機械制圖中CAD教學的軟件選擇與教學設計

唐永勇， 馮 劍， 陳國民， 杜振華， 陳 明

(解放軍后勤工程學院，重慶 401311)

機械制圖中CAD教學的軟件選擇與教學設計

唐永勇， 馮 劍， 陳國民， 杜振華， 陳 明

(解放軍后勤工程學院，重慶 401311)

針對機械制圖中CAD教學的學時短、內容多等問題，采用精簡教學內容，注重實際操作的融合式教學法具有較好的效果；綜合比較了國內外二維繪圖軟件的功能與特性，在滿足學校軟硬件配置要求的前提下，提出教學軟件除應具有應用廣泛、通用性好、操作界面友好等性質外，還要能體現設計思想與表達形式相分離的先進設計理念。教學實踐表明，恰當的軟件選擇和以動手能力為目標的CAD教學方法能很好地滿足學時和能力要求，拓展了學生的知識面。

機械制圖；CAD教學；國產CAD；融合式教學法

隨著計算機軟、硬件技術的發展，計算機繪圖軟件已經完全取代了傳統的尺規繪圖工具，對現代設計人員而言，使用直尺和圓規等工具來完成即便是一個很簡單的設計都會顯得與時代的發展不相適應。因此，以講授工程圖形繪制為主要內容的機械制圖課程必然要增加計算機繪圖軟件的使用與操作等內容以滿足社會實踐的要求，但機械制圖作為傳統課程又面臨著教學時間縮短這一問題。“教什么、怎么教”是大多數圖形學教師正在考慮的兩個問題，“教什么”涉及到的是教學軟件的選擇和教學內容的劃分，而“怎么教”考慮的是教學場地的安排和教學手段的使用，對于這兩個問題的不同選擇極大地影響了機械制圖教學的實際效果。目前在機械制圖教學中有三種類型的教學方法[1-4]，一種是將機械制圖的內容與CAD課程的內容整合為一門課程但分別講授的添加式，另一種是將CAD內容與機械制圖內容相互交叉的融合式，以及按兩門課程分開講授的獨立式(或分離式)教學方法。機械制圖的根本目的就是要使學生學會制圖的基本原理和掌握繪圖的方法和手段，使用CAD軟件和使用尺規繪圖在本質上是一致的，即為設計者提供一個設計的平臺和工具，只是計算機繪圖的效率要高許多，特別是計算機繪圖可以將很多重復的工作程序化，而且編輯修改極為簡便卻不影響圖形的美觀。因此，采用將CAD的內容融入機械制圖相應章節的融合式教學方法應占有主導地位[1-4]。

1 教學軟件的選擇

1.1 繪圖軟件選擇的原則

一個好的教學軟件首先滿足可操作性，該可操作性應包含實用性、適用性和廣泛性三方面的要求。實用性要求軟件的選擇不僅應立足于學生當前的課程學習，還要立足于今后的專業發展；適用性要求選擇軟件時要考慮學生的接受能力、授課學時的長短以及學科和專業的特點；廣泛性要求軟件的適用面廣，使用者眾。因此，綜合而言，軟件的可操作性要求選擇的軟件必須是本行業廣泛使用的，在中文和非中文界面之間選有中文的，二、三維軟件上選擇二維軟件以便于平面圖形的講解；在軟件的版本上選硬件配置符合學校實際的而不是版本最高的，操作上要選界面友好、上手容易的等等。其次是軟件必須能體現現代工程設計的新思想和新理念，如設計團隊資源共享、人機交互界面友好等功能。目前，機械行業使用的二維計算機繪圖軟件品種較多[5-7]，而國產CAD軟件在經歷了幾十年的發展之后，也具有了與國際軟件巨頭 AutoDesk公司AutoCAD系列軟件進行競爭的能力。

1.2 國產軟件發展及其分類

目前，國產軟件根據是否掌握知識產權，分為三類，第一類是自成體系，有鮮明的專業特征，從各自行業中獨自壯大發展起來的具有完全知識產權，有CAXA電子圖板和開目CAD；第二類是基于AutoCAD的二次開發而不斷做強做大的，有天正CAD、天河CAD、機械工程師以及InteCAD；第三類為始于AutoCAD的二次開發，在做強后，在基于IntelliCAD核心技術之上的進行二次開發，其操作方式和軟件的功能與AutoCAD基本一致，具有部分自主知識產權的軟件，有浩辰CAD、中望CAD和堯創CAD等。2013年4月以后，浩辰、中望和堯創等軟件公司，放棄了原來的ITC基礎架構，分別推出了浩辰CAD8、中望CAD+和堯創CAD等具有完全知識產權的國產CAD軟件。

