基于参数化造型设计及表达的工程制图国际化教学实践

罗会甫， 焦永和

（北京理工大学机械工程学院，北京 100081）

机械专业国际班是北理工国际化专业建设最早招生的三个专业之一，我院制图教研室承担国际班工程制图课程的教学任务。借鉴国外高校的课程体系，结合国内实际情况，国际班制定了全新的教学计划。工程制图课程在这个框架下也相应地对教学计划、内容、方式进行了大量的调整和探索。

传统的工程制图以手工绘图和尺规作图为主，计算机绘图和参数化设计作为后续课程或者课内简介。这样的安排严重滞后于计算机技术的发展和国外高校的通行做法[1]，工程制图的教学体系需要进行较为彻底的改革是工程图学界的共识，但是改到什么程度、如何改也是一直困扰的问题。国际班的招生和教学的开展为本课程提供了一个探索和大胆改革的机会。

1 传统工程制图课程探讨和解析

随着计算机技术的发展，高等教育乃至几乎所有的教育环节，派生出了越来越多的计算机基础、与计算机相关的专业课程。计算机作为一种必备的专业工具在基础教育和专业教育中占据非常重要的地位。与计算机技术相关的课程也相应地越来越占有更多的学分和课时，对原先的教学体系形成了冲击。以北理工机械专业的机械制图课程为例，几经削减，现在的学时只有50年代的1/2强。由此引发一系列需要探讨和解决的问题。

1.1 课程目标调整的需求

在课时大幅度削减并且还要增加计算机绘图基础的情况下，如果拘泥于原先的教学设计，只能是近似平均削减各章节的学时。其直接结果是每章都讲不透、练不够。到计算机绘图基础阶段，更是蜻蜓点水，聊胜于无。而随着计算机技术的发展，三维参数化造型设计及表达技术越来越广泛地应用于设计实践。一方面是设计实践对复杂立体的投影和尺规作图技能的需求弱化；另一方面是需要耗费大量学时训练的复杂立体投影图绘制技术、空间几何问题求解技术，使用三维造型软件完全可以很容易地实现。因此，如果不对教学目标和计划进行彻底的调整，把有限的学时应用到设计思想的精确表达、表达方法的训练上来，学生无法通过课程的学习获得扎实的设计和表达的基本技能。

1.2 课程基础和课程目标在学时分配上的矛盾

在传统机械类工程制图的教学设计中，画法几何、投影理论、基本体投影、截交线、相贯线等组合体画图基础部分的学时太长，学生在前大半个学期的学习接触不到工程实际、课程目标直接相关的内容，不易提高学习兴趣。在国外同类课程的教学设计中，大幅度压缩以上内容，采取直奔教学目标的方法，将关键基础知识融入和教学目标直接相关的部分章节中，大量学时用于读画视图、表示方法等内容，大量使用或依赖三维造型设计软件进行设计的工程表达。

1.3 教学资源、考核方式和教学目标的矛盾

和学时和内容相对应，在传统的工程图学教材中，在组合体以前章节中的例题和习题，都是纯粹为讲解画法几何和视图的画图方法而设计的，这样，教材近1/2的例题和习题脱离工程实际，和国外相关教材几乎用工程实例图样贯穿教学的方法形成鲜明对比。

考察环节中，为全面掌握学生对课程的掌握情况，一般分别对应画法几何、截交线的画法、相贯线的画法等知识点而设计考题，这样在考题中不可避免地出现远离工程实际的、怪异形状的立体表达的考核，严重背离课程的教学目标。

2 机械工程国际班工程制图课程教学实践

北理工机械工程专业国际班的工程图学课程设计和实践中，进行了如下探索：

2.1 改进教学设计和计划

借鉴国外同类课程的教学经验，顺应生产设计实践中以三维参数化造型设计为主流的现实，改革教学设计，引入参数化、变量化概念，加强设计及表达的理念，使学生通过本课程的学习具备较强的设计和表达基础。

