基于无图板化的工程图学课程改革与实践

徐绍军　周亮

[摘 要]为适应时代发展的要求，建立基于无图板化的工程图学教学模式，课题组通过改革教学体系，将计算机三维设计和二维绘图与传统的工程制图有机融合，实现“无图板化”。实践证明，新的教学模式能大大提高学生的动手能力和工程实际的综合运用能力。

[关键词]无图板化;工程图学;课程改革

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2022）05-0076-03

传统的加工制造是根据手工绘制的图纸来进行的，所以手工尺规图板绘图的质量显得尤为重要。因而，传统的工程制图课程非常注重尺规图板绘图的技能训练，要求图线做到黑、光、亮，学生不得不花大量的时间来完成作业，以达到要求。

随着数字化时代的到来，三维设计技术和制造方式迅速取代了传统的设计技术与制造方式，成为产品设计和制造的核心。计算机绘图以其快速、准确、便于修改和存档等特点，在实际设计中已完全取代了手工尺规绘图，手工绘制的图纸已不再是加工制造、技术交流的技术文档。而大部分高校的工程制图课程仍按原来的标准要求学生，过分强调尺规作图的质量，并且大学一年级都是用尺规作图。当然，这也能达到培养学生一丝不苟、认真负责的工作作风的目的，但现在学生所学课程在增加，课时又在减少，花在尺规作图上的时间过多，就没有足够的时间和精力来掌握新技术和新手段，以至于后续有些课程设计仍在用尺规作图。这种绘图方式效率低，不便于修改，且图纸不便于存档，更不符合当前的设计绘图模式。该教学要求已明显滞后于新技术新产业发展的需求。因此，探索一种无图板化的工程图学教学模式，将计算机三维造型和二维绘图完全融入工程图学课程教学，以引导学生夯实基础、了解学科前沿，培养学生的动手能力和实际应用能力等，已成为工程图学教学中一个具有重要意义的课题。

一、国内外研究现状分析

国外的工程图学教育完全没有尺规作图，其教学目标、教学方式、教学安排都始终围绕着培养和提高学生的“图学能力”“工程实践能力”“计算机辅助设计及应用能力”来开展。教学注重与工程实际的联系，大小主题都会切入工程实际或引入工程问题。课程非常注重实践教学，注重培养学生解决实际工程问题的能力和动手能力。实践教学和课堂教学紧密结合，课堂教学内容围绕实践教学项目逐步展开。如美国加州大学圣迭哥分校工程图学和设计入门课程，其中的一个实验项目就是时钟项目实验[1]。时钟项目实验要求学生运用 AutoCAD 绘制和设计钟摆、摆轮、支座及各相关零件，计算其摆动频率，并亲自操作机床制造除标准件外的各个零件，安装出时钟。常州大学机械工程学院聘请美国普渡大学Douglas Acheson教授为过程装备与控制工程专业开设了工程制图与 CAD双语课[2]。各教学要点围绕形体表达组织安排，而不是离散孤立的存在。实践课堂以三维形体为主体，注重徒手绘图和尺寸标注，所有手工作业都采用草图绘制，徒手绘图与计算机绘图双管齐下。Acheson教授将画法几何和尺规作图替换成3D打印内容，并增加了一次生产实习、一次讲座。总之，国外的图学教育注重与工程实际相联系，注重与设计相融合。

国内图学教育经过多年的改革已发生了很大的改变，各高校基本上都引入了计算机二维绘图的教学，清华大学、北京理工大学、西安建筑科技大学等在工程图学课程中引入了三维建模的内容[3]，有的学校虽然也单独开设了三维CAD教学课程，但大多没能融入、贯穿到整个教学体系中。大部分高校在实践教学中，仍然注重尺规绘图，徒手绘图和计算机绘图占的比例较少，只有少数几所学校在尝试工程图学教学中实现“甩图板”工程，其中包括太原科技大学[4]、沈阳航空航天大学[5]等。

