融合三维CAD技术的“工程制图”课程教学改革探讨

2022-10-24袁恩先

化工时刊 2022年9期

袁恩先

(扬州大学化学化工学院，江苏扬州 225002)

“工程制图”是高等院校工科类专业学生的一门必修课，其主要任务是培养学生空间想象和逻辑思维能力，同时在培养学生形象思维、科学研究以及创新能力等综合素质的过程中也起着重要作用，并为后续的相关学习和工作奠定基础。如今，随着科学技术的发展，尤其是计算机其广泛应用和其运算能力的飞速提升，工程制图与计算机技术的融合愈发深入，因而对本课程提出了更高要求，传统的教学内容和模式受到挑战，课程改革势在必行[1]。随着计算机绘图技术的普及，传统手工制图的模式已经逐步被计算机辅助设计(CAD)所取代，尤其是三维CAD技术因其强大的建模造型功能，已经广泛用于机械设计，是作为未来设计人员的大学生必须掌握的技能，同时运用好三维CAD技术可以提高教师教授“工程制图”课程的效率。

1 CAD教学的现状

随着社会的发展，市场需求发生了深层次的变革，工程设计领域对专业人才的知识储备和能力结构的要求也在不断提高。以工程制图课程为例，目前课程中CAD教学存在的主要问题：(1)课时的缩减导致学生的CAD软件练习量过低，从而阻碍了CAD技术操作能力的提升；(2)图形电子化技术的发展使得三维CAD 技术已经成熟，而目前课程中教授的CAD内容主要是二维视图的绘制，无法满足立体三维空间表达的要求；(3)部分高校的 CAD 教授内容较为滞后，导致学生所学的操作技能和方法较为陈旧。这些问题直接影响学生在后续学习中的专业能力，关系到学生在从事工程设计领域工作时竞争能力的高低。

2 “工程制图”课程存在的主要问题和应对措施

作者通过总结以往“工程制图”课程教学过程中的经验和教训，归纳了该课程面临的三个主要问题，并提出了相应的解决措施。

2.1 教学内容有待更新

目前，高等院校中“工程制图”课程的学时已由以往的96学时压缩为现在的48学时，其中32学时用于制图理论知识的学习，16学时用于制图实践。当今机械制造技术的发展，使得制图新理论不断出现，这虽然使“工程制图”课程的内容得到了丰富，但也使教师面临如何让学生在较短时间内掌握最全面知识的难题。传统“工程制图”课程的教学大纲强调画法几何、制图标准以及二维CAD绘图，却很少涉及与制图相关的实际应用。这不但导致学生因知识点难度大而学习积极性不高，且易造成纸上谈兵的现象，学生难以将学得的理论知识正确地应用于实践[2]。

课程教学改革中，要对课程内容进行更新。首先，针对性地选择教学内容全面、实用性强的新型教材，需包括工程制图、设备设计、CAD软件应用三方面。其次，图板制图和二维CAD制图并无本质区别，而三维CAD建模的出现则使机械设计领域发生了革命性的变化，其众多优势使得未来CAD教学必然以三维为主、二维为辅，因此“工程制图”课程中必将引入三维CAD建模内容，并适量增加制图实践学时，同时压缩讲解点、线、面投影等画法几何内容的学时。画法几何部分的精简，并不意味其重要性的降低，而是因为通过三维CAD建模内容的学习能够有利于学生更好、更快地掌握二维元素的投影性质。最后，教学过程中还要注重设备结构设计的合理化以及尺寸标注的可测性和可加工性。

2.2 教学模式需优化

传统的教学方式，以教材为依据，以教师为主导，让学生耳濡目染逐渐接受知识，教学效率低，且因“工程制图”课程的特性导致传统教学方式的缺点被放大。制图理论知识较为抽象，晦涩难懂，只通过语言描述很难让学生完全理解，一旦讲述时间过长，必然会导致学生学习积极性降低；同时，在教授机件立体的表达形式时，因教学条件限制，不能提供教学内容所涉及的所有机件模型，部分学生空间思维能力有限，对知识点的理解较为困难，教学效果并不理想[3]。

优化传统课堂教学过程，发挥学生的主动性。采用翻转课堂模式，针对知识的难点和重点，精心设计一个实际问题，让学生自由讨论、思考，在寻求答案的过程中掌握知识并培养空间思维能力。另一方面，在制图理论知识学习的过程中，交叉教授CAD三维建模知识，让学生制作课程中讲解的三维结构模型，既锻炼学生CAD制图技能，又能够直观生动地呈现教学内容中涉及的立体结构，有利于学生对重点和难点的理解与掌握。这种新型教学模式因其较强的表现力，能够有效地调动学生的感官系统参与学习，增强其学习的自主性，从而有助于提高其知识获取的完善性，并同时提高教师的教学效率。

2.3 理论与实践联系需加强

与国外高等教育注重紧密联系生产实际的情况相反，目前国内“工程制图”课程内容中缺少实践应用教学环节，导致学生无法将所学理论知识应用于解决实际问题，实践能力得不到锻炼，从而也无法检测学生对知识掌握的真实程度[4]。课程学时少，无法实现组织学生进行实地现场考察、分析机械设备结构以及设计原理、最终完成设备结构图绘制的全过程。