浩辰CAD8、中望CAD+和堯創CAD等軟件雖然放棄了原有ITC基礎構件核心，但依然繼承了以前版本的固有特性，即完全兼容AutoCAD的DWG文件格式，并且其圖形界面、命令方式、操作習慣與AutoCAD非常相似，無需二次學習。使得原先習慣了AutoCAD的用戶能夠輕易地轉到這些國產軟件的使用上來。說到這些軟件與AutoCAD文件格式的兼容性，當然，就得提及 IntelliCAD與AutoCAD軟件的歷史淵源，IntelliCAD軟件的母公司Softdesk公司以前是Autodesk公司的第三方軟件供應商，1994年Softdesk公司開發出與AutoCAD軟件完全兼容的軟件，名稱叫 Phoenix。1996年Autodesk公司并購Softdesk軟件公司時，由于美國反壟斷法的限制，Phoenix軟件必須排除在并購之外，于是由Phoenix軟件發展出了IntelliCAD98系統，隨后成立了以IntelliCAD為基礎的ITC組織。國產部分具有知識產權的CAD軟件企業如浩辰、中望等都是ITC組織的成員。考慮到以上現實，可以說，在國內各行業使用的國產二維CAD軟件，按操作界面和設計理念來分的話，可分為傳統繪圖習慣又具有自身專業特點且提供國家標準支持的軟件如CAXA和開目CAD，另一種就是盡力采用與AutoCAD類似的將設計與出圖分開的設計習慣和理念同樣也提供國家標準支持的、且有過對AutoCAD進行二次開發經歷的國產軟件如浩辰、中望和堯創等。因此從操作界面和使用習慣來選擇軟件的話，主要CAD教學軟件選擇還是在CAXA系列和 AutoCAD系列之間進行，因為學習了AutoCAD軟件，對使用浩辰、中望等與AutoCAD有些歷史淵源的國產軟件的使用并不受影響，因為AutoCAD軟件有的好的功能和理念，它們都盡量跟上。

1.3 CAXA系列與AutoCAD系列的比較[5-7]

從產品應用范圍和使用者方面比較，北京數碼大方科技有限公司自 1997年推出了第一代產品CAXA97以來，現已形成了以CAXA電子圖板為基礎，開發出了CAXA數控車削、實體造型、制造工程師以及雕刻等設計、制造加工和編程系列軟件，廣泛應用于我國機械工程領域[8]。而AutoCAD自 1982年問世以來，經過不斷的發展和完善，目前已成為國內外工程設計如機械、電子、建筑、廣告等領域應用最為廣泛的計算機輔助繪圖與設計軟件之一，其dwg文檔格式目前已成為二維工程制圖領域事實上的繪圖標準[9-10]。

從功能和使用界面及人機友好性方面比較，CAXA最主要的功能特色是：一是較好地保留了以前手工繪圖的一些習慣，另一個是依據《機械制圖國家標準》提供了對工程圖進行尺寸、文字和工程符號等一整套的標注方法，而定位于通用的二、三維軟件平臺的AutoCAD軟件并沒有提供這一個功能，各行業的不同需求可以在此平臺上進行二次開發的方法來滿足。如天正CAD、機械工程師等軟件。在使用界面和人機交互的友好性方面，AutoCAD提供了具有詳細說明的命令窗口、美觀形象的工具條、內容豐富的菜單項；快捷精確的草圖設置、靈活多變的動態塊，分類有序的圖紙集，設計與出圖分離的模型空間與圖紙空間等功能，不僅給設計者提供了新的設計理念和手段，而且能快速地專注于設計工作。特別是AutoCAD 2008的推出，其縮放比例功能使得模型空間中的文字、尺寸標注等與出圖比例有關聯的注釋對象在圖紙空間中以恰當的尺寸顯示(圖1)。