由于历史和现实的原因，国内外的图学教育存在很大差异。我国的课程划分过细，实践教学条件有限。虽然不能完全照搬国外的教学模式，但我们可以借鉴国外的先进经验，注重教学与工程实际的联系，注重学生实际应用能力的培养。顺应时代的发展需要，弱化尺规作图，培养学生徒手绘图和计算机绘图的能力。

二、我校机械类工程图学实现无图板化的课程改革

基于无图板化的工程图学课程改革目标就是依托现代设计方法，以工程设计为主线，将计算机三维设计和二维绘图技术与传统的工程制图有机融合，实现“无图板化”的绘图方式，通过课堂教学、在线课程、翻转课堂、实践教学等多途径的混合型教学模式，培养学生的空间想象能力、识图及图样表达能力、徒手绘图能力、工程实践应用能力、创新设计能力、计算机辅助设计及应用能力等。借鉴国内外的教学改革经验，中南大学结合自身实际情况，对机械类工程图学课程进行了一系列的教学改革。

（一）改革教学体系，将计算机三维设计和二维绘图与传统的工程制图有机融合，实现“无图板化”

三维设计已成为机械设计中不可或缺的有效设计方法，但二维工程图仍是我国加工制造的主要依据，徒手绘图在设计中也扮演着重要的角色，它可以将自己的设计意图迅速表达出来，而在现场测绘中更能体现其优越性。所以，要满足时代发展的需要，必须转变教育理念，改革教学体系，做到徒手绘图、计算机三维设计和计算机二维工程图表达三管齐下，实现“无图板”。新的教学体系见表1。

改革后，工程图学的教学完全颠覆了传统的教学模式，具體表现在以下几个方面：

1.实现了“无图板化”，真正做到徒手绘图、计算机三维设计和计算机二维工程图表达有机融合。这样的教学紧跟时代发展需要，培养学生的动手能力和计算机应用能力。

2.弱化了画法几何的内容，围绕实例或实际零件组织教学，而不是先花很多的时间孤立地介绍点、线、面的投影，这样可以提高学生的学习兴趣。再加上三维设计的引入，学生可以利用计算机迅速地进行三维与二维之间的转换，使得制图的学习变得不再困难。

3.强化了零部件测绘和创意构型设计，注重教学与实际应用相联系，培养学生的综合运用能力、创新思维能力。

4.对于某些章节如标准件与常用件、计算机软件相关操作等，利用在线课堂或微课，引导学生自学，培养学生的自学能力和获取知识的能力。

（二）充分利用互联网技术这一教学的辅助手段，培养学生的自主学习能力

由于课程总的课时不变，却增加了计算机三维设计和计算机二维绘图的内容，教师和学生都必须充分利用课外的时间，通过利用互联网技术来完成相关的教、学任务。

教师在课前要精心进行教学设计，制作多媒体课件、微视频（如AutoCAD、SolidWorks软件的操作及习题讲解），以及采用AR（增强现实）技术制作三维模型二维码。通过线上资源推送，学生可进行在线自学和预习。如：由于时间有限，教师对SolidWorks及AutoCAD软件只做入门介绍，学生则根据教师推送的软件操作小视频进行自学，学生可以通过反复观看视频来完成相关的练习，以弥补软件操作过程只凭教师在课内的讲授而容易遗忘的缺陷;学生也可以充分利用零散时间，随时观看教师制作的疑难习题的讲解视频;学生还可以通过扫描推送的二维码，查看360°任意旋转、可放大和缩小的三维模型，以完成课内还未完成的草图绘制、建立二维与三维之间的对应关系。教师在线上发布作业，通过在线测试、在线讨论了解分析学生的学习情况，以实时调整教学方案。如教师线上发布要探究的问题，要求学生通过互联网收集生活中因装配不当而造成事故的案例[6]，下一次课堂中就由学生代表进行讲解，这样既可让学生了解合理装配的重要性，又能充分调动学生的学习积极性。

