机械制图中CAD教学的软件选择与教学设计

唐永勇， 冯 剑， 陈国民， 杜振华， 陈 明

(解放军后勤工程学院，重庆 401311)

机械制图中CAD教学的软件选择与教学设计

唐永勇， 冯 剑， 陈国民， 杜振华， 陈 明

(解放军后勤工程学院，重庆 401311)

针对机械制图中CAD教学的学时短、内容多等问题，采用精简教学内容，注重实际操作的融合式教学法具有较好的效果；综合比较了国内外二维绘图软件的功能与特性，在满足学校软硬件配置要求的前提下，提出教学软件除应具有应用广泛、通用性好、操作界面友好等性质外，还要能体现设计思想与表达形式相分离的先进设计理念。教学实践表明，恰当的软件选择和以动手能力为目标的CAD教学方法能很好地满足学时和能力要求，拓展了学生的知识面。

机械制图；CAD教学；国产CAD；融合式教学法

随着计算机软、硬件技术的发展，计算机绘图软件已经完全取代了传统的尺规绘图工具，对现代设计人员而言，使用直尺和圆规等工具来完成即便是一个很简单的设计都会显得与时代的发展不相适应。因此，以讲授工程图形绘制为主要内容的机械制图课程必然要增加计算机绘图软件的使用与操作等内容以满足社会实践的要求，但机械制图作为传统课程又面临着教学时间缩短这一问题。“教什么、怎么教”是大多数图形学教师正在考虑的两个问题，“教什么”涉及到的是教学软件的选择和教学内容的划分，而“怎么教”考虑的是教学场地的安排和教学手段的使用，对于这两个问题的不同选择极大地影响了机械制图教学的实际效果。目前在机械制图教学中有三种类型的教学方法[1-4]，一种是将机械制图的内容与CAD课程的内容整合为一门课程但分别讲授的添加式，另一种是将CAD内容与机械制图内容相互交叉的融合式，以及按两门课程分开讲授的独立式(或分离式)教学方法。机械制图的根本目的就是要使学生学会制图的基本原理和掌握绘图的方法和手段，使用CAD软件和使用尺规绘图在本质上是一致的，即为设计者提供一个设计的平台和工具，只是计算机绘图的效率要高许多，特别是计算机绘图可以将很多重复的工作程序化，而且编辑修改极为简便却不影响图形的美观。因此，采用将CAD的内容融入机械制图相应章节的融合式教学方法应占有主导地位[1-4]。

1 教学软件的选择

1.1 绘图软件选择的原则

一个好的教学软件首先满足可操作性，该可操作性应包含实用性、适用性和广泛性三方面的要求。实用性要求软件的选择不仅应立足于学生当前的课程学习，还要立足于今后的专业发展；适用性要求选择软件时要考虑学生的接受能力、授课学时的长短以及学科和专业的特点；广泛性要求软件的适用面广，使用者众。因此，综合而言，软件的可操作性要求选择的软件必须是本行业广泛使用的，在中文和非中文界面之间选有中文的，二、三维软件上选择二维软件以便于平面图形的讲解；在软件的版本上选硬件配置符合学校实际的而不是版本最高的，操作上要选界面友好、上手容易的等等。其次是软件必须能体现现代工程设计的新思想和新理念，如设计团队资源共享、人机交互界面友好等功能。目前，机械行业使用的二维计算机绘图软件品种较多[5-7]，而国产CAD软件在经历了几十年的发展之后，也具有了与国际软件巨头 AutoDesk公司AutoCAD系列软件进行竞争的能力。

1.2 国产软件发展及其分类

目前，国产软件根据是否掌握知识产权，分为三类，第一类是自成体系，有鲜明的专业特征，从各自行业中独自壮大发展起来的具有完全知识产权，有CAXA电子图板和开目CAD；第二类是基于AutoCAD的二次开发而不断做强做大的，有天正CAD、天河CAD、机械工程师以及InteCAD；第三类为始于AutoCAD的二次开发，在做强后，在基于IntelliCAD核心技术之上的进行二次开发，其操作方式和软件的功能与AutoCAD基本一致，具有部分自主知识产权的软件，有浩辰CAD、中望CAD和尧创CAD等。2013年4月以后，浩辰、中望和尧创等软件公司，放弃了原来的ITC基础架构，分别推出了浩辰CAD8、中望CAD+和尧创CAD等具有完全知识产权的国产CAD软件。