圖1 AutoCAD 2008注釋比例狀態欄

使用這一特性，可以使縮放注釋的過程自動化，從而使注釋在圖紙上以正確的尺寸打印[10]。因此，考慮到我校多以建筑和石油管線等土木工程專業的教學為主，該行業大量使用的是AutoCAD類型的軟件，如天正CAD、浩辰CAD等。為了拓展學生的知識面，接受一些新的設計思想與理念，使用AutoCAD系列軟件來講授CAD教學應是一個不錯的選擇，學好了AutoCAD軟件，對使用類似功能和界面的國產軟件并無任何影響。

2 AutoCAD軟件版本的確定

2.1 AutoCAD版本的比較

隨著計算機技術的不斷發展，AutoCAD軟件也不斷地創新和發展，目前，AutoCAD 2014版本已經發行上市，但其功能與 2008版本相比并沒有太多的改善，而其重點放在了三維功能的提升上，因此對軟件的選擇并沒有太多的影響。

從AutoCAD 2009版本開始，其圖形界面重新設計并支持微軟最新操作系統，融入了Office組件的元素(圖 2)，在完善二維功能的同時，大大加強了其三維實體造型功能。隨著軟件版本的不斷更新換代，其功能雖然越來越強了，如人機交互的智能化和用戶界面的友好度越來越好，但是隨之而來的是其軟、硬件的要求越來越高(表1)。

圖2 AutoCAD 2009界面

表1 AutoCAD各版本軟硬件要求

由表1可知，AutoCAD 2007版本與2008版本在軟硬件上的要求基本一致，而 2009版本與之相比，在CPU主頻由800 MHz上升到2200 MHz幾乎是 2008版本的 3倍，雖然安裝硬盤要求都是750 MB，但可用硬盤空間需2000 MB，是2008版本要求的一倍。而學校機房的計算機 CPU的主頻一般也就在2000 MHz左右，即使能夠安裝和運行2009版本，其運行速度也很難滿足教學的要求，而采用2007或2008版本，安裝和運行在軟件和硬件的配置上是滿足的，事實上也是如此。綜合而言，在2007至2009版本中選擇使用AutoCAD 2008進行教學顯然比較恰當。

2.2 AutoCAD 2008的主要優點

首先，增加了革命性的“自動縮放注釋”及多重引線，設計者在創建注釋性對象后，它們將根據當前注釋比例設置進行縮放并自動以正確的大小顯示。其次，可以自動調整平行的線性標注和角度標注之間的間距，或根據指定的間距值進行調整，無需重新創建標注或使用夾點逐條對齊并重新定位尺寸線。第三, 表格樣式得到增強，添加了用于表格和表格單元中邊界及邊距的其他格式選項和顯示選項，可以從圖形中的現有表格快速創建表格樣式[10]。

設計者通過這些特性實現了設計思想與表達形式的分離，將設計概念使用規范的形式表達，并使這一過程自動化地加以反映，使設計者專注于設計而不是繪圖或表格。如將注釋性和動態塊及屬性結合，創建各種能適應自動比例縮放的注釋對象，而且這一特性同樣適用于圖中的外部參照及圖塊，這使得不同比例的圖紙之間的協同設計變得非常容易，而表格對象可以把塊屬性提取為一個明細表格，且可以實時得以更新，也可以將表格數據鏈接至Microsoft Excel中的數據。

由于AutoCAD 2008具有以上優點，加之其軟硬件要求比較符合大部分學校的計算機房配置要求，選擇 AutoCAD 2008作為機械制圖課程中的CAD教學軟件既滿足軟件選擇的可操作性又體現了現代工程設計的新思想和新理念。

3 教學內容的規劃

3.1 教學學時確定

CAD的學習必須服從于機械制圖的教學要求，只有在全面掌握了制圖的基本原理和國家制圖標準的基礎上，才能繪制出符合要求的工程圖樣。為了在有限的學時內讓學生能較熟練地使用CAD軟件進行圖形的繪制和設計，考慮到大部分非機械類專業機械制圖(包含畫法幾何部分)的授課學時不超過80學時，而機械類專業的授課學時也只為120學時左右。因此，CAD軟件的教學課時不能太多，從本人近5年的教學實踐來看，對80學時左右的機械制圖而言，安排10個學時的CAD軟件教學時間比較恰當，而對于本科層次的學生在8個學時內講授完相關的內容也是可能的。

