吳狄

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

基于三維CAD技術(shù)的工程制圖教學(xué)改革研究

吳狄

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

通過(guò)分析三維CAD技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域發(fā)生的巨大變革以及對(duì)工程制圖課程的影響，提出了現(xiàn)實(shí)條件下工程制圖課程改革的必要性及改革的具體思路，介紹了基于三維CAD技術(shù)的工程制圖教學(xué)改革的探索與實(shí)踐的過(guò)程與結(jié)果。

三維CAD;工程制圖;教學(xué)改革

我國(guó)高校開設(shè)CAD教學(xué)已有20多年的歷史，在教學(xué)內(nèi)容上主要以繪制二維圖形為主。但隨著計(jì)算機(jī)性能的提高，原來(lái)用于工作站上的各種基于特征造型、參數(shù)化、變量化的三維設(shè)計(jì)軟件也都有了微機(jī)版本，面對(duì)微型計(jì)算機(jī)的新的三維建模設(shè)計(jì)軟件也出現(xiàn)了井噴式發(fā)展。設(shè)計(jì)從三維開始，更符合人的思維過(guò)程，它從根本上顛覆了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)發(fā)生了革命性的變化。隨著三維CAD技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用的日益普及，客觀上要求對(duì)工程圖學(xué)的課程體系、內(nèi)容、方法、手段全面改革，以適應(yīng)現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造、現(xiàn)代信息科技和培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人材的需要。

一、CAD教學(xué)的現(xiàn)狀

CAD課程的內(nèi)容如果僅就圖形處理而言應(yīng)包括二維和三維兩個(gè)基本部分，但近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)院校在開設(shè)CAD類的課程時(shí)基本上只講二維部分，三維很少涉及，在講授三維內(nèi)容時(shí)多采用AutoCAD中的實(shí)體造型功能。AutoCAD的實(shí)體造型部分不是基于特征的三維系統(tǒng)，不具備參數(shù)化功能，不能對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行編輯和修改，不是真正意義上的三維建模系統(tǒng)。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的大學(xué)已經(jīng)開始了基于特征造型、參數(shù)化的三維設(shè)計(jì)繪圖教學(xué)，自2000年開始，美國(guó)的22個(gè)州的1000多所大學(xué)全面使用三維CAD軟件Autodesk Inventor，讓學(xué)生學(xué)習(xí)使用最先進(jìn)的CAD軟件，為以后的工作打下必要的基礎(chǔ)。再如日本AMADA(天田)公司，它是世界第二大生產(chǎn)數(shù)控沖床的企業(yè)。在該公司工作的有日本東京大學(xué)、京都大學(xué)和東京工業(yè)大學(xué)和的畢業(yè)生，而這些學(xué)校早已不再進(jìn)行二維CAD的教學(xué)，學(xué)習(xí)的是三維建模軟件，有Autodesk Inventor、Solidworks等。

在三維CAD已經(jīng)日臻成熟的今天，國(guó)內(nèi)高校的工程制圖還是以二維CAD占據(jù)教學(xué)的主導(dǎo)地位，這明顯已經(jīng)落后于時(shí)代。因此，從培養(yǎng)高素質(zhì)人材的需要出發(fā)，必須對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)的改革，這樣才能使工程制圖教學(xué)跟上時(shí)代發(fā)展的步伐。

二、三維CAD技術(shù)特點(diǎn)及其教學(xué)應(yīng)用

1．現(xiàn)代CAD技術(shù)為工程設(shè)計(jì)提供了三維平臺(tái)

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程是基于二維圖樣平臺(tái)，設(shè)計(jì)者頭腦中的產(chǎn)品構(gòu)思是三維物體，但受表達(dá)方法和手段的限制，設(shè)計(jì)產(chǎn)品只能采用投影的方式，表達(dá)為二維投影視圖。讀圖時(shí)再根據(jù)若干二維投影視圖，理解它們的含義，在頭腦中想象出所表達(dá)的三維實(shí)體的結(jié)構(gòu)和形狀。這種三維物體到二維圖樣的表達(dá)過(guò)程和二維圖樣到三維物體的看圖過(guò)程是空間到平面、再由平面到空間的思維過(guò)程，不是直觀的，而是間接的。這不但需要大量的時(shí)間和精力，而且有一定的難度，不利于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造信息的表達(dá)和交流，限制了設(shè)計(jì)者的創(chuàng)新思維。