浩辰CAD8、中望CAD+和尧创CAD等软件虽然放弃了原有ITC基础构件核心，但依然继承了以前版本的固有特性，即完全兼容AutoCAD的DWG文件格式，并且其图形界面、命令方式、操作习惯与AutoCAD非常相似，无需二次学习。使得原先习惯了AutoCAD的用户能够轻易地转到这些国产软件的使用上来。说到这些软件与AutoCAD文件格式的兼容性，当然，就得提及 IntelliCAD与AutoCAD软件的历史渊源，IntelliCAD软件的母公司Softdesk公司以前是Autodesk公司的第三方软件供应商，1994年Softdesk公司开发出与AutoCAD软件完全兼容的软件，名称叫 Phoenix。1996年Autodesk公司并购Softdesk软件公司时，由于美国反垄断法的限制，Phoenix软件必须排除在并购之外，于是由Phoenix软件发展出了IntelliCAD98系统，随后成立了以IntelliCAD为基础的ITC组织。国产部分具有知识产权的CAD软件企业如浩辰、中望等都是ITC组织的成员。考虑到以上现实，可以说，在国内各行业使用的国产二维CAD软件，按操作界面和设计理念来分的话，可分为传统绘图习惯又具有自身专业特点且提供国家标准支持的软件如CAXA和开目CAD，另一种就是尽力采用与AutoCAD类似的将设计与出图分开的设计习惯和理念同样也提供国家标准支持的、且有过对AutoCAD进行二次开发经历的国产软件如浩辰、中望和尧创等。因此从操作界面和使用习惯来选择软件的话，主要CAD教学软件选择还是在CAXA系列和 AutoCAD系列之间进行，因为学习了AutoCAD软件，对使用浩辰、中望等与AutoCAD有些历史渊源的国产软件的使用并不受影响，因为AutoCAD软件有的好的功能和理念，它们都尽量跟上。

1.3 CAXA系列与AutoCAD系列的比较[5-7]

从产品应用范围和使用者方面比较，北京数码大方科技有限公司自 1997年推出了第一代产品CAXA97以来，现已形成了以CAXA电子图板为基础，开发出了CAXA数控车削、实体造型、制造工程师以及雕刻等设计、制造加工和编程系列软件，广泛应用于我国机械工程领域[8]。而AutoCAD自 1982年问世以来，经过不断的发展和完善，目前已成为国内外工程设计如机械、电子、建筑、广告等领域应用最为广泛的计算机辅助绘图与设计软件之一，其dwg文档格式目前已成为二维工程制图领域事实上的绘图标准[9-10]。

从功能和使用界面及人机友好性方面比较，CAXA最主要的功能特色是：一是较好地保留了以前手工绘图的一些习惯，另一个是依据《机械制图国家标准》提供了对工程图进行尺寸、文字和工程符号等一整套的标注方法，而定位于通用的二、三维软件平台的AutoCAD软件并没有提供这一个功能，各行业的不同需求可以在此平台上进行二次开发的方法来满足。如天正CAD、机械工程师等软件。在使用界面和人机交互的友好性方面，AutoCAD提供了具有详细说明的命令窗口、美观形象的工具条、内容丰富的菜单项；快捷精确的草图设置、灵活多变的动态块，分类有序的图纸集，设计与出图分离的模型空间与图纸空间等功能，不仅给设计者提供了新的设计理念和手段，而且能快速地专注于设计工作。特别是AutoCAD 2008的推出，其缩放比例功能使得模型空间中的文字、尺寸标注等与出图比例有关联的注释对象在图纸空间中以恰当的尺寸显示(图1)。

