從三維設(shè)計入手機(jī)械制圖新教學(xué)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(shù)對制圖課程的影響，文章根據(jù)傳統(tǒng)機(jī)械制圖的要求， 結(jié)合機(jī)械制圖教學(xué)目標(biāo)和應(yīng)用型本科的特點，在“從三維表達(dá)入手”的設(shè)計思想的指導(dǎo)下， 提出了制圖課創(chuàng)新改革的新思路，介紹了基于三維CAD技術(shù)的制圖教學(xué)改革探索與實踐的過程，構(gòu)建了機(jī)械制圖課程體系，進(jìn)行教學(xué)方法設(shè)計。

關(guān)鍵詞：機(jī)械制圖；三維設(shè)計；課程體系；教學(xué)方法

機(jī)械制圖是工科院校機(jī)械類專業(yè)重要的基礎(chǔ)課之一，培養(yǎng)學(xué)生空間思維能力、構(gòu)形設(shè)計能力和圖形表達(dá)能力是課程的主要教學(xué)任務(wù)。但是，學(xué)生在初學(xué)《機(jī)械制圖》時，對機(jī)械制圖一片茫然，其有何特點、有何用處一概不知，很難產(chǎn)生自覺學(xué)習(xí)的行為和興趣。

本文以新的“從三維設(shè)計入手”的理論體系為指導(dǎo)思想，創(chuàng)建從三維CAD開始的制圖課程教學(xué)體系，著重培養(yǎng)學(xué)生利用三維建模技術(shù)進(jìn)行設(shè)計和表達(dá)的能力，對培養(yǎng)學(xué)生的空間想象力和創(chuàng)新能力具有舉足輕重的作用，將是制圖課程創(chuàng)新改革的必然發(fā)展趨勢，這要求教學(xué)觀念、教學(xué)模式、教學(xué)方法有較大幅度的轉(zhuǎn)變。

一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

（一）國內(nèi)研究現(xiàn)狀

近幾年，為了提高三維技術(shù)的應(yīng)用，國內(nèi)各機(jī)構(gòu)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(xué)大賽，就是以三維CAD為基礎(chǔ)進(jìn)行的先進(jìn)成圖與產(chǎn)品信息建模的創(chuàng)新大賽。三維CAD 陸續(xù)引入制圖教學(xué)中來。引入的方式，概括起來，主要有兩種。

（1）獨立式。獨立開設(shè)三維建模課程，與制圖課程一起構(gòu)成新的教學(xué)內(nèi)容體系，優(yōu)點是不改變制圖原有的教學(xué)內(nèi)容和授課形式，學(xué)生能夠系統(tǒng)地學(xué)習(xí)三維建模知識；缺點是三維建模與制圖之間的聯(lián)系被徹底分開了，制圖和建模被認(rèn)為是兩門各自獨立的課程，學(xué)生不能靈活地進(jìn)行三維建模和二維表達(dá)的相互轉(zhuǎn)換。

（2）分段式，把三維建模知識嵌入到機(jī)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(qiáng)了三維建模技術(shù)與制圖基本知識的連貫性，但是建模在制圖教學(xué)中的直觀性和引入性仍沒有得到充分發(fā)揮。

（二）國外研究現(xiàn)狀

早在20多年前國外即開始進(jìn)行制圖課程學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)。課程授課學(xué)時較少時，會在課下安排實踐性強(qiáng)的實訓(xùn)和練習(xí)。

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

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

二、從三維表達(dá)入手制圖課程教學(xué)體系研究

（一）從三維表達(dá)入手制圖課程教學(xué)體系的研究

1.“一體兩翼”的教學(xué)模式。

“一體兩翼”的教學(xué)新模式，即“以制圖基本理論為主體， 從三維實體造型技術(shù)出發(fā)，以二維計算機(jī)繪圖訓(xùn)練結(jié)束的培養(yǎng)方式”，形成制圖課程新的教學(xué)內(nèi)容體系。

以培養(yǎng)卓越工程人才為最終目的。構(gòu)建SolidWorks三維計算機(jī)建模，制圖知識與AutoCAD二維計算機(jī)繪圖融合起來，循序漸進(jìn)的教學(xué)體系。讓學(xué)生從三維建模的興趣入手，了解機(jī)件的構(gòu)形及制圖基本理論，最終能夠合理表達(dá)為二維計算機(jī)圖形；對每一部分理論教學(xué)的同時都有一定數(shù)量的實踐教學(xué)，包括二維和三維軟件的實踐上機(jī)內(nèi)容及手工繪制白圖，使學(xué)生在動手實踐過程中不知不覺學(xué)到知識和技能；將測繪與SolidWorks三維軟件的使用結(jié)合起來，創(chuàng)建計算機(jī)輔助測繪新理念。