三維CAD環(huán)境為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造信息傳遞提供了三維平臺(tái)——三維的數(shù)字模型。設(shè)計(jì)者從三維物體出發(fā)想象構(gòu)思產(chǎn)品，在三維CAD軟件支持下，建立數(shù)字化的三維幾何模型。這種方式使產(chǎn)品信息的表達(dá)完整、直觀，方便交流。三維CAD環(huán)境使設(shè)計(jì)和制造的概念和過(guò)程產(chǎn)生了根本的變革。

2．計(jì)算機(jī)是完美的空間思維輔助工具

在二維CAD環(huán)境，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)只是作為設(shè)計(jì)者的繪圖工具，它將傳統(tǒng)的鉛筆繪圖提高到電子圖，實(shí)現(xiàn)了圖形的電子化，減輕了設(shè)計(jì)者手工繪圖的負(fù)擔(dān)，但是工程設(shè)計(jì)的基本模式并未發(fā)生根本的變化。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式下，設(shè)計(jì)者頭腦中首先要有完整、明確的產(chǎn)品構(gòu)思，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)正投影理論和表達(dá)方法，畫出二維設(shè)計(jì)圖樣。而在制造產(chǎn)品時(shí)，工藝工程師需要根據(jù)設(shè)計(jì)者所繪制的二維工程圖，經(jīng)過(guò)讀圖的過(guò)程，將二維投影圖轉(zhuǎn)化為三維實(shí)體，才能理解產(chǎn)品的三維幾何形狀和結(jié)構(gòu)。這期間不但需要大量的時(shí)間和精力，在現(xiàn)實(shí)中還會(huì)發(fā)生表達(dá)錯(cuò)誤和理解錯(cuò)誤的情況，從而影響產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。在零件設(shè)計(jì)完成以后，要進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)制造，然后進(jìn)行實(shí)際裝配，而在這一階段，往往會(huì)發(fā)生因設(shè)計(jì)不合理而發(fā)生零件之間的干涉，還要重新改進(jìn)設(shè)計(jì)，再進(jìn)行生產(chǎn)、裝配、檢驗(yàn)。一些部件的設(shè)計(jì)往往要經(jīng)過(guò)幾次這樣的過(guò)程，不但使設(shè)計(jì)制造的周期拉長(zhǎng)，而且會(huì)造成極大的浪費(fèi)。功能強(qiáng)大的三維CAD技術(shù)，為設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)全新的設(shè)計(jì)環(huán)境。三維CAD系統(tǒng)的應(yīng)用，使計(jì)算機(jī)不僅是繪圖工具，還成為輔助設(shè)計(jì)者進(jìn)行空間思維的工具。因?yàn)樵诋a(chǎn)品設(shè)計(jì)的最初階段，設(shè)計(jì)者的產(chǎn)品構(gòu)思往往是概括的、粗略的，某些局部和細(xì)節(jié)可能是模糊的、未確定的，甚至是有錯(cuò)誤的。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成以后，CAD系統(tǒng)可以進(jìn)行計(jì)算機(jī)的模擬裝配，進(jìn)行干涉的檢查，可以對(duì)零件的尺寸和結(jié)構(gòu)進(jìn)行編輯和修改，最后達(dá)到設(shè)計(jì)要求，這一切都是在計(jì)算機(jī)的三維系統(tǒng)下模擬進(jìn)行的，沒(méi)有實(shí)際制造的過(guò)程，這不但可以縮短設(shè)計(jì)周期，還可以極大地降低設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本。

3．基于三維CAD的工程制圖教學(xué)是教學(xué)改革的必然趨勢(shì)

