基于CAID的工程制图教学改革体系构建＊

党进才

（甘肃林业职业技术学院，甘肃 天水 741020）

1 CAID的概念与内涵

CAID即计算机辅助工业设计（Computer-aided Industrial Design），是指以计算机硬件、软件、通讯协议和互联网等为技术手段，对信息进行离散化表述、扫描、处理、传递等的科学技术集合[1]。随着科技发展和信息时代的到来，市场对产品性能、价格和生产周期的要求更加苛刻，要求产品研发周期短，品种多样化、个性化、趣味化。这些都需要制造企业具备快速开发高质量产品的能力，在尽可能短的时间内确保产品的准确性、新颖性、独特性，于是CAID应运而生，CAID以计算机技术和工业设计相结合所形成的系统为支撑，进行工业设计领域的各项创造性活动。相比于传统工业设计，CAID在设计过程、设计质量、设计方法和设计效率等各方面都产生了质的飞跃，它涉及了CAD技术、虚拟现实技术、人工智能技术、敏捷制造、人机工程等许多信息技术领域，是一门综合的交叉性学科[2]。现阶段CAID技术发展主要涵盖4个方面。

第一，计算机辅助造型技术，实现了特征造型与参数化、变量化，推动了实体模型向产品模型的转化。主要涉及串通图形、基本表面与移动特征的自由曲面设计和满足工业设计人员手绘习惯的草图设计。

第二，人机工程技术，包括三维人体模型、人体标准数据库、评估系统等的应用。主要涉及以多媒体和虚拟现实技术为依托的人机界面技术和利用计算机软硬件系统共同实现的虚拟仿真技术。

第三，人工智能技术，主要依赖集成化智能设计系统提供一体化计算机支持。包括将设计人员的设计想法和知识表达与草图设计相结合的创造性设计思维，以及将物体的形状、造型、色彩及生成原理等抽象成形式化描述的设计文法。

第四，CAID中的高新技术，主要包括将VR技术融入形状结构设计的VR产品设计，以及涉及面向再生设计技术和面向生命周期评估等的绿色设计[3]。

目前，世界上大型的CAD/CAM/CAE软件系统包括Pro/Engineer、Solid Works、EDSUnigraphi cs、EUCLID等，都提供了产品前期设计的系统模块，即所谓的工业设计模块[4]。

2 CAID为工程制图教学改革提供新的思路

2.1 思维方式的转变

传统的工程制图教学改革围绕工程图识读及绘制两大模块展开。工程图识读的学习着重在掌握工程图符号、线型、表达方式等含义的前提下，通过立体思维和空间想象得出二维图型所表达的三维实体形状，即由二维图形转译为三维空间实体[5]。工程图绘制的学习则围绕如何用平面符号和线条来表达空间实体及设计思想，如何在二维与三维转换过程中，完整保留几何信息，并正确使用文字和符号对材料、工艺等附加信息进行说明。转换过程中信息关联度不高，难于理解，给初学者造成很大困难。

CAID使用的是一种更贴近现实，更直观的设计思维模式，以三维建模为基础，在虚拟化的建设场景中模拟工业产品的真实制造过程，实现所想、所建与所得的融合统一，帮助设计人员避免了二维与三维空间转化时易出现的偏差和错误，由电脑代替人脑在三维与二维间进行准确快速转化，回归设计制造本源。

2.2 教学改革重心的转移

工程制图以培养学生的五大核心能力为教改目标，具体包括工程图样的识读能力，工程图样的绘制能力，二、三维转换的空间思维能力，三维构型与设计创新能力，良好的工程意识。目前多数学校的工程制图教改都以训练学生二、三维转换的空间思维能力为重心，在掌握了各种国标规定和图示符号的基础上，训练学生由二维图形特征推导三维实体形状的立体思维和空间想象力，难度较高且枯燥乏味，不利于调动学生的学习积极性，忽略了本课程的实质，未使学生在各种工具的帮助下正确理解和表达设计意图、造型思想，未能激发创新能力、培养良好的工程意识。而在CAID提供的虚拟仿真环境中，学生可以通过实例建模掌握各零部件的形状结构，材料特性，及其在机械整体中的工作位置、原理、相互关联和约束。从而更直观地把控整体，体验设计与创造的快乐。

随着CAID成为制造业的领先技术，工业设计与制造开启新模式，与之关联紧密的工程制图教改也应打破陈规，不再局限于传统的围绕几何投影理论的教改模式，而是充分结合计算机科学、智能化和工程科学，使本课程教改最大限度地服务于学生未来的实际工作场景，因此教学课程改革势在必行。

3 基于CAID建模的知识体系构建

以CAID三维建模思想为基础，在建模过程中融入制图基础内容的讲解，引入其他相关设计类课程内容，实现课程内容的良好衔接，使学生的学习重点从被动的二维图样绘制和识读转变为自主创新设计，使工程制图教改形成三维建模为主，二维为辅，国标规范为依据、工程意识为导向，实现计算机建模与设计实践高度融合的教改思路。

