基于三维CAD软件的《机械制图》课程教学改革探索与实践

谭倩 谭大喜

摘 要： 传统的《机械制图》教学主要采用二维的教学模式，利用形体的二维投影表达三维，它具有一定的局限性。基于三维CAD软件的机械制图课程教学理念，在内容上将三维CAD软件与机械制图有机融合，并贯穿于整个制图教学过程中，利用CAD软件的快捷性、立体性、新颖性等技术优势改革教法、创新学法，提高学生对该课程的学习兴趣，从而强化学习效果。

关键词： 《机械制图》 CAD 教学改革

1.教学改革背景

机械制图课程是工科专业开设的一门专业基础课程，它对今后专业课程的前修课程，对后续课程机械设计、机械原理等影响重大。机械制图的教学目标是培养学生的空间思维能力；培养学生把空间思维转化为图形的能力；培养学生把图形变成模型的能力；培养学生绘制图形及建模的能力。传统制图教学教师上课准备一副三角板，一个圆规、图纸等教具。在教学过程中，教师一般是通过一边板书一边讲解进行教学。这种方法一直延续很长一段时间，至今仍在使用。通常情况下，机械类机械制图课程的教学在100～150学时，非机类机械制图课程也在50～80学时。研究发现，课堂教学的大量时间都是花费在教师在黑板上板书作图，花费大量时间，教学效果并不尽如人意。学生面对抽象的二维平面图形构建三维实体，非常难以理解，并产生厌倦、疲劳等不良情绪。上个世纪末出现的AutoCAD软件给我们提供了计算机绘图平台。由于AutoCAD表达的基础是画法几何，并且还是停留在二维平面内，对构建三维实体造型还是有相当大的差距的。

三维CAD技术的飞速发展和应用的日益普及，使人们的思维方式和工作方式发生了巨大变化，现代工程设计与制造过程是从三维物体出发，在三维软件的支持下，建立数字化的三维几何模型，然后进行交互修改，最终生成三维产品。

目前机械行业的数控技术已经非常成熟。计算机绘图与加工软件强大的二维造型已经慢慢弱化了二维图纸在行业中的功能。工程上常用的软件主要为UG，PRO-E，SolidWorks。在三维设计过程中设计者借助计算机提供的三维设计环境进行产品的设计，并可直接与机床连接进行加工。因此，三维创新设计要求设计者具有很强的空间思维能力和创造性构形能力。由此可见，传统的教学模式和教学目标已经不适应生产技术的发展，形势呼唤一个全新的机械制图教学模式。

2.教学改革内容

（1）构建三维模型库。

《机械制图》作为机械类的重要基础课，需要使用大量教学模型，以增加学生的感性认识，最终达到培养空间思维能力的目的。传统的教学模型制作成本高，易损坏，不易携带，且不能修改，很难满足现代制图教学需要。选择应用三维CAD软件，结合计算机多媒体技术创建学校的三维模型库，可以有效解决上述问题，如图1所示。随着职业学校硬件条件的发展，多媒体教室、机房、校园网已经具备了支撑三维模型库的实际能力。师生可以随时利用校内任意一台联网计算机下载相应的三维数字模型，从而优化教育资源，提高教学效率，最大限度地激发学生的学习兴趣，并为后续课程的开展奠定坚实的资源基础。

（2）教学内容的调整。

现代制造技术已经从以往的计算、绘图和制造发展为当今的三维建模、虚拟制造、智能设计及CAD/CAE/CAM集成阶段。三维参数化设计软件作为当今最先进的CAD软件，在发达国家与工程设计有关的各个领域中得到广泛应用，如波音公司就在其新一代777客机生产中实现了“无图纸设计”。在这种趋势下，职校制图课程教学内容的调整迫在眉睫。

弱化画法几何部分的训练以往制图教学内容中画法几何部分应予以较大幅度的删减。如椭圆的画法、正多边形的画法、轴测图画法等内容，不应再作为手工绘图的重点进行训练。教师在讲解知识原理以后，应立即引导学生使用先进的三维CAD手段完成图样。根据职校学生的培养目标，尽力安排后续的课程设计使用三维CAD平台完成，实现毕业生与企业员工在能力上的无缝对接。

调整传统的先投影、后三维的教学顺序，传统制图教学从投影法开始引入三视图画法，再到反向三维想象能力的培养。这样的顺序对当前职校学生自我学习能力较差、空间概念淡薄的现状已显得力不从心。三维CAD软件提供了从三维到投影的全新解决方案。教师可以首先从组合体部分讲解，培养学生用三维空间考虑问题的能力，而后引入三维模型，过渡到投影视图教学。