工程制圖課程是工科專業(yè)一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，作為工程界的語(yǔ)言，本課程具有較強(qiáng)的實(shí)踐性。它的教學(xué)質(zhì)量如何不但直接影響到學(xué)生對(duì)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)，而且可能會(huì)決定學(xué)生畢業(yè)以后能否勝任對(duì)口的技術(shù)工作。

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展、新興學(xué)科的增加以及社會(huì)對(duì)人才知識(shí)結(jié)構(gòu)需求的變化，設(shè)計(jì)領(lǐng)域正面臨著一場(chǎng)革命性的巨變。如何迎接好這樣一場(chǎng)巨變，使高等教育能夠適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，使課程教學(xué)不至于落后，是每一所高校面臨的重要課題。傳統(tǒng)的教學(xué)方法要求有充足的教學(xué)時(shí)數(shù)作為基礎(chǔ)，這與現(xiàn)實(shí)嚴(yán)重不符。目前的情況是，工程制圖課的學(xué)時(shí)在不斷縮減。以沈陽(yáng)工程學(xué)院為例，機(jī)械本科工程制圖課為80學(xué)時(shí)，一般的非機(jī)類專業(yè)工程制圖課為56、48、32學(xué)時(shí)不等。其次，傳統(tǒng)的教學(xué)模式已經(jīng)不能適合時(shí)代的發(fā)展。目前已經(jīng)完成了普及CAD技術(shù)的第一階段，即圖形的電子化，而我國(guó)大部分高校工程制圖教學(xué)仍以二維CAD教學(xué)為主，這顯然與當(dāng)前科技飛速發(fā)展的形勢(shì)嚴(yán)重不符。盡管我國(guó)的科技發(fā)展與發(fā)達(dá)國(guó)家尚有差距，但是，只要及時(shí)地跟上時(shí)代發(fā)展的腳步，才能與時(shí)代同步。

三、教學(xué)改革方案及其實(shí)施效果

1．改革方案的具體設(shè)計(jì)

縱觀我國(guó)高校的工程制圖教材，一般可以分為幾部分:投影基礎(chǔ)，包含畫法幾何與立體的投影;構(gòu)型設(shè)計(jì)，包括組合體的構(gòu)型等;表達(dá)方法，包括組合體的表達(dá)方法，零件和裝配體的表達(dá)等;制圖規(guī)范，包括《技術(shù)制圖》《機(jī)械制圖》、圖樣畫法、尺寸注法等;專業(yè)圖樣的繪制與閱讀，繪制和閱讀與本專業(yè)相關(guān)的工程圖樣。

鑒于教學(xué)時(shí)數(shù)不足的實(shí)際情況，可以確定改革的基本方針為:保證必要內(nèi)容的教學(xué)時(shí)數(shù)，減少構(gòu)型內(nèi)容的教學(xué)時(shí)數(shù)，刪除不必要的教學(xué)內(nèi)容。從三維開始學(xué)習(xí)，從根本上改變了傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容和模式，是教學(xué)改革的最終目的;加入了三維CAD建模內(nèi)容，是教學(xué)改革的核心;從課程體系上確定設(shè)計(jì)從三維開始的設(shè)計(jì)理念，是教學(xué)改革的切入點(diǎn)?；舅悸肥?面向三維CAD技術(shù)，加強(qiáng)形體構(gòu)形能力和形體表達(dá)能力的培養(yǎng)，加強(qiáng)創(chuàng)新能力和工程意識(shí)的培養(yǎng)。

（1）面向三維CAD組織教學(xué)內(nèi)容。把三維CAD技術(shù)引入工程制圖教學(xué)，將實(shí)體建模概念引入教學(xué)，加強(qiáng)對(duì)三維形體的想象、構(gòu)形、分析、表達(dá)能力、三維形體和二維圖形相互轉(zhuǎn)化能力的培養(yǎng)。具體教學(xué)安排見(jiàn)表1。