2.1.1 以工程设计及表达为目标指导教学设计

基于面向目标的教学设计，在参考国外相关院校本门课程设计的基础上，兼顾尺规作图和草图基本训练的同时，适当压缩画法几何和投影理论的课内学时，增加三维造型设计部分内容，以熟练读取工程图和使用三维造型软件设计并生成清晰、规范的工程图，同时具备一定的尺规作图和草图能力为教学目标，设计了相应的教学大纲，并根据实际教学编写了教学日历。在课程设计中，突出本门课作为设计工具和表达手段的理念，以使学生熟练掌握造型设计和工程图表达的基本知识和方法为目标，为后续的专业基础课、专业课的学习奠定良好的基础。

2.1.2 教学设计和实践中，引入参数化、变量化、基于装配的设计等参数化造型设计理念

将参数化造型设计所具有的参数化、变量化、形状位置约束等概念及设计理念引入工程图学教育，将工程制图课程由原先的对固定尺寸、固定形状的立体投影画图工具转变为参数化、系列化产品的设计工具。

将基于装配的零件设计理念引入工程制图，解决装配中零件的凑配设计。在传统的工程图学教学体系中，零件的凑配设计技术需要有多年设计实践经验的工程师才能很好的掌握，而且空间尺寸凑配还需要繁杂的画法几何相关基础知识[2]。但是借助三维造型设计软件，引入基于装配的零件设计理念，在部件环境下在位创建零件，传递配合零件的参数，可以使学生快速掌握这门原先使用传统手段“老师傅”才能具备的技术。

2.1.3 教学计划及说明

本课程分2学期进行，第1学期大幅压缩组合体以前的学时，从30学时压缩到8学时，在组合体视图讲解以后再用4学时回补所需要的相关基础知识。第1学期重点介绍复杂立体的视图、表示方法，本部分近30学时。将原先第2学期介绍的零件图、装配图相关知识提前到第1学期进行简单介绍。

第2学期介绍造型基础和工程图生成技术，穿插复习表示方法、零件图、装配图等相关知识，将和零件图装配图相关的常用件、表面精度、公差和配合放在相关工程图生成环节介绍。

教学计划如下：

《工程制图Ⅰ》（共48学时，其中课内实验课4学时）

1）课程简介、尺规作图、制图标准（8学时）

2）正交投影及视图（含读图、画图、尺寸标注、cad二维计算机绘图）（20学时）

3）表示方法（含视图表示方法及剖视）（10学时）

4）轴测图（2学时）

5）螺纹连接及紧固件（2学时）

6）零件及装配图（6学时）

《工程制图Ⅱ》（共32学时，其中实验课12学时）

1）三维造型基础（8学时）

2）参数化设计的工程图表达（20学时）

3）表面粗糙度、公差配合（2学时）

4）常用件（键、销、齿轮、弹簧）（2学时）

2.2 建设面向教学目标、结合工程实际的教学资源

教学资源的建设以满足教学目标为原则，兼顾可行性。尽量选用与工程实际相贴近的素材。

2.2.1 教材的选用

如1.3节中所述原因，在多年的教学中，教研室的教师普遍有刚开始接触工程实例课程就结束的体会。为此，国际化班在对比5种国外原版教材的基础上，选用了最适合本门课程的英文原版影印教材，紧扣教学目标制作ppt，设计习题和例题。

该教材在体系安排上和国内教材的风格最接近，素材内容上以实际零件为主，清华大学出版社在影印出版时，对教材除了删减部分明显不属于国内大纲内容的章节（如加工过程、材料等）外，其他章节未作任何改动。因为是影印本，价格和普通图书一样，学生使用时也有可行性。

2.2.2 紧扣教学目标的ppt演示文稿制作、例题习题的选用

紧扣教学目标制作ppt，设计习题和例题十分重要。在ppt制作过程中，严格注意专有名词的规范性，将多年的工程图学教学经验贯穿于课件的制作中。在例题和习题的选用和设计中，选用涵盖相关知识点的接近实际零件的资源和素材，增加学生的学习兴趣。

