将三维建模引入工程制图的教学改革研究

杨玲++王莹++郑宏刚++管毓斌++代兴梅++苏红兵

摘要：为培养学生空间思维能力和较强的阅读、绘制二维、三维工程图样的能力，将工程制图教学置于三维环境中，以立体为核心组织教学和分配学时，同时进行“以显示空间实体的演变形成过程”为设计原则的教学课件制作，配合“抛锚式”教学方法的教学改革。通过2个学期的教学实践，学生的学习兴趣提高、空间思维能力建立较快，提高了绘制三维图样的能力。

关键词：工程制图；空间思维能力；三维建模 ；“抛锚式”教学；教学改革

中图分类号：TB23 文献标识码： 文章编号：

Abstract： In order to cultivate the students' ability of space thinking ability and a strong reading and drawing 2D， 3D engineering drawings， we have established the allocation of teaching contents and the teaching hours in solid content for key with fusing 3D models in Engineering Cartography， at the same time we also finished teaching courseware based on “displaying the three view projection of solid” combining with the teaching reform of "anchor" teaching method. Through the teaching practice of the 2 semesters， students improved the learning interesting and established stronger spatial thinking ability， improved the ability of drawing 3D pattern.

Key words： Engineering Cartography ；space thinking ability ；"anchor" teaching method；

3D Models ；teaching reform

1.背景

工程图学是高等工科院校的一门技术基础课，其教学目的是培养学生的空间思维能力和较强的阅读、绘制工程图样的能力。传统的绘制工程图的过程首先是由设计人员形成对象的概念模型，然后直接绘制二维图，必要时再由二维图重建三维辅助图形，其基本过程是：概念模型——二维视图——三维图形。进入21 世纪以来，随着信息技术的迅猛发展，以三维参数化实体设计为标志的现代设计、

制造技术已被广泛应用。设计人员形成对象的概念模型后，可在三维空间由三维实体造型直接构造物体的三维模型，然后直接转换产生任意方向的二维视图 。其基本过程是：概念模型——三维实体模型——二维视图显然这一工作流程的改变，使制图参与概念设计、方案比较，设计与制图融为一体，简化了设计过程。[1]可见，传统的二维工程图样已不再是表达设计的唯一手段，并且越来越不能满足现代制造业数字化、信息化发展的要求，客观现实对传统工程图学教育带来了巨大冲击，对工程图学的发展提出了新的挑战。将三维建模引入制图课程已经成为工程图学教学内容改革的大趋势。2005 年国家制图课程教学指导委员会修订的“本科工程图学课程教学基本要求”中明确指出要求学生掌握计算机三维造型的基本操作技能。[2]

2. 三维建模引入工程图学的现状

目前，国内高校已经陆续开展引入三维CAD 几何建模的工程制图教学，并且在这一领域开展了卓有成效的探索。如华南理工大学陈炽坤提出“从三维模型入手，直接建立从体到图的教学体系，将画法几何摆到从属地位……”[3]；大连理工大学王丹虹提出“新时期的制图课程在于培养学生计算机造型和绘图技能。该技能并非指用二维软件绘制工程图，而是指通过三维造型生成二维投影图进而编辑成为工程图……”[4]；清华大学童秉枢教授总结了现有各院校提出的三维内容引入方式形成了新的课程体系[5]。三维建模学习内容的引入方式包括融合式引入和分段式引入两种，前者是将三维几何建模的原理、方法和技能融合、渗透到工程制图课程中，后者是设置另外的必修或选修课。可見，为提高教学质量，在工程制图课程中引入三维建模在内地不断深入。近年来，随着工程图学的教学改革，云南农业大学水利学院工程制图教研室所有成员做了大量的工作，1999年画法几何及水利工程制图课程被评为大学“一类课程”；2012年《画法几何之曲面与曲面体》CAI课件获云南农业大学多媒体课件评比三等奖；《画法几何之投影变换》CAI课件获云南农业大学2012多媒体课件评比优秀奖。 随着学院新的人才培养方案划的实施，我们应针对各专业教学需要，构筑面向新世纪大学生工程素质培养的工程制图专业基础课平台，以够用为度，掌握概念，注重应用，培养和发展学生的空间想象力和创造性思维为重点；辅助计算机绘图技术为手段，三维实体为核心的课程体系，即从培养学生工程综合设计和创新能力的需要出发，将工程制图的基础理论与计算机技术有机结合，注重现代设计、工艺理念的渗透，优化工程图学课程新体系。

3.项目研究内容

“在三维环境中，改革工程制图的教学”这一研究课题的核心是将工程制图的教学置于三维环境中，将要表达的形体较为直观的显现出来，培养和发展学生的空间想象力，主要研究的内容包括：

3.1“以体为纲”教学内容改革

在三维环境中进行工程制图的教学，应该“以体为纲”来进行，以立体为核心来组织教学和分配学时，同时注重每个阶段的能力培养目标，增加徒手画图的教学学时。如图1所示：endprint