表1 工程制圖課程教學(xué)安排

（2）以“實(shí)體”為中心。從三維實(shí)體入手，在制定改革的教學(xué)日歷中，不再進(jìn)行單獨(dú)的畫法幾何內(nèi)容的教學(xué)，而在進(jìn)行“實(shí)體”的教學(xué)過(guò)程中，拿出“體”上的點(diǎn)、線、面進(jìn)行分析，這樣，對(duì)點(diǎn)、線、面的理解和認(rèn)識(shí)要比單獨(dú)講解該內(nèi)容更直觀，更易于理解。在教學(xué)中，利用三維軟件，進(jìn)行實(shí)踐性教學(xué)。由于軟件簡(jiǎn)單易學(xué)，學(xué)生很容易就可以掌握常見(jiàn)的建模過(guò)程。復(fù)雜的截交、相貫等，在三維系統(tǒng)中變得容易理解。由學(xué)生自己完成建模，更能增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效果。

（3）加強(qiáng)徒手軸測(cè)圖訓(xùn)練。在交流設(shè)計(jì)思想、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪時(shí)，徒手草圖是一種有效的方式。但是隨著教學(xué)時(shí)數(shù)的減少，這種內(nèi)容一般已經(jīng)不再講解。其實(shí)徒手作圖對(duì)于理解零件的結(jié)構(gòu)和表達(dá)是十分有益的，鑒于此，可以增加這一部分的訓(xùn)練。具體做法是:在進(jìn)行三維建模前，先進(jìn)行徒手繪制軸測(cè)圖，盡管可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，然后再進(jìn)行三維建模。這樣做的好處是，對(duì)自己徒手圖的錯(cuò)誤，有一個(gè)直觀、深刻的認(rèn)識(shí)。

（4）增減教學(xué)內(nèi)容以適應(yīng)發(fā)展的需要。降低相貫線內(nèi)容的難度，只講授相貫線的概念、近似畫法、變化趨勢(shì)。在三維軟件中，直接建模就可以得到相貫線的二維表達(dá)。刪減畫法幾何部分，刪去二維CAD部分，減少組合體的教學(xué)時(shí)數(shù)，增加三維CAD內(nèi)容，主要采用上機(jī)實(shí)踐教學(xué)方式。以此為依據(jù)，制定新的教學(xué)日歷(見(jiàn)表2)。對(duì)于教學(xué)時(shí)數(shù)比較少的專業(yè)班級(jí)，則采用在不改變教學(xué)時(shí)數(shù)的情況下，對(duì)教學(xué)日歷進(jìn)行必要的調(diào)節(jié)，在實(shí)例中全部采用三維圖組織教學(xué)，從“體”到幾何元素，盡最大可能實(shí)現(xiàn)“讓三維主導(dǎo)教學(xué)”。

表2 新的教學(xué)日歷變化情況

2．改革方案的實(shí)施結(jié)果

為檢驗(yàn)教學(xué)改革的成果，在2012～2013學(xué)年第一學(xué)期，以沈陽(yáng)工程學(xué)院11級(jí)的一個(gè)本科班作為試點(diǎn)，這里稱為改革班，對(duì)比對(duì)象為11級(jí)的另一個(gè)本科班，稱為比對(duì)班，我們進(jìn)行了第一次改革實(shí)驗(yàn)。

首先選擇比較適合的三維建模軟件。近幾年來(lái)，由于三維CAD技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，三維CAD軟件有很多種可供選擇，目前流行的三維CAD軟件主要有Solidworks、UG、Pro－E、Solid Edge等。經(jīng)過(guò)比對(duì)，確定美國(guó)軟件Soled Edge作為首選，原因如下:①軟件出身名門，是Unigraphics Solutions公司的旗下產(chǎn)品，與大名鼎鼎的UG有相同的血統(tǒng);②該軟件在三維建模軟件中，功能較強(qiáng);③軟件簡(jiǎn)單易學(xué);④已經(jīng)開設(shè)過(guò)多年公選課，具有一定的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生也有很多選擇學(xué)習(xí)，在學(xué)生中有一定的影響。在學(xué)院系部和教研室的支持下，對(duì)教學(xué)日歷進(jìn)行了修訂，刪減了原有的畫法幾何內(nèi)容，對(duì)相貫線的內(nèi)容進(jìn)行了刪減，這樣做的理由不僅是改革的需要，也符合新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