将三维CAD技术融入“工程制图”教学中能够有效地解决上述问题。教师可根据教学内容采用CAD软件绘制三维设备模型，向学生直观地展现复杂构件中各零件之间的装配关系；同时，能够让学生感受三维立体与二维平面图形之间的转换过程，有助于学生思维想象能力和空间分析能力的提升。

综上可以发现，将三维CAD技术融入“工程制图”课程中，是课程教学改革的必然方向。同时，二维图形信息已经远不能满足现代工程设计和机械制造的需求，为了缩短周期，三维设计已成为必然。因此，当今的工程制图应该是面向三维设计，将制图与设计融合。这丰富了“工程制图”课程教学内容，但同时也给传统教学模式带来了挑战[5]。在基于三维CAD技术的“工程制图”课程教学过程中，需要加强学生立体结构表达能力和建模能力的培养，使其形成系统的工程意识和创新思维。

3 融合三维CAD技术的制图课程教学改革策略

3.1 三维CAD软件的教授

AutoCAD是一款专业绘图软件，具有强大的二维图形绘制和三维建模功能，可以作为三维CAD建模教学工具。鉴于部分学生的计算机操作与应用能力不足，在教授AutoCAD软件的过程中，首先，整体把握教学目标，由浅入深安排教学内容，从二维图形绘制教授开始，随后到三维建模，重点讲解二维、三维制图的典型命令和操作，让学生尽快熟练掌握软件绘图的基本操作；其次，通过案例教学，基于任务驱动的理念，进行系统性教学，争取将大多数知识点融会贯通，形成一个整体，同时兼顾教学案例的渐进性，让学生可以在反复循环练习中掌握较为系统的知识体系；最后，充分尊重学生的主观能动性，争取在整个教学过程中，做到以教师为主导、学生为主体，教师只扮演引领、归纳和查缺补漏的角色，而让学生去探索和尝试软件功能的使用。

三维建模是CAD软件教授的重点以及难点。为了使学生掌握应用CAD软件三维建模的技能，在教学过程中，要详细讲解软件的使用特点，演示三维建模过程中的软件操作技巧，并先以较为简单的棱柱、圆柱、球体等基本体为例进行三维建模，随后逐渐过渡到较复杂的组合体三维建模。

3.2 三维CAD建模与工程制图内容的统一

CAD三维建模是“工程制图”课程教学的辅助手段，因此CAD三维建模的教授内容应与“工程制图”课程的目的保持一致。传统“工程制图”课程中画法几何部分的教授是一个从点、线、面到体的过程。而基于三维CAD技术，要建立以“体”为中心的教学体系，由三维模型出发分析及点、线、面，使学生在学习之初，就形成空间立体思维。通过对三维模型进行编辑，动态多角度地观测立体结构和投影、截交线和相贯线、剖视图和断面图的形成。三维模型与二维视图之间的转变，有助于学生对组合体画图和读图的理解。此外，培养学生三维读图能力也是教授三维CAD建模的重点。通过将立体的三维模型进行旋转，学生可以直观地感受到相应投影视图的生成过程。

3.3 三维工程图样绘制能力的培养

将三维CAD建模用于工程设计领域，相比传统的二维工程图样，三维工程图样更为直观、易懂，有利于后续的实际操作。但在三维工程图样绘制过程中，需要注意一些工程图样标准的问题，例如科学使用工程图样的单位、选用合适的图幅以及缩放比例、规范标注等。同时，学生在使用三维 CAD技术绘制工程图样时，也可结合传统二维视图的表达方法，例如局部视图、剖视图等，来描述设备的某些特定结构。这样能够同时加深学生对这些视图表达方法的理解。

教师可以采用三维CAD对某典型机械设备进行设计，直观地展示机械设备中各个零件的结构，通过演示该设备的装配过程，让学生理解各零件之间的联结和装配关系。同时可以根据教学需要，对设备结构进行剖切，帮助学生进行设备内部结构的观察和视图分析。以机械设备中最为常见的减速器为例，借助AutoCAD软件对其齿轮、轴、轴承、箱体以及其他附属零件进行三维设计，然后进行虚拟装配(图1)，让学生在装配过程中掌握各零件之间的装配关系。在使用三维CAD软件建模的过程中，学生可以利用并、交、差等布尔运算对立体结构进行编辑，有助于加深其对在画法几何中学习的立体截切、相贯等知识的理解，大幅缩短掌握相关知识的时间。

图1 减速器的零件和装配

3.4 融合三维 CAD制图课程教学模式的创新

传统的制图课程教学顺序是先几何元素投影，后三维建模。学生在学习几何元素投影，尤其是较为复杂的立体投影过程中，经历的是由二维视图到三维空间的形态变换，再将三维结构进行二维表达的一个思考过程。但受限于理解力和空间想象能力，学生很难通过抽象思维在脑中想象出对应的立体空间形态。将三维CAD建模融入制图课程的教学中，建立先三维建模后二维投影的教学模式，能够有效地解决这一教学难题。学生通过三维CAD建模的训练，能够理解并掌握立体的结构特征，随后在此基础上进行立体投影的学习，无疑能够显著地提高学习效率。