3.1 构建原则

使设计建模过程与人的思维过程保持一致；以Solid Works软件为平台，以三维造型为基础，以虚拟制造为手段，使三维造型、二维工程图与机械设计规范，与实际设计场景完美融合，贴近工程实际；重点突出“体”的地位，弱化“点、线、面”的讲解，最大限度压缩画法几何的内容；实现多门课程的交叉融合，在三维建模基础上实现装配、材料，运动仿真，工程管理等信息的集成。

3.2 教学改革目标

新的教改体系将从理论知识、技术技能和工程素质3个层面着手，培养学生的三维建模能力、设计创新能力和综合知识应用能力，提高学生任务执行能力和在行业内的竞争力，分层教改目标如表1所示。

表1 分层教改目标

表2 传统工程制图教学内容

3.3 教学改革内容

目前大部分高校的工程制图教学改革以投影理论为主体，学分为4～6分，主要教学内容如表2所示。基于CAID的教学改革体系以三维建模为主，改变二维与三维分离的教学方式，讲授基本的设计原理和具体的建模方法，以三维实体建模为载体，从形体构造过渡到图形表达，着重培养实践与创新意识，同时培养二维工程图表达能力的课程体系，如表3所示。新体系的理论教学环节为2学分，实践环节2学分，综合实训教学环节2学分，内容安排符合学生的惯性思维，贴近未来的工作要求，便于理解易于接受。通过表2和表3内容对比，可以看出新教学改革内容安排的明显优势。

表3 基于CAID的工程制图教改内容

表3（续）

3．3．1 零件形体认识

刚入学的新生没有专业基础，对机械结构、零件形体、工程图样等概念都很陌生，此时利用二维图纸教学，学生很难通过二维图形想象三维实体，在课程开始便会对课程产生畏难厌烦情绪，不利于后续内容的开展和工程意识的建立。从工业中常见的基本零件，如螺钉、螺栓、齿轮等入手，在CAID提供的Solid Works平台上，利用设计库中的Design Library和Toolbox等工具中分类存放的常用零部件，为学生展示不同功用类别零件的结构及相互间的异同。并在此基础上为学生展示各零件在不同视图中的形状，引出基本三视图中3个视图的概念、含义及对应关系，轴测图的概念、作用及使用方法。这些都是基于工业的基本逻辑，使学生在了解机械零件的同时对工程图的基本表达方式和原理有更深刻的理解。通过软件设置操作，展示实物、三视图及三维视图的一一对应，帮助学生理解不同的三维零件在二维图中的形态。

安排少量课时向学生阐述常用零部件的功能结构及基本的机械原理。使学生的思维不只局限于绘图或建模技术，而是向设计思维和创造思维发展。从几何形状—功能—关联的层层递进，培养学生的初级设计思路框架。通过形状—结构—功能—关联层层递进，帮助学生建立初级设计思维框架。

3．3．2 考核方式

由于本课程是一门实践性和技能性较强的课程，传统的以末考成绩为主要依据的考核方式无法真实反映学生的学习状况和实操水平。因此新的课程设计探索了一种过程监控和开放式考核相结合的方式。其中过程监控占总成绩60%，内容为每周一次限时小作业。剩余40%分摊在第2学期的机械设计工程图制作以及第3学期的数控编程与操作加工图纸设计上，在环节安排上促进该课程知识的循环巩固。

4 教学改革效果

在机电一体化技术专业的一年级和三年级各选1个班作为实验班。统计一年级第一学年的学习状况，可以发现实验班的作业提交比例和作业质量明显高于普通班。

课程实训成绩和作品质量也高于普通班，以机械设计工程图制作为例，实验班的学生通过CAID平台设计的作品质量更高，耗时更短，同时体现出了更多的工程意识和创新思想。

对高年级学生进行问卷调查和访谈，学生反映在入学之初学习的工程制图知识，在后续课程学习中有遗忘现象，影响后续专业课的学习效果。在不同学期学习的不同专业课，应用时也存在知识融合困难，缺乏综合使用的能力。但通过CAID学习将本专业课程体系进行“纵向”整合后，对机械制造全过程有了立体的认识，各专业知识得到有机结合。高年级同学在机械设计基础、机电设备装调与维护及毕业设计中所花时间大大减少，低级常识性错误率基本为零。对新教改内容和方式更为满意的人数占92%。实习单位反馈实验班学生在读图速度、准确度以及工程意识和创造性思维能力方面均强于普通班学生。

5 结束语

CAID技术以直观模型为基础，弱化了抽象的投影模式，克服了二维图纸信息量有限、必须辅以良好空间思维、发生错误后修改工作量巨大等缺点，提供了一种能对形体全方位可视化的环境，同时保留各部件间的拓扑关联。本文提出的基于CAID的工程制图教改新体系，改变了以画法几何为基本核心的传统教改观念，更适应当前信息时代、智慧时代的发展需要，在训练空间思维能力的同时，培养学生的创新能力和工程素养，培养适应社会发展的高素质技能型人才。