2.3 引入参数化、变量化概念的全英文教学实践

全英文教学实践，在教学实践中以面向目标的方式讲解制图标准，基于一套标准打通国标和美标，培养学生的专业国际交流基础；贯彻参数化设计理念，使本门课程真正成为设计和表达的有效手段，而不仅仅是画图的工具。在设置习题时，针对典型内容，部分习题采用同一练习内容采用手工绘图、autocad二维计算机绘图和三维参数化设计生成工程图的方式反复操练，加深学生对内容和设计手段及方法的理解。

2.3.1 英文授课的目的和制图标准的处理、讲解

国际班的课程在教材、ppt、作业、教学过程、考核环节全部采用英文。英文授课是手段不是目的，目的是使学生熟悉不同的投影体系和标准（实际上中国的标准本来就是在国外标准的基础上本地化的，学生掌握起来没有难度），熟悉相关专业词汇，为后续课程的学习和国际交流打下基础。

教学中，用和教材相同的美国标准及第三角投影贯穿教学的前半部分，当学生有一定基础时，介绍第一角投影。在后续的练习中，让学生练习第一角和第三角投影的切换。讲解国家标准时，用和教材相同的美国标准贯穿课程，然后随时讲解中国标准和美国标准不同的地方。因为中国的国家标准是以国际标准为蓝本本地化的结果，所以需要学生特别记住的地方不多，不会引起标准的混乱。而且通过这样的讲解，也能使学生了解相关标准的来历，使学生对标准在理解的基础上使用，而不是盲目地记忆、遵从。

讲解标准时，以面向目标的方式讲解制图标准。通常的理解，制图课程的繁琐标准是教学的重点和难点，在本课程的教学中，结合多年的教学经验，从课程的目标——设计的工程图形表达需求的角度去理解标准，让学生理解。只有遵循这些标准才能清晰无歧义地工程表达自己的设计，而且，相关标准还合理化地简化了部分真实投影图。在理解的基础上，学生就能更好地掌握和使用标准。

2.3.2 教学过程中参数化设计理念的贯彻

在课程设计和教学实践中，引入并贯彻基于参数化造型设计的相关理念，突出本门课作为设计工具和表达手段的思想，将本人在科研实践中的体会贯穿于教学，使学生熟练掌握造型设计和工程图表达的基本知识和方法，为后续的专业基础课、专业课的学习奠定良好的基础。

在实际教学中发现，以往在讲解尺寸标注的相关标准时，因为没有参数化变量化的概念，面对固定尺寸的形体表达时，如果结果一致，学生无法分清尺寸约束和几何约束，只好去硬记相关的规定。如图1所示，关于4个圆孔的定位尺寸标注的必要性就是典型的实例。

图1 定位尺寸必要性讨论例题

如图1所示例题，学生普遍的疑问是：通过尺寸计算发现，4个圆孔和圆角是同心的，既然如此，为什么还要对圆孔标注定位尺寸？

对这个问题，可以从两个角度解释，一方面可以反问学生，如果不加定位尺寸，怎么知道它们是同心的？另一方面可以从工艺和工序的角度解释，圆角一般是铸造零件模型上的圆角，孔是后续加工的，在孔的加工工序上，需要定位尺寸。但是这两个解释都没有涉及到问题的核心所在，设计思想要表达的内容是什么？在参数化设计中，几何约束和尺寸约束是两个不同的概念，在尺寸变化时，几何约束不应该改变。同心是几何约束，尺寸是可变的参数，如果设计思想或设计需求是孔和圆角同心（姑且不论设计的合理性与否），在造型过程中孔就不再需要定位尺寸（工程图需要按工序要求标注定位），而且在系列化产品设计中，这种同心不随底板总体尺寸的改变而改变，如图2(a)、图2(b)、图2(c)。

图2 用同心几何约束定位圆孔

图3 (a)中的“同心”只是一种巧合，事实上，系列化的设计中，定位孔的尺寸有可能独立于底板尺寸而保持不变，如图3(b)、图3(c)所示。

类似的例子还有很多，在教学实践中，引入参数化和几何约束等三维造型设计中的概念后，原先在教学中一些学生不容易掌握的内容，从参数化和几何约束的角度变得很容易理解。出现这种现象的原因在于，设计表达的目标是精确表达自己的设计思想[3]，原先对于固定尺寸的表达对象，即便表达者对它的理解不是很精确，也不会引起歧义。但是，参数化、变量化概念的引入，要求并引导表达着对表达对象必须精确地理解，才能不引起表达上的歧义。而对表达对象的精确理解也有助于学生对本课程的掌握。

