從三維設計入手機械制圖新教學體系研究

王妍，曹喜承，祝娟，楊蕊，徐金超

摘要：通過分析三維CAD技術對制圖課程的影響，文章根據傳統機械制圖的要求， 結合機械制圖教學目標和應用型本科的特點，在“從三維表達入手”的設計思想的指導下， 提出了制圖課創新改革的新思路，介紹了基于三維CAD技術的制圖教學改革探索與實踐的過程，構建了機械制圖課程體系，進行教學方法設計。

關鍵詞：機械制圖；三維設計；課程體系；教學方法

機械制圖是工科院校機械類專業重要的基礎課之一，培養學生空間思維能力、構形設計能力和圖形表達能力是課程的主要教學任務。但是，學生在初學《機械制圖》時，對機械制圖一片茫然，其有何特點、有何用處一概不知，很難產生自覺學習的行為和興趣。

本文以新的“從三維設計入手”的理論體系為指導思想，創建從三維CAD開始的制圖課程教學體系，著重培養學生利用三維建模技術進行設計和表達的能力，對培養學生的空間想象力和創新能力具有舉足輕重的作用，將是制圖課程創新改革的必然發展趨勢，這要求教學觀念、教學模式、教學方法有較大幅度的轉變。

一、國內外研究現狀分析

（一）國內研究現狀

近幾年，為了提高三維技術的應用，國內各機構也圍繞三維建模舉辦了很多理論和實踐競賽， 如每年的全國“高教杯”圖學大賽，就是以三維CAD為基礎進行的先進成圖與產品信息建模的創新大賽。三維CAD 陸續引入制圖教學中來。引入的方式，概括起來，主要有兩種。

（1）獨立式。獨立開設三維建模課程，與制圖課程一起構成新的教學內容體系，優點是不改變制圖原有的教學內容和授課形式，學生能夠系統地學習三維建模知識；缺點是三維建模與制圖之間的聯系被徹底分開了，制圖和建模被認為是兩門各自獨立的課程，學生不能靈活地進行三維建模和二維表達的相互轉換。

（2）分段式，把三維建模知識嵌入到機械制圖課程中，將三維軟件操作方法與制圖基本知識分別編寫在同一本教材的一章或幾章中，這種方法加強了三維建模技術與制圖基本知識的連貫性，但是建模在制圖教學中的直觀性和引入性仍沒有得到充分發揮。

（二）國外研究現狀

早在20多年前國外即開始進行制圖課程學生實踐能力的培養。課程授課學時較少時，會在課下安排實踐性強的實訓和練習。

其他國家也都在進行制圖教學改革，如日本、美國等。美國國家自然科學基金會資助制圖課程進行創新性研究項目，并由8所院校共同進行合作，美國奧斯汀德州大學的課程教學改革方法如下：在低年級開設該課，以實體建模軟件教學為主體，教學內容包括：課堂講授、繪制草圖、 計算機繪圖三個環節。整個課程分計算機繪圖及設計介紹、實體建模、工程分析與制造、建立設計文檔和大作業五個部分。

日本武藏大學的平野教授， 東京大學的鈴木教授在1999年7 月第4屆中日圖學教育研討會上做了題為“設計與制圖相結合”的報告。他們都一致提出了制圖教學與三維設計結合起來的教學方法， 提出既要教授學生繪圖， 還要教授學生設計， 使學生能夠繪制生產圖紙。制圖與設計融合必將是制圖課的一個發展趨勢。

二、從三維表達入手制圖課程教學體系研究

（一）從三維表達入手制圖課程教學體系的研究

1.“一體兩翼”的教學模式。

“一體兩翼”的教學新模式，即“以制圖基本理論為主體， 從三維實體造型技術出發，以二維計算機繪圖訓練結束的培養方式”，形成制圖課程新的教學內容體系。

以培養卓越工程人才為最終目的。構建SolidWorks三維計算機建模，制圖知識與AutoCAD二維計算機繪圖融合起來，循序漸進的教學體系。讓學生從三維建模的興趣入手，了解機件的構形及制圖基本理論，最終能夠合理表達為二維計算機圖形；對每一部分理論教學的同時都有一定數量的實踐教學，包括二維和三維軟件的實踐上機內容及手工繪制白圖，使學生在動手實踐過程中不知不覺學到知識和技能；將測繪與SolidWorks三維軟件的使用結合起來，創建計算機輔助測繪新理念。