图1 AutoCAD 2008注释比例状态栏

使用这一特性，可以使缩放注释的过程自动化，从而使注释在图纸上以正确的尺寸打印[10]。因此，考虑到我校多以建筑和石油管线等土木工程专业的教学为主，该行业大量使用的是AutoCAD类型的软件，如天正CAD、浩辰CAD等。为了拓展学生的知识面，接受一些新的设计思想与理念，使用AutoCAD系列软件来讲授CAD教学应是一个不错的选择，学好了AutoCAD软件，对使用类似功能和界面的国产软件并无任何影响。

2 AutoCAD软件版本的确定

2.1 AutoCAD版本的比较

随着计算机技术的不断发展，AutoCAD软件也不断地创新和发展，目前，AutoCAD 2014版本已经发行上市，但其功能与 2008版本相比并没有太多的改善，而其重点放在了三维功能的提升上，因此对软件的选择并没有太多的影响。

从AutoCAD 2009版本开始，其图形界面重新设计并支持微软最新操作系统，融入了Office组件的元素(图 2)，在完善二维功能的同时，大大加强了其三维实体造型功能。随着软件版本的不断更新换代，其功能虽然越来越强了，如人机交互的智能化和用户界面的友好度越来越好，但是随之而来的是其软、硬件的要求越来越高(表1)。

图2 AutoCAD 2009界面

表1 AutoCAD各版本软硬件要求

由表1可知，AutoCAD 2007版本与2008版本在软硬件上的要求基本一致，而 2009版本与之相比，在CPU主频由800 MHz上升到2200 MHz几乎是 2008版本的 3倍，虽然安装硬盘要求都是750 MB，但可用硬盘空间需2000 MB，是2008版本要求的一倍。而学校机房的计算机 CPU的主频一般也就在2000 MHz左右，即使能够安装和运行2009版本，其运行速度也很难满足教学的要求，而采用2007或2008版本，安装和运行在软件和硬件的配置上是满足的，事实上也是如此。综合而言，在2007至2009版本中选择使用AutoCAD 2008进行教学显然比较恰当。

2.2 AutoCAD 2008的主要优点

首先，增加了革命性的“自动缩放注释”及多重引线，设计者在创建注释性对象后，它们将根据当前注释比例设置进行缩放并自动以正确的大小显示。其次，可以自动调整平行的线性标注和角度标注之间的间距，或根据指定的间距值进行调整，无需重新创建标注或使用夹点逐条对齐并重新定位尺寸线。第三, 表格样式得到增强，添加了用于表格和表格单元中边界及边距的其他格式选项和显示选项，可以从图形中的现有表格快速创建表格样式[10]。

设计者通过这些特性实现了设计思想与表达形式的分离，将设计概念使用规范的形式表达，并使这一过程自动化地加以反映，使设计者专注于设计而不是绘图或表格。如将注释性和动态块及属性结合，创建各种能适应自动比例缩放的注释对象，而且这一特性同样适用于图中的外部参照及图块，这使得不同比例的图纸之间的协同设计变得非常容易，而表格对象可以把块属性提取为一个明细表格，且可以实时得以更新，也可以将表格数据链接至Microsoft Excel中的数据。

由于AutoCAD 2008具有以上优点，加之其软硬件要求比较符合大部分学校的计算机房配置要求，选择 AutoCAD 2008作为机械制图课程中的CAD教学软件既满足软件选择的可操作性又体现了现代工程设计的新思想和新理念。

3 教学内容的规划

3.1 教学学时确定

CAD的学习必须服从于机械制图的教学要求，只有在全面掌握了制图的基本原理和国家制图标准的基础上，才能绘制出符合要求的工程图样。为了在有限的学时内让学生能较熟练地使用CAD软件进行图形的绘制和设计，考虑到大部分非机械类专业机械制图(包含画法几何部分)的授课学时不超过80学时，而机械类专业的授课学时也只为120学时左右。因此，CAD软件的教学课时不能太多，从本人近5年的教学实践来看，对80学时左右的机械制图而言，安排10个学时的CAD软件教学时间比较恰当，而对于本科层次的学生在8个学时内讲授完相关的内容也是可能的。

