的必然趋势。

传统工业产品的设计过程一般由三维设计构思、二维工程图表达、读图还原三维实体模型、三维制造与装配等步骤组成。现代工业产品的设计过程一般由三维设计构思、三维建模、三维分析计算、三维CAE/CAM组成。两者最大的区别在于设计思想的表达，前者人为地增加了二维图纸这一中间环节，而在二维图形与三维模型的相互转换过程中容易出现一些问题，可能影响设计思想和专业知识的表达。三维数字化技术的发展消除了二维与三维的转换环节，且三维模型比二维工程图更加符合人类的思维方式和设计习惯，可以更好地提高设计效率。

从我国制造业现状来看，绝大多数企业已经废弃图板，在产品的研发、分析等环节采用了三维技术，而最终的生产制造环节仍将其转换为二维图形进行生产。二维工程图和三维模型长期并存是我国制造业的现状。工程制图课程的定位、培养目标、课程体系、教学内容以及教学手段都应不断调整以适应时代发展对该课程的要求。

改革后的工程制图课程体系

从我校培养应用型理工科人才的定位出发，结合非机类专业在后续课程中较少涉及机械类课程的特点，本课程的培养目标定位于：使学生具有一定程度的二维读图能力；具有三维造型的理论基础，熟悉三维形体的形成过程，掌握较复杂形体的三维造型思路；加强徒手绘图训练；通过完成设定的教学项目了解实际工程项目在设计过程中的三维造型及工程图的完成过程。在教学实践中，根据画法几何和机械制图学习的不同阶段需要，稳步引入三维建模内容，进而形成完整的教学体系。以电子信息工程专业60学时工程制图课程为例，教学内容的设置和安排如表1所示。

表1 工程制图课程教学计划安排表

在画法几何的基本立体部分，我们引入草图概念，对拉伸体、回转体的形成及参数进行说明，使学生掌握三维实体造型的基本方法，对立体形成直观认识。

截交线、相贯线是本课程的难点之一。通过三维建模，学生可以清楚地了解截交、相贯的概念以及各种位置下的截交线及相贯线的形状。在教学过程中，我们以两正交圆柱进行各种布尔运算为例，如图1所示。虽然相贯体形状不同，但相贯线形状却是相同的，通过动画的形式表达，这种方式总结出来的投影规律更便于学生理解和掌握。

图1 正交圆柱的相贯线图

图3 双向构形想象图

在制图的基本知识中，我们将国家标准调整为学生自学内容，将线型、尺寸的标注贯穿到立体的投影、组合体的三视图、机件常用的基本表示法等章节中讲解，图数结合，以利于学生学习三维建模知识。

组合体一章是培养学生形象思维能力最关键的章节。我们通过开展单向、双向、多向构形想象训练，激活学生的想象与思维，拓宽学生思路，使学生将大脑沉积的表象进行全面的调动、整理，产生新的表象，如图2、3、4所示。在此基础上进行的组合体建模，有利于学生对组合体构形方法的掌握。

轴测图在整个教学体系中起到二维和三维间相互转换的桥梁作用，对教师徒手绘制立体图有较高的要求。

机械图部分比较简单，均从三维造型入手，先认识标准件、常用件，再熟悉其工程图画法。应先掌握典型零件的造型分析思路，再学习零件图；先熟悉装配体的装配顺序，再由三维模型直接生成二维工程图。