在建構(gòu)教學(xué)體系時，必須考慮怎樣進(jìn)行制圖教學(xué)對發(fā)展學(xué)生空間能力和實踐繪圖能力最有利。根據(jù)機(jī)械制圖課程的教學(xué)基本要求，以SolidWorks軟件為平臺入手，講解了機(jī)械制圖的內(nèi)容。為此構(gòu)建了三維技術(shù)與傳統(tǒng)制圖有機(jī)結(jié)合的“以三維技術(shù)為主線，二維制圖教學(xué)為核心”的新教學(xué)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(xué)知識；二維是理論聯(lián)系實踐的橋梁。例如，機(jī)件的各種表達(dá)方法，典型零件的視圖表達(dá)和尺寸標(biāo)注，AutoCAD軟件和SolidWorks軟件的計算機(jī)繪圖技術(shù)。以上所述內(nèi)容可以獨立成章，也可以跟制圖理論結(jié)合到一起，融會貫通；三維即學(xué)習(xí)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(nèi)容穿插其中，將三維軟件建模方法與機(jī)械制圖理論知識協(xié)調(diào)融合，分散教學(xué)到各章節(jié)的講授中，這種方法能夠促進(jìn)學(xué)生對零部件的結(jié)構(gòu)、相互關(guān)系的直觀理解，有助于建立學(xué)生的空間思維想象能力，有助于對制圖內(nèi)容的理解。但教學(xué)時，切記勿落入以三維軟件的介紹和使用為主的誤區(qū)，偏離了制圖課教學(xué)改革的根本目標(biāo)。

（二）教學(xué)方法設(shè)計

制圖課程教學(xué)改革的目的就是從三維視覺入手，增大學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而達(dá)到具有熟練讀圖畫圖的能力。機(jī)械類專業(yè)的制圖課程其特性是具有較強(qiáng)的實踐性，教師必須增加機(jī)操作環(huán)節(jié)。

為了適應(yīng)圖學(xué)課程新型課程體系，可以采用以工程案例教學(xué)法為主，以研究法、討論法為輔。設(shè)計具有工程實際應(yīng)用價值的典型教學(xué)案例，結(jié)合三維立體模型加以分析。使課程教學(xué)中一維與二維的知識形成融合與遞進(jìn)的教學(xué)關(guān)系，著重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)分析與創(chuàng)新能力。

一維的教學(xué)基本知識，需要在授課時詳細(xì)介紹。二維的核心教學(xué)難點則重點介紹應(yīng)用方法。制圖課程包含各類綜合表達(dá)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(yùn)含概念和知識點的典型案例。

三、以三維技術(shù)為主線的課程教學(xué)設(shè)計

以三維實體為主線，將二維投影知識、國家標(biāo)準(zhǔn)、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(jìn)而引出點、線、面，逐步講解其投影特點和規(guī)律，即從三維到二維的思路進(jìn)行授課。然后結(jié)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(jī)件的表達(dá)方法——以SolidWork軟件為平臺，深入理解剖視圖、斷面圖的應(yīng)用方法、目的和概念、表達(dá)方法，同時講解對應(yīng)理論的某些工程簡化畫法，讓學(xué)生深入理解“表達(dá)”的含義。

（3）標(biāo)準(zhǔn)件和常用件——以軟件自帶的標(biāo)準(zhǔn)件庫為基礎(chǔ)，介紹標(biāo)準(zhǔn)件和常用件的種類、用途及國標(biāo)簡化畫法及標(biāo)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(xué)生正確理解圖樣表達(dá)完整性的意義。

（5）綜合訓(xùn)練——加強(qiáng)學(xué)生在三維實體與二維圖紙之間的思維轉(zhuǎn)換，利用軟件讓學(xué)生能夠進(jìn)行零件和裝配建模實踐及裝配干涉檢查，提高對設(shè)備結(jié)構(gòu)及其設(shè)計原理的理解，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和三維空間想象能力。

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

四、結(jié)論

現(xiàn)代科技發(fā)展的實踐證明，機(jī)械制圖課程教學(xué)改革的必然趨勢勢必離不開三維CAD內(nèi)容的教學(xué)，通過本文這一創(chuàng)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(xué)思路。

將機(jī)械制圖的常規(guī)知識和計算機(jī)三維建模技術(shù)有方法的結(jié)合和講授，優(yōu)化了教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生有能力在二維制圖知識和三維實體空間中自由轉(zhuǎn)換思路，提高了學(xué)習(xí)的趣味性，全面提高了學(xué)生的識圖繪圖能力和工程素質(zhì)。

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編輯/岳鳳