3.2 教学内容安排

讲授CAD绘图需要10个学时左右，其内容必然要进行精简，授课内容只能偏重于学生动手能力的培养，对与机械制图关联重叠的内容如线型、文字和尺寸标注的式样等简单讲授，而一些比较难理解和繁琐的概念则不予讲解。什么时候讲授 CAD课程也很重要，一般安排在讲解完组合体视图及轴测图之后比较合理，此时，制图的基本原理等基本内容都已经讲授完毕，而机件的表达方法、标准件与常用件以及零件图、装配图等内容所涉及的都是国家标准的相关规定，这些课程的习题工作量都比较大，特别是到零件图和装配图时，手工绘图已经比较辛苦了，正是时候给学生讲授计算机绘图的知识了。精简后的CAD教学内容如表2所示：

表2 CAD教学计划表

3.3 教学设计

教学中，掌握概念与操作命令的关系贯穿于CAD教学的全过程，正确处理好两者之间的关系是教好该课程的关键。因此，讲授CAD绘图的重点在动手能力的培养，因此，在课程的全局上采用“轻概念重操作”的教学方法，而在具体命令上使用“重功能轻细节”的教学手段。

全局上的“轻概念重操作”能保证将有限的授课时间花费在基本操作命令的使用上，如图形界面的内容，其功能区域的划分对着图形稍作讲解学生就会明白，仔细讲解不仅费时且内容繁多；而调出工具条与功能菜单的操作内容不多却实用，因为经常会出现工具条或功能菜单会消失的情况，而且仔细讲授时间不多。命令上的“重功能轻细节”能使学生的注意力集中在操作功能的实现上，而命令的具体操作细节要求学生根据命令窗口的提示进行操作，这样不仅使学生了解计算机绘图软件的人机交互原理，也避免出现有些命令功能简单但操作步骤很多时过于费时的情况，而这些命令有很多，如画圆弧(ARC)，有三点式、有起点-圆心-端点等11种类型命令，又如文字式样、尺寸式样等是通过对话框的形式给出的命令(图 3)；这些功能简单内容复杂的命令，如果仔细讲解的话需需花费较多时间，因此只能粗略地进行说明，更深入了解提倡学生参考软件自身的帮助。

图3 绘制圆弧及文字式样

现代教学中，多媒体的出现为教学带来了很大的帮助，然而对于CAD软件的教学，直接使用软件进行讲解比采用 CAI课件讲解要生动活泼和效果明显，同时在计算机教室进行授课的质量明显比在一般教室好。因此，一边操作软件一边讲解内容的“重交互轻演示”的教学环境较好地保证教学内容实施。当然，要实现以上目标，必然要求教员对软件有较强的操作和使用能力，对计算机绘图的基本原理等相关知识也有很深的了解。

4 教学实践与体会

4.1 教学实践

本人从1995年起开始接触AutoCAD 10.0软件，从1998年开始使用CAXA电子图板97，对于两者的功能都有较深的了解，由于所教专业偏重于机械与建筑，因此，所使用的绘图软件基本上就是AutoCAD软件，从 2000版本开始，陆续讲授了2004、2006等版本，发现AutoCAD软件始终存在尺寸标注与文字书写在出图时的比例关系问题，笔者因此曾对2006版本二次开发出一个标题栏软件[11]也是因为这一原因，但从 2008版本开始，这一问题应该说得到了很好的解决。因此，从 2008年下半年起开始使用AutoCAD的2008版本进行计算机绘图的教学任务，目前看来在软件的选择上是比较成功的。

相比《机械制图》内的CAD讲授，单一的计算机绘图课程教学课时比较充分，大多有 30个学时左右。虽然课时充分，如果不将重点放在学生的动手能力上，采取先在教室进行PPT为主的理论教学，然后带习题上机操作，人为地将命令割裂为概念和操作两部分的教学方法，其效果并不理想。在《机械制图》内的CAD教学，由于课时有限，不可能采用“先理论后操作”的教学方法，只能将讲授的内容整合到软件的操作使用上，将整个CAD教学的任务放在计算机教室进行。