在建構教學體系時，必須考慮怎樣進行制圖教學對發展學生空間能力和實踐繪圖能力最有利。根據機械制圖課程的教學基本要求，以SolidWorks軟件為平臺入手，講解了機械制圖的內容。為此構建了三維技術與傳統制圖有機結合的“以三維技術為主線，二維制圖教學為核心”的新教學體系。

2.三維立體化課程體系。

這里所說的“三維立體化”，一維是指課程的基本理論和制圖知識，主要是基本的制圖教學知識；二維是理論聯系實踐的橋梁。例如，機件的各種表達方法，典型零件的視圖表達和尺寸標注，AutoCAD軟件和SolidWorks軟件的計算機繪圖技術。以上所述內容可以獨立成章，也可以跟制圖理論結合到一起，融會貫通；三維即學習手段和方法。

所以，這種課程體系是以三維建模為主線，將制圖內容穿插其中，將三維軟件建模方法與機械制圖理論知識協調融合，分散教學到各章節的講授中，這種方法能夠促進學生對零部件的結構、相互關系的直觀理解，有助于建立學生的空間思維想象能力，有助于對制圖內容的理解。但教學時，切記勿落入以三維軟件的介紹和使用為主的誤區，偏離了制圖課教學改革的根本目標。

（二）教學方法設計

制圖課程教學改革的目的就是從三維視覺入手，增大學生的學習興趣，從而達到具有熟練讀圖畫圖的能力。機械類專業的制圖課程其特性是具有較強的實踐性，教師必須增加機操作環節。

為了適應圖學課程新型課程體系，可以采用以工程案例教學法為主，以研究法、討論法為輔。設計具有工程實際應用價值的典型教學案例，結合三維立體模型加以分析。使課程教學中一維與二維的知識形成融合與遞進的教學關系，著重培養學生的科學分析與創新能力。

一維的教學基本知識，需要在授課時詳細介紹。二維的核心教學難點則重點介紹應用方法。制圖課程包含各類綜合表達方法，這就要求教師對工程實踐有所了解，能夠從實例中簡化、提煉出蘊含概念和知識點的典型案例。

三、以三維技術為主線的課程教學設計

以三維實體為主線，將二維投影知識、國家標準、三維建模理論融合，具體如下：

（1）投影理論——可以選擇從體的投影介紹中引入投影法的基本概念，進而引出點、線、面，逐步講解其投影特點和規律，即從三維到二維的思路進行授課。然后結合三維造型原理描述組合體的形成和相貫體的概念，同時化解截切相貫組合體的難點。

（2）機件的表達方法——以SolidWork軟件為平臺，深入理解剖視圖、斷面圖的應用方法、目的和概念、表達方法，同時講解對應理論的某些工程簡化畫法，讓學生深入理解“表達”的含義。

（3）標準件和常用件——以軟件自帶的標準件庫為基礎，介紹標準件和常用件的種類、用途及國標簡化畫法及標記。

（4）零件圖及裝配圖——用三維軟件投影形成工程圖，利用三維造型過程中幾何約束和尺寸約束的概念，幫助學生正確理解圖樣表達完整性的意義。

（5）綜合訓練——加強學生在三維實體與二維圖紙之間的思維轉換，利用軟件讓學生能夠進行零件和裝配建模實踐及裝配干涉檢查，提高對設備結構及其設計原理的理解，提高學生的創新能力和三維空間想象能力。

新制圖教學體系以機械制圖知識為主，三維實體造型技術為輔，二者相輔相成、互相促進。教學中不但使學生更加牢固地掌握機械制圖和計算機繪圖的知識，而且能夠增強學生實際工作的能力。

四、結論

現代科技發展的實踐證明，機械制圖課程教學改革的必然趨勢勢必離不開三維CAD內容的教學，通過本文這一創新改革思路的探索，能夠為制圖課程的改革提出一條行之有效的教學思路。

將機械制圖的常規知識和計算機三維建模技術有方法的結合和講授，優化了教學內容，使學生有能力在二維制圖知識和三維實體空間中自由轉換思路，提高了學習的趣味性，全面提高了學生的識圖繪圖能力和工程素質。

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編輯/岳鳳