非機械類工科專業工程圖學課程教學思考

汪晨 鄭梅生 孫青云 孫志武

摘? 要：隨著三維CAD技術的發展和普及，工程圖學課程教學需要為適應人才培養目標的轉變進行改革。該文探討了非機械類工科專業工程圖學課程的改革方向，分析了融入三維CAD內容的重要意義，提出了以二維制圖教學為主線、融合三維CAD內容的教學方案，指出了少學時融合式課程建設的3個重要內容。新課程注重提高學生的空間想象能力，旨在培養能夠滿足現代技術發展需求的科技人才。

關鍵詞：非機械類? 工程圖學? 三維CAD? 教學改革

Abstract：With the development and popularization of 3D CAD technology， teaching of Engineering Graphics should reform in order to meet the change of talent training goals. This essay discusses the reform direction of teaching of Engineering Graphics for non-machinery majors. The importance of including 3D CAD is analyzed and a teaching scheme is proposed which takes teaching of 2D engineering drawing as the main line with contents of 3D CAD combined. Three important contents in construction of the combined course is pointed out. This new course focuses on improving the ability of spatial imagination and aims at training scientific and technological talents which are able to meet the development of modern technology.

Key Words：Non-machinery; Engineering Graphics; 3D CAD; Teaching reform

工程圖學是工科專業的基礎課程，教學目的包括培養學生空間想象能力和分析能力、培養學生的圖形表達能力、培養學生計算機繪圖的初步能力、培養學生的工程素質、提高學生的創新意識能力[1]。隨著三維CAD技術的發展，基于二維圖紙的機械設計手段正在逐漸被邊緣化，行業發展趨勢促使高校機械類專業的工程圖學課程逐步融入了三維CAD內容，新課程結構分為獨立式、分段式和主線式3種形式[2]。大量教學實踐表明，主線式融合三維CAD內容更符合機械學科和機械行業發展需求，同時也有利于提升學生學習效果[3-5]。然而，材料、化工、自動化等非機械類工科專業的工程圖學課程主要強調對學生空間想象能力和工程意識的培養，對繪制和閱讀工程圖樣的要求較低，隨著二維制圖重要性的下降，這類課程是否有必要融入三維CAD內容，以及如何融入這部分內容值得思考。

1? 融合三維CAD內容的意義

培養空間想象能力是非機械類工科專業工程圖學課程的一個重要教學目的。學生通過將腦海中的三維實體與二維圖線反復對比，最終完成二維圖形繪制的過程是提高空間想象能力的關鍵步驟。無論基于二維圖紙還是基于三維模型進行產品設計，其根本都是通過一種圖形語言將設計思想轉變為可供交流的資料，對工程師空間想象能力的要求不會降低。工程圖學是本科階段系統訓練學生空間想象能力的主要課程，即使未來二維圖紙的重要性不斷降低，在大學階段開設工程圖學課程仍有其合理性和必要性。

但是，為了適應未來產品設計方式的改變，適應我國本科階段教學改革的需要，在工程圖學課程中引入三維CAD內容具有重要的實際意義。

第一，從人才培養角度來說，非機械類工科專業學生走上工作崗位之后不可避免地會需要與機械設計工程師協作解決工程問題，因此通常要求學生具有繪制和閱讀簡單工程圖樣的能力。隨著機械設計手段的不斷革新，未來機械設計工作將可能不再基于二維圖紙進行，配套系統也可能需要基于三維模型進行設計。非機械類專業學生同樣有必要緊隨行業發展趨勢，掌握簡單的三維建模技能。

第二，從課程教學角度來說，融入三維CAD內容有助于更好地完成教學目的。非機械類學生的空間想象能力通常不如機械類學生，在學習基本體的截切和相貫問題、組合體的三視圖以及零件的剖視圖等內容時，通常會遇到更多困難，容易出現想不出、聽不懂的情況。此外，工程圖學作為一門基礎課，通常開設于大一階段，學生對工程結構尚無概念，對于課程中提到的倒角、相貫線、截交線等結構要素缺乏直觀認識。眾多高校對非機械類專業的工程圖學課程通常采用合班教學的模式，基于木模和照片進行講解，學生學習效果欠佳。利用三維CAD軟件輔助教學可以有效突破學生空間想象能力不足的困境，增加學生對機械結構的感性認識，提升教學質量。