图4 多向构形想象图

教学实践

在教学实践中，采用的教学环节有课堂讲授、习题练习、计算机上机操作、考核等。

（一）课堂讲授

采用多媒体与板书相结合的方式，教师先使用PPT文档中的三维模型以及二维图样，通过丰富的色彩和动画演示刺激学生大脑接受信息，加深印象，然后关闭三维模型，显示不完整的二维图形，要求学生回忆三维模型的结构形状，补画完整三视图；也可以给出物体的二维图形，让学生绘出物体的轴测图，训练学生的形象记忆能力。这种二维图样与三维模型的转换训练，能使学生丰富表象、强化记忆空间形体的结构形状和二维图样的特点、激发大脑积极地思维。经过反复训练，学生能从三维形体特征和二维图样的表达特点中抽象出规律性的表象，这样的表象积累，有利于培养学生的空间想象力。但多媒体课件中每帧画面停留的时间和动画过程难以与学生的反应速度相匹配，所以对于个别章节（如交叉直线的投影特性、相贯线的求法）应采用板书形式，讲课的节奏要符合初学者的认知速度和思维习惯。多媒体与板书两者不可偏废，以求更好地满足学生的实际需要，达到更好的教学效果。

（二）加强实践

图5 补画组合体视图所缺图线图

工程制图的实践内容主要有课后作业、徒手绘图和上机实践，这些对于学生理解、消化课堂教学内容，提高学生解决实际问题的能力，培养学生形象思维和逻辑思维相结合的思维方式极为重要，应根据学生知识水平和接受能力布置必做题和选做题。学生做完题目后需要得到及时反馈或真实的三维模型，计算机技术的发展使此项要求得以实现。在点、线、面投影部分的答案主要用Flash制作二维动画，通过计算机演示功能将解题思路和步骤体现出来。其他章节的答案附加了三维模型及生成的二维工程图。图5为组合体三视图的习题集练习答案。每周安排2课时辅导答疑，帮助学生解决学习过程中遇到的问题。

徒手绘图可以在任何场合将自己的设计思想展现出来，所以即使在计算机普及的今天，徒手绘图仍应作为重要的实践环节而被保留。同时，要鼓励学生选修AutoCAD2006、UG NX精彩建模、Solidedge三维实体设计等课程，引导学生参加由中国工程图学会举办的全国CAD技能等级考证，以使学生达到职业教育“双证制”（毕业证、职业技能等级证书）要求，增强就业竞争力。

（三）严格考核

笔试采用闭卷形式，重点考核画法几何、制图基础知识、组合体视图补漏线或补视图、机件的各种表达方法等内容。计算机绘图能力和三维造型能力的考核在选修课中进行。

结语

三维建模融入到传统工程制图课程，对本课程教学具有重要意义。学生通过计算机造型对图形和形状关系能形成较具体的认识，能激发学生的学习热情。教学方法在保留部分内容板书的前提下应更多采用多媒体教学形式。上述教学模式将计算机技术和图形技术结合得更加紧密，符合现代三维设计过程，符合时代发展对工程制图课程教学提出的要求，强化了对学生三维形象思维能力和逻辑思维能力的培养，有效地提高了学生的制图能力。

[1]诸世敏，龚伶俐，马继英，等.基于UG三维实体造型技术的机械制图教学体系研究[J].怀化学院学报，2007，26（8）：110-112.

[2]叶军，孙根正.三维建模引入制图课程的改革研究[J].工程图学学报，2008，29（2）：168-172.

[3]李德宝，孟超，等.三维机械制图探索[J].现代机械，2005，（6）：41-47.

[4]侯洪生，张云辉，朱玉祥，等.工程制图教材中传统内容与三维CAD融合的研究[J].工程图学学报，2008，29（2）：173-177.

[5]段丽玮，刘苏.从大处着眼，从小处入手——谈非机械类工程图学教学改革[J].工程图学学报，2008，29（6）：127-132.

[6]姜立军.高校工科制图课程体系改革思路探索[J].工程图学学报，2001，（3）：120-125.

[7]薛寒松，何玉林，等.少学时工程制图教学改革与实践[J].高等建筑教育，2007，16（3）：98-101.

G712

A

1672-5727（2012）04-0169-02

三明学院教学改革项目《工科学生制图技能等级考试培训工作的研究与实践》（项目编号：L0909/Q）

魏剑（1977—），女，山西平定人，硕士，三明学院讲师，研究方向为机械CAD。