图3 用定位尺寸定位圆孔

2.4 面向教学目标的基于设计及表达能力的课程考查

传统的工程制图的考察内容专为知识点（投影基础、截交、相贯、组合体、表示方法等）而设计，考题中部分立体远离工程实际，怪异形状。这一方面是教学理念的局限，另一方面也是受考察形式的限制：在有限的考试时间内，复杂立体的综合表达方法无法在考场以尺规作图的方式考察。

国际班工程制图课程考查面向课程的教学目标，重点考查学生的基于参数化设计的工程图形表达和认知能力，将知识点的考查融入表达的过程中。图4是国际班考题中考察表达能力的一道考题[4]。

图4 表达能力考察题

考题：在图4的三视图中，仰视图和右视图局部结构的投影没有画出来，请指出未完全表达的部分，并说明为什么；用视图框及文字说明清晰表达上述零件所需要的表达方案，并加以适当的视图标注（如视图名称、剖切位置等）；完成一个完整的剖视图的作图，尺寸直接量取试题所给图形的大小。

通过这样的方式全面考察了学生的表达能力，避免了原先基于知识点考察的局限，解决了综合考察所需要的长时段问题。

第一学期课程中，考试成绩占80%， 平时作业及实验环节占20%。考察方式：尺规作图，考察内容：组合体读画图、尺寸标注、表示方法、标准件和装配图读图，不考察画法几何和复杂的截交相贯。在第二学期课程中，平时成绩和期末考试各占50%。期末考试采取上机考试，考试时间3小时，全面考察学生使用参数化造型软件进行设计和工程图形表达的能力。平时作业大量密集以三维造型软件为工具练习零件造型、部件装配和相应工程图的生成。

机械工程国际班工程制图课程的教学任务从2011年秋季开始实施，到2012年4月圆满完成。在课程的实施过程中，有以下创新点：

1）基于以实际设计及工程表达能力培养为目标的教学设计和实践。

2）贴近工程实际的教学素材。

3）全英文授课。

4）将参数化、变量化设计等理念引入工程图学教育。

5）以面向目标的方式讲解制图标准。

3 结 束 语

国际班工程图学课程借鉴国外同类课程的教学经验，顺应生产设计实践中以三维参数化造型设计为主流的现实，在兼顾工程制图基本功训练的同时，以熟练读取工程图和使用三维造型软件设计并生成清晰、规范的工程图，同时具备一定的尺规作图和草图能力为教学目标。引入参数化、变量化概念，加强设计及表达的理念，使学生通过本课程的学习具备较强的设计和表达基础。

针对课程的教学目标，选用及设计了和工程实际密切相关的教学资源，采用面向教学目标、在过程中穿插基础知识点的教学安排，增强学生兴趣。全英文授课，通过面向教学目标讲解制图标准，通过讲透一套标准然后讲清国标和美标关系加强学生对标准的理解，有利学生对标准的掌握，培养学生的专业国际交流基础。采用长时段的上机实操考核学生的读图、造型设计和表达的综合能力，较传统的考核方式可以更好地检验教学目标。

[1]张京英, 罗会甫, 张 彤, 等. 三维造型设计与工程图学的有效融合[J]. 工程图学学报, 2010, 31(6):151-154.

[2]陈伯雄. Autodesk Inventor professional 2008机械设计实战教程[M]. 北京: 化学工业出版社, 2008:287-288.

[3]畑村洋太郎著. 机械设计实践——日本式机械设计的构思与方法[M]. 周德信译. 北京: 机械工业出版社, 1998: 3-4.

[4]Cecil, Jensen, Jay. Engineering drawing & design [M].7thed. McGraw-Hill Higher Education, 2008: 286.