3.2 教學內容安排

講授CAD繪圖需要10個學時左右，其內容必然要進行精簡，授課內容只能偏重于學生動手能力的培養，對與機械制圖關聯重疊的內容如線型、文字和尺寸標注的式樣等簡單講授，而一些比較難理解和繁瑣的概念則不予講解。什么時候講授 CAD課程也很重要，一般安排在講解完組合體視圖及軸測圖之后比較合理，此時，制圖的基本原理等基本內容都已經講授完畢，而機件的表達方法、標準件與常用件以及零件圖、裝配圖等內容所涉及的都是國家標準的相關規定，這些課程的習題工作量都比較大，特別是到零件圖和裝配圖時，手工繪圖已經比較辛苦了，正是時候給學生講授計算機繪圖的知識了。精簡后的CAD教學內容如表2所示：

表2 CAD教學計劃表

3.3 教學設計

教學中，掌握概念與操作命令的關系貫穿于CAD教學的全過程，正確處理好兩者之間的關系是教好該課程的關鍵。因此，講授CAD繪圖的重點在動手能力的培養，因此，在課程的全局上采用“輕概念重操作”的教學方法，而在具體命令上使用“重功能輕細節”的教學手段。

全局上的“輕概念重操作”能保證將有限的授課時間花費在基本操作命令的使用上，如圖形界面的內容，其功能區域的劃分對著圖形稍作講解學生就會明白，仔細講解不僅費時且內容繁多；而調出工具條與功能菜單的操作內容不多卻實用，因為經常會出現工具條或功能菜單會消失的情況，而且仔細講授時間不多。命令上的“重功能輕細節”能使學生的注意力集中在操作功能的實現上，而命令的具體操作細節要求學生根據命令窗口的提示進行操作，這樣不僅使學生了解計算機繪圖軟件的人機交互原理，也避免出現有些命令功能簡單但操作步驟很多時過于費時的情況，而這些命令有很多，如畫圓弧(ARC)，有三點式、有起點-圓心-端點等11種類型命令，又如文字式樣、尺寸式樣等是通過對話框的形式給出的命令(圖 3)；這些功能簡單內容復雜的命令，如果仔細講解的話需需花費較多時間，因此只能粗略地進行說明，更深入了解提倡學生參考軟件自身的幫助。

圖3 繪制圓弧及文字式樣

現代教學中，多媒體的出現為教學帶來了很大的幫助，然而對于CAD軟件的教學，直接使用軟件進行講解比采用 CAI課件講解要生動活潑和效果明顯，同時在計算機教室進行授課的質量明顯比在一般教室好。因此，一邊操作軟件一邊講解內容的“重交互輕演示”的教學環境較好地保證教學內容實施。當然，要實現以上目標，必然要求教員對軟件有較強的操作和使用能力，對計算機繪圖的基本原理等相關知識也有很深的了解。

4 教學實踐與體會

4.1 教學實踐

本人從1995年起開始接觸AutoCAD 10.0軟件，從1998年開始使用CAXA電子圖板97，對于兩者的功能都有較深的了解，由于所教專業偏重于機械與建筑，因此，所使用的繪圖軟件基本上就是AutoCAD軟件，從 2000版本開始，陸續講授了2004、2006等版本，發現AutoCAD軟件始終存在尺寸標注與文字書寫在出圖時的比例關系問題，筆者因此曾對2006版本二次開發出一個標題欄軟件[11]也是因為這一原因，但從 2008版本開始，這一問題應該說得到了很好的解決。因此，從 2008年下半年起開始使用AutoCAD的2008版本進行計算機繪圖的教學任務，目前看來在軟件的選擇上是比較成功的。

相比《機械制圖》內的CAD講授，單一的計算機繪圖課程教學課時比較充分，大多有 30個學時左右。雖然課時充分，如果不將重點放在學生的動手能力上，采取先在教室進行PPT為主的理論教學，然后帶習題上機操作，人為地將命令割裂為概念和操作兩部分的教學方法，其效果并不理想。在《機械制圖》內的CAD教學，由于課時有限，不可能采用“先理論后操作”的教學方法，只能將講授的內容整合到軟件的操作使用上，將整個CAD教學的任務放在計算機教室進行。