（三）设置系列课程，实现“无图板化”的图学教育不断线

中南大学机械类图学教育设置了三门课程：工程图学、机械产品测绘与三维设计、工程图学综合设计与创新实践。

工程图学课程为大一新生开设，主要进行草绘、计算机绘图的初步训练。在根据模型草绘其三视图时，要求学生保留三等关系的作图线，以熟练掌握正投影规律;掌握AutoCAD常用的绘图、编辑命令及尺寸的标注;能用SolidWorks软件构建简单零件的三维模型，并生成工程图。

机械产品测绘与三维设计课程为大二学生开设，主要是对现有部件（齿轮油泵或减速器）进行测绘和改进设计（两个学生一组），要求绘制所有非标准件的零件草图，用SolidWorks进行零件的三维造型和虚拟装配，并生成零件工程图和装配工程图。零件草图不能有作图线，但要基本保证三等关系;由SolidWorks生成的工程图如不能满足我国图样表达的要求，可用AutoCAD对其进行编辑。

工程图学综合设计与创新实践课程是继机械产品测绘与三维设计课程后的实践课程，该课程是按照全国大学生机械创新设计大赛的主题和要求进行产品创新设计的，学生分组并根据课题方向进行市场调查，确定设计方案，绘制装配示意草图和零件草图，用SolidWorks进行三维设计并生成工程图，写出设计报告并答辩。

此外，工程图学课程通过引导学生进行组合体和零件的构型设计，培养学生的创新思维能力。机械产品测绘与三维设计课程通过对测绘对象不合理的结构进行改进设计，训练学生的创新技能。工程图学综合设计与创新实践课程通过引导学生进行产品的创新设计，培养学生的综合运用能力、创新设计能力和团队协作精神。

这三门课程的设置实现了对学生徒手绘图、计算机绘图能力的培养不断线，同时也实现了对学生创新思维→创新技能→创新设计能力的递进培养。

三、教改试点

课题组对机械专业2018级两个班和2019级两个班进行了教改试点，问卷调查显示：95%的学生认为，将徒手绘图、计算机三维设计和计算机二维工程图表达有机融合，实现 “无图板化”的工程图学教学模式值得推广;95%的学生认为，工程图学课程引入SolidWorks三维设计方法很有必要，能增强空间想象能力，加深对零件的整体认识，提高应用能力;88%的学生认为，通过训练，其徒手绘图能力和计算机绘图能力得到了极大的提高;88%的学生认为，基于互联网技术的辅助教学手段，能激发他们自主学习的兴趣，通过反复观看教学微视频，能加深对所学知识的理解，弥补课堂教学的不足。

四、结论

基于无图板化的工程图学课程教学模式，紧跟时代发展需要，突破了以二维尺规绘图为主的传统教学模式。三维设计方法的引入，可以更好地帮助学生理解二维与三维的对应关系，提高其空间想象能力;现代设计方法与传统工程制图的有机融合，加强了教学与工程实际的联系;系列课程的设置，使学生的徒手绘图能力、计算机绘图能力、工程实际的综合运用能力以及创新能力等得到了递进式的提升。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 毛文武.美国加州大学圣迭哥分校工程图学课程教学研究[J].工程图学学报，2007（5）：172-177.

[2] 朱科钤，刘善淑，丁建宁，等.美国教授图学课程短期授课的实践及启示[J].图学学报，2015（4）：622-625.

[3] 孫淑艳，雷光明，成彬，等.三维CAD辅助工程制图教学的方法[J].图学学报， 2014（3）：464-468.

[4] 薛爱文.工程制图课程“甩图板”作业模式的探讨[J].机械管理开发，2006（2）：153-154.

[5] 李红双，孙岩.机类工程制图实现“甩图板”的改革与实践研究[J].科技创新与生产力，2014（2）：49-50.

[6] 周亮，谢习华.互联网时代工程图学教学模式创新探究[J].大学教育，2018（1）：47-49.

[责任编辑：刘凤华]