采用融合式的教学方法，充分利用了机械制图与CAD内容相互重合以及互为依靠的特点， 一方面节约教学时间，另一方面增强学科延续性。笔者近五年来单独讲授30学时CAD绘图课程5个教学班，而机械制图中含CAD内容的教学班也是5个，从整体而言单独讲授课时充足的要好些，但由于课程缺乏延续性，往往要复习一些制图的知识，而在机械制图中不会出现这一情况，反而由于随后课程中手工绘图的工作量比较大，采用CAD绘图的优势就能体现出来，因此，10个学时授课的效果也不错，一般在随后的零件测绘课程设计中，一个 30人左右的教学班有将近三分之一的学生采用计算机绘图，收获不错。

4.2 教学体会

在教学中把握好内容的讲授，正确处理好概念的讲解和操作的演示之间的关系是关键，既不能多讲概念以免把学习的方向引入到复杂概念的理解而忽略命令操作的实际功能，也不能因重操作而忽视概念的掌握，如没有理解人机交互的概念就很难根据命令提示进行相应的操作，不理解模型空间与图纸空间的概念就只能在模型空间出图。采用全局内容的“轻概念重操作”，具体命令讲解的“重功能轻细节”的教学方法，以及“重交互轻演示”的教学环境，能够处理好两者的关系。

在《机械制图》中，添加现代制图的新技术和新内容是教育的天然属性，正确地处理好学时的缩减和内容的增加是图形学教学的新问题，融合式的教学方法在有限的时间内，既保证了教学内容的完整性也满足了学科发展的延续性，无疑比简单的添加式教学有效的多，由于内容的延续性其实际效果比学时充足的独立式教学法差别不大。

浩辰CAD8、中望CAD+等国产软件同样也具有如AutoCAD的模型空间、图纸空间和注释比例等相关概念和功能，这些功能较好地体现了设计思想与表达形式的分离的功能，但一些新的功能如注释比例等功能与AutoCAD相比还是有些差距的，但当学生走上工作岗位，国产 CAD软件与AutoCAD的差距必然越来越小，AutoCAD2008软件因其有较好的设计理念，且其对计算机软、硬件的要求符合目前大部学校计算机的配置，选择它作为教学软件既能拓展学生的知识面，也为今后熟悉专业软件和使用国产软件打下较好的基础。在计算机绘图教学中，采用直接使用软件进行讲解往往有较好的效果，一方面能很快地让学生熟悉软件界面，另一方面能较好地体会计算机绘图中的人机交互观念和培养使用软件的帮助系统及时寻求解答的能力。

[1] 张 燕. 机械制图与AutoCAD融合式教学研究[J]. 中国职业技术教育, 2007, (13): 63-64.

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[10] AutoDesk公司. 新功能专题研习[DB/OL]. AutoDesk公司, 2008.

[11] 唐永勇, 杨继平, 陈国民, 杜振华. 基于ObjectArx2006技术的标题栏绘制与填写[J]. 机械与电子, 2008, (11): 67-70.

The Selection of Software and Teaching Design for Course of CAD in Mechanical Drawing

Tang Yongyong, Feng Jian, Chen Guomin, Du Zhenhua, Chen Ming
(Logistical Engineering University, Chongqing 401311, China)

To solve the inconsistency between short periods and excessive teaching contents, an integration teaching method of simplifying teaching contents and emphasizing practical operation synchronously is proposed. The functions and characteristics of domestic and overseas 2D drawing softwares are studied synthetically. On the premise of satisfying the configuration request of software and hardware, the teaching software ought to be characteristic of wide application, easy adaptation and friendly operation interface so on. In addition, the view that teaching software should embody the advanced idea of design thinking separating from expression format. The teaching practice shows that the CAD teaching method taking operation ability as goal can conform to the requirements of periods and abilities. And the knowledge field of students can be spread.

mechanical drawing; CAD teaching; domestic CAD software; integration teaching method

TH 126

A

2095-302X(2014)05-0798-06

2013-05-03；定稿日期：2013-06-04

唐永勇(1968-)，男，湖南黔阳人，讲师，硕士。主要研究方向为工程图学、CAD/CAE、油料储运工程。E-mail：tranyer@sina.com.cn