采用融合式的教學方法，充分利用了機械制圖與CAD內容相互重合以及互為依靠的特點， 一方面節約教學時間，另一方面增強學科延續性。筆者近五年來單獨講授30學時CAD繪圖課程5個教學班，而機械制圖中含CAD內容的教學班也是5個，從整體而言單獨講授課時充足的要好些，但由于課程缺乏延續性，往往要復習一些制圖的知識，而在機械制圖中不會出現這一情況，反而由于隨后課程中手工繪圖的工作量比較大，采用CAD繪圖的優勢就能體現出來，因此，10個學時授課的效果也不錯，一般在隨后的零件測繪課程設計中，一個 30人左右的教學班有將近三分之一的學生采用計算機繪圖，收獲不錯。

4.2 教學體會

在教學中把握好內容的講授，正確處理好概念的講解和操作的演示之間的關系是關鍵，既不能多講概念以免把學習的方向引入到復雜概念的理解而忽略命令操作的實際功能，也不能因重操作而忽視概念的掌握，如沒有理解人機交互的概念就很難根據命令提示進行相應的操作，不理解模型空間與圖紙空間的概念就只能在模型空間出圖。采用全局內容的“輕概念重操作”，具體命令講解的“重功能輕細節”的教學方法，以及“重交互輕演示”的教學環境，能夠處理好兩者的關系。

在《機械制圖》中，添加現代制圖的新技術和新內容是教育的天然屬性，正確地處理好學時的縮減和內容的增加是圖形學教學的新問題，融合式的教學方法在有限的時間內，既保證了教學內容的完整性也滿足了學科發展的延續性，無疑比簡單的添加式教學有效的多，由于內容的延續性其實際效果比學時充足的獨立式教學法差別不大。

浩辰CAD8、中望CAD+等國產軟件同樣也具有如AutoCAD的模型空間、圖紙空間和注釋比例等相關概念和功能，這些功能較好地體現了設計思想與表達形式的分離的功能，但一些新的功能如注釋比例等功能與AutoCAD相比還是有些差距的，但當學生走上工作崗位，國產 CAD軟件與AutoCAD的差距必然越來越小，AutoCAD2008軟件因其有較好的設計理念，且其對計算機軟、硬件的要求符合目前大部學校計算機的配置，選擇它作為教學軟件既能拓展學生的知識面，也為今后熟悉專業軟件和使用國產軟件打下較好的基礎。在計算機繪圖教學中，采用直接使用軟件進行講解往往有較好的效果，一方面能很快地讓學生熟悉軟件界面，另一方面能較好地體會計算機繪圖中的人機交互觀念和培養使用軟件的幫助系統及時尋求解答的能力。

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[3] 成 玲, 孫文芳. 高職院校《機械制圖與 AutoCAD》教學改革初探[J]. 廣西輕工業, 2010, (7): 131-132.

[4] 許 萍. 對機械制圖與CAD和測繪課程整合教學的思考[J]. 無錫職業技術學院學報, 2012, (4): 40-42.

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The Selection of Software and Teaching Design for Course of CAD in Mechanical Drawing

Tang Yongyong, Feng Jian, Chen Guomin, Du Zhenhua, Chen Ming
(Logistical Engineering University, Chongqing 401311, China)

To solve the inconsistency between short periods and excessive teaching contents, an integration teaching method of simplifying teaching contents and emphasizing practical operation synchronously is proposed. The functions and characteristics of domestic and overseas 2D drawing softwares are studied synthetically. On the premise of satisfying the configuration request of software and hardware, the teaching software ought to be characteristic of wide application, easy adaptation and friendly operation interface so on. In addition, the view that teaching software should embody the advanced idea of design thinking separating from expression format. The teaching practice shows that the CAD teaching method taking operation ability as goal can conform to the requirements of periods and abilities. And the knowledge field of students can be spread.

mechanical drawing; CAD teaching; domestic CAD software; integration teaching method

TH 126

A

2095-302X(2014)05-0798-06

2013-05-03；定稿日期：2013-06-04

唐永勇(1968-)，男，湖南黔陽人，講師，碩士。主要研究方向為工程圖學、CAD/CAE、油料儲運工程。E-mail：tranyer@sina.com.cn