确立组合体视图识读为次重点，零件图识读为重点这二者中，前者是入门知识，着重培养空间想象能力，后者是学生必须掌握的知识，与后续课程及就业需求息息相关。组合体识读是机械制图课程的教学难点。以往，由于模型数量不多，种类匮乏，学生想象力得不到开发。现在，依靠三维CAD平台，建立完备的模型库，课上教师直观展示叠加、切割等各种组合方法，让学生接触到三维模型投影成三视图的全过程，传统教学中的问题迎刃而解。学生的空间想象能力得到了实质性的提高，该部分的教学课时也得以大幅缩减。在零件图识读模块教学过程中，也可以利用三维模型直观展示，如倒角、圆角、键槽、孔等各类工程特征，利用软件的参数化特性讲解结构特点，从而培养学生的工程素养，为后续机械设计等课程的开展奠定基础。装配图讲解也可以利用三维CAD软件的装配模块完成，通过让学生直接观察零件—装配—零件图—装配图的整个过程，降低装配图识读入门的难度。

3.教学方法、手段的革新

始终坚持直观性原则在教学过程中利用软件特征堆叠的特性，让学生看清组合体、零件的特征结构，了解机械图样中抽象图符的含义，直观清晰地理顺二维图样与三维模型之间的对应关系。

充分利用三维CAD软件的工程图模块三维CAD软件能够对零件直接进行投影形成三视图。可以利用这一功能引导学生，培养他们从二维到三维、再从三维到二维的思维转换能力。教学实践证明，学生的读图能力得到了显著提高。

合理分配学生观察与动手实践的时间比例制图教学归根到底以学生动手实践为主。三维CAD软件的出现虽然给教学带来了新思路，但是不应动摇学生的学习主体地位。软件演示虽然能给学生较强的刺激，激发他们的学习兴趣，但长时间的兴奋过后不可避免会带来思维疲惫。实践证明，在课堂45分钟里，软件演示时间应控制在25分钟以内，剩余时间合理安排学生动手实践。

注重先进教学手段与传统教学方法的结合。在多媒体教学环境下，教师往往忽视板书、提问等传统教学手段。学生在形式丰富的多媒体环境中，往往容易被五光十色的表象吸引，而忽略了笔记、思考等环节。教师在教学过程中应注意将多媒体手段和传统教学手段相结合，引导学生充分利用课堂时间，追求最佳教学效果。

4.结论

（1）改变了传统的机械制图的教学模式。

在传统的机械制图教学中，通过使用教学模型和实物，将抽象的投影关系变为直观的视觉印象，是制图教学重要的教学手段。现在利用基于CAD技术上建立的三维模型，精度高、形象逼真、色彩丰富，在教学中可以取代实物模型。具体有以下优势：

对于复杂的零件，尤其是装配体，利用三维CAD软件可以直观地展现装配体中各零件之间的连接和装配关系，还可以进行运动仿真，方便学生进行观察与分析。

利用CAD建立的三维模型，可以存储在各种存储介质上，方便携带，避免了传统实物模型因重量或体积等原因而造成的携带不便。

利用CAD三维软件，可根据教学内容的需要，方便修改和新建三维模型，不受实物模型种类和数量的限制，既降低了教学成本，又最大限度地发挥了多媒体教学设备为教学服务的功能。

（2）调动了学生学习的积极性。

在机械制图的教学过程中，基于CAD技术三维模型的使用，让教师感受到使用CAD技术所达到的教学效果，让学生提前体会到采用CAD技术无纸绘图的魅力，为后续CAD专业课程的学习培养学习兴趣，并打下扎实基础。

（3）培养学生空间思维能力，营造自主学习的氛围。

在制图教学中尤其要注重培养学生的空间思维能力。在以往的教学中，由于在传统的练习过程中得不到及时的指导和纠正，学生经常处于山重水复疑无路的茫然境地，产生畏难情绪，失去学习兴趣。兴趣是最好的老师，学生一旦失去兴趣，教学质量就难以提高。可见，要改善教学状况、提高教学质量，需大幅度增加学生感性认识，为学生提供必要的、良好的自主学习条件。

实践证明，将三维CAD技术应用于机械制图的教学中，可以将机械制图的难点、重点或者口头难以表达清楚的内容，直观、生动地展示在学生面前，营造清新的教学氛围，提高教学质量。总之，三维CAD技术在机械制图教学中的应用给机械制图教学带来了新的活力，如何通过它取得最佳教学效果，还需要不断地尝试和探索。

参考文献：

[1]石彩华.融合多维CAD软件的《机械制图》课程教学改革探索与实践[J].职业技术，2013（9）：33..

[2]张泽泽.浅析《机械制图》教学改革[J].职业，2011（30）：72.

[3]石雪萍.《机械制图》课程教学改革探索[J].教育与职业，2007（9）.

[4]崔盟军，宋英杰，李巍杭.三维建模软件在工程制图教学中的应用[J].承德石油高等专科学校学报，2010（1）：72-75.

本文为湖南化工职业技术学院教育教学改革研究资助项目（HYJG14010）。