在教學(xué)中增加實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是改革的主線，主要是解決學(xué)生讀圖方面的困擾，經(jīng)過(guò)一個(gè)學(xué)期的實(shí)踐，可以感覺(jué)到學(xué)生在實(shí)體讀圖方面的確有了很大的提高。

以最能體現(xiàn)三維建模作用的期末考題的第三題和第四題為例，具體說(shuō)明(見(jiàn)表3)。第三題是組合體的視圖表達(dá)，滿分是20分;第四題是組合體的剖視圖，滿分是20分。

表3 改革班與對(duì)比班第一次成績(jī)比對(duì)

由表3可以看出，改革班兩個(gè)題的平均分?jǐn)?shù)和滿分人數(shù)均有較大的提高。兩道題的得分率分別提高了7.4%和5.35%;滿分人數(shù)分別提高7.8%和29.3%。

在2013～2014學(xué)年的第一學(xué)期的期末考試中，又進(jìn)行了第二次比對(duì)實(shí)驗(yàn)(見(jiàn)表4)。

表4 改革班與對(duì)比班第二次成績(jī)比對(duì)

可以看出，兩個(gè)題的相關(guān)指標(biāo)有所提高，兩道題的得分率分別提高了13.2%和10.63%。由于空間思維能力的提高，學(xué)生對(duì)于其他問(wèn)題的理解能力也得到了加強(qiáng)。

有一點(diǎn)應(yīng)當(dāng)說(shuō)明，由于教學(xué)的安排有一定的難處，改革班沒(méi)能找到實(shí)際情況完全對(duì)等的專業(yè)班級(jí)，故其中的一些數(shù)據(jù)難免尚存在一些偏差。

面對(duì)三維CAD技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的工程制圖教學(xué)模式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)實(shí)的需要，工程制圖教學(xué)的改革已經(jīng)極為迫切，特別是對(duì)于新升本科院校，要辦出自己的特色，首先是保證不能落后。將三維建模融入工程制圖的教學(xué)中，加強(qiáng)了對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力和工程意識(shí)的培養(yǎng)，對(duì)于適應(yīng)社會(huì)發(fā)展和科技發(fā)展的需要，有極其重要的意義。通過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，證明了這一改革思路是正確的，方法是可行的，有推廣的意義。

［1］胡青泥，戴恒震，高菲，等．面向三維CAD/CAM技術(shù)的機(jī)械制圖教學(xué)研究［J］．工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2002(1):137－138．

［2］鄭盛梓，姚涵珍，周桂英，等．面向三維CAD技術(shù)的工程制圖教學(xué)研究［J］．東華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2005(4): 154－155．

［3］竇忠強(qiáng)，張?zhí)K華，龐永軍．高校的CAD教學(xué)應(yīng)從三維開始［J］．工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2001(4):112－113．

Based on the Engineering Drawings of the 3 d CAD Technology Teaching Reform Research

WU Di
(Faculty of Mechanics，Shenyang Institute of Engineering，Shenyang 110136，China)

Through the analysis of development of 3D CAD，great revolution of designing and manufacturing and influence on engineering graphics courses，the paper puts forward the necessity of engineering cartography curriculum reform under the condition of reality and concrete thought of reform，and introduce the progress and result of the exploration and practice of teaching reform for engineering graphics base on 3D CAD．

3D CAD;engineering graphics;teaching reform

G642.0

A

1672－9617(2014)03－0408－04

(責(zé)任編輯 祁剛 校對(duì) 伯靈)

2014－04－21

吳狄(1955－)，男，沈陽(yáng)人，副教授。