教学内容的逻辑线主张“以体为纲”，把简单的“体”作为制图教学的基本单元，同时这一阶段要重视培养学生空间思维的能力。基于“体”向下抽取点、 线、 面展开教学，这一阶段要学生掌握空间几何元素的投影规律。向上把简单体进过叠加和切割形成组合，这一阶段要重视学生的形体分析方法和空间构型能力的培养。最后根据学生的专业方向展开专业制图的教学，这一阶段要学生掌握二维三维的表达方法以及培养学生的设计能力。这样就以“体为中心”，把教学的逻辑主线确立起来。在平时日常生活中学生最熟悉的是三维空间物体，三维空间认知内容越多，图物之间的思维转换就越容易建立。教学中，以简单的三维形体作为教學的出发点向下分析“体”中的点、线、面与“体”的关系符合认知规律 [6]，便于理解和记忆。“体” 的三维形象分解为三维的点、线、面，再共同转化为二维的投影图，并归纳出“体”及所属几何元素的投影特性，针对“体” 内所属几何元素的空间位置及投影对应关系加强记忆，形成思维素材和表象储备。当学生牢牢掌握常见简单形体的记忆表象后，简单形体经过叠加和切割形成各种组合体就可以迎刃而解了。调整后的水利类工程制图80学时分配如下：

3.2以“显示空间实体的演变形成过程”为设计原则的教学课件改革

在三维环境中，改革工程制图的目标就是培养和发展学生的空间想象力，但是长期以来“空间想象”能力一直制约着学生，根本的原因在于很多学生因为无法想象一些空间实体的演变形成过程而不能完全彻底地理解某个问题，因此学生们非常渴望能够亲眼目睹其形成过程。所以将教学中重点和难点，通过三维动画课件显示空间实体的演变形成过程，是教学课件改革的一大亮点。这需要做两部分的工作首先用CAD绘制教学三维模型库，如图2所示，图3和图4为已制作的三维模型，再将三维模型导入到Flash中进行动画设计，显示空间实体向平面投影的演变形成过程，使得教学过程逐步过程化，方便地引导学生思维，培养学生的空间想象能力，组合体读图章节的flash课件如图5所示。

③三维建模下以“抛锚式教学”指导专业制图教学方法改革

在建构主义理论中，学习者要达到对知识所反映事物的性质规律以及该事物与其他事物之间联系的深刻理解，完成对所学知识的意义建构，最好的办法是让学习者到现实世界的真实环境中通过获取直接经验来学习，而不只是靠教师进行介绍和讲解。抛锚式教学建立在有感染力的真实事件或真实问题的基础上所以有时也被称为“实例式教学”。 三维建模下的专业工程制图（水利工程制图、建筑工程制图）的实践性很强，用抛锚式教学指导专业制图教学过程是十分合适的。具体的做法为：教师将学生分成若干小组，以组为单位让学生完成实际工程形体的外观设计，完成三维建模和二维图纸绘制，以小组的总评成绩作为基础来评价每个组员的成绩。既让学生解决实际问题，又培养了学生的团队合作能力。

④增加“三维综合作图”的考试改革

对三维建模环境下的工程制图课程考核方式将实行闭卷和综合作图相结合的形式。闭卷考试注重对基本理论、基本概念的考核。综合作图是规定在一段时间内，学生根据教师要求设计工程形体并提交形体的三维图形和二维工程图。这样教师就可以比较全面地衡量学生所掌握制图知识和技能的程度。

4.结论

2014年第1、2学期对我校的2014、2013级水利水电工程、农业水土工程的《工程制图》课程进行教学改革后，一个明显的变化是学生对本门课程的学习产生了浓厚的兴趣，学生的空间立体概念建立的快，由于从三维入手去学习理解立体的构成和表达方法，更加符合认识规律，增强了学生的空间思维能力，使原来是难点的截交、相贯、组合体读图等问题变得接受起来不那么困难了，学生的创新和设计能力有较大提高。另外，课程教学改革对教师本身的知识更新，不断提高业务水平也起到了促进作用。教师不能延用传统的授课方法，而要与现代化教学手段计算机、多媒体结合。所以，要想讲好每一节课、编制课件，均需花费一定的努力才行。同时作为教师深深体会到：工程制图课只有更加紧密地与现代科学技术相结合，才能生存和向前发展。由二维设计向三维数字化设计的发展已成必然，也为工程制图课程的改革提供了良好的机遇。由三维建模入手的工程制图课教学改革实践，在选择适合的三维设计软件制作教学模型库、课件制作、如何更好的使传统的教学手段与现代教学相结合及相关学科的衔接等许多方面还需要不断的完善和进一步研究探讨。

【参考文献】

[1]李兵，周咏翎.工程图学课程信息化改革的探讨[J]. 工程图学学报，2008.1：133-136

[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，2008.2：168-172

[3]陈炽坤，尧燕.现代工程图学教育中的十大问题[A].见：图学教育研究2004 [C].北京： 机械工业出版社，2004.19—23.

[4]王丹虹，王晓洁，张桂兰.机类本科生计算机造型和绘图技能培养[A]见：图学教育究 2004[C].北京：机械工业出版社，2004.163—165.

[5]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，2005，26（4）：130—135.

[6][苏]维里契科夫斯基.现代认知心理学[M].北京：社会科学文献出版社， 1988.118-122.

作者简介：杨玲（1977—），女，云南省勐腊县人，硕士，副教授，主要从事水利工程制图、水利信息化、水工的教学与科研工作。endprint