第三，傳統工程圖學課程一般采用遞進式的教學思路，從國家標準和作圖基礎開始講解，逐步進入點、線、面、基本體投影的學習，最后才涉及實際零件。課程早期內容相對枯燥，不易激發學生的學習興趣，影響后期學習效果，導致出現學生普遍反映課程難度大的問題。現代學生接觸電腦較早，對計算機技術具有比較濃厚的興趣，在課程開始階段引入三維CAD內容，有利于提升課程的趣味性，為整個課程的學習起到積極的促進作用。

2? 融合式工程圖學課程教學內容設計

基于以上考慮，針對非機械類工科專業的工程圖學課程應以傳統二維制圖教學為主線，合理融入三維CAD內容，在培養學生空間想象能力的基礎上，培養學生的工程意識，擴展學生的知識體系。為此，筆者建立了一套比較合理的教學方案，其改革主要有如下幾個方面。

（1）課程教學從三維CAD基礎出發，學生首先學習二維草圖繪制和拉伸和旋轉建模方法。拉伸模型的草圖是結構的特征視圖[6]，掌握拉伸建模方法有助于提高學生對結構特征視圖的敏感程度，為學習讀圖知識奠定基礎。旋轉模型的草圖是旋轉體的徑向截面，掌握旋轉建模方法有助于學生初步了解斷面的概念，為學習剖視圖奠定基礎。二維草圖還涉及尺寸的概念，在講解時向學生灌輸完全定義草圖的思想，強調尺寸標注的完整性和唯一性，對于學生學習平面圖型的尺寸標注有幫助。通過讓學生進行創建零件的練習，還能夠增加其對典型機械結構的感性認識，提高學習興趣。

國家標準這部分內容知識點細碎，缺乏生動性，容易導致學生興趣減弱，影響知識點的掌握和后續課程的學習效果。在該課程結構中，通過學習三維建模的二維草圖繪制，學生已經對圖線有了初步認識，基本了解了常見尺寸的標注格式。在此基礎上，學生的學習難度會降低，更容易保持學習興趣。

（2）投影法的基礎知識是學習空間形體投影的基礎。在以往教學過程中，學生對特殊位置直線和平面的投影存在理解困難。學習了三維建模技術之后，學生可以自行創建不同直線和平面，利用軟件的坐標系統，從不同方向對其進行觀察，加深對投影的理解。

基本體的投影、組合體的三視圖以及零件的表達方法等內容是訓練學生空間想象能力的關鍵內容，傳統工程圖學課程的教學設計經過多年驗證能夠很好地完成這一教學目標。該課程結構中，在學習基本體的投影之前，補充由三維模型導出三視圖的方法，并在學習剖視圖之前，補充由三維模型創建剖視圖的方法。使學生能夠通過進行制圖試驗，觀察形體變化對投影圖線的影響，充分發揮三維CAD軟件的輔助作用，幫助學生進行深入思考和自主學習，提升學習效果。比如在學習相貫和截切問題時，學生可以通過改變形體大小和位置，得到不同形狀的相貫線和截交線，體會形體尺寸和相對位置對相貫線和截交線的影響，加深對這部分知識的理解。在學習由兩視圖補充第三視圖時，可以將所想到的形體創建成數字模型，再導出二維視圖，幫助其進行對比和思考，從而提升學習能力，增強學習效果。

（3）最后，軸測圖、標準件、常用件、零件圖以及裝配圖等內容對于非機械類專業學生而言屬于次要內容。引入三維建模知識之后，這部分內容應充分利用三維模型進行實例講解，增強學生的感性認識，提升課程趣味性。比如在介紹螺紋時，可以在CAD軟件中演示螺紋的生成過程，并結合軟件的螺紋投影，介紹螺紋的規定畫法。再比如在介紹裝配圖時，可以基于三維模型介紹裝配體的工作原理、裝配關系及主要零件的結構形狀，提升課程的生動性。

3? 融合式工程圖學課程建設

非機械類工科專業的工程圖學課程一般學時偏少，增加三維CAD內容會進一步占用有限課時，導致知識點過多而學時不夠的問題凸顯。目前二維工程圖樣在機械和相關行業中仍然非常重要，為了滿足人才培養需要，新課程無法對二維制圖教學內容進行大幅刪減。融合了三維CAD內容后，需要借助慕課來化解這一矛盾。慕課是一種在線視頻課程，視頻短小、有趣，能夠有效利用學生的碎片時間，完成簡單知識點和普及性知識的教學。國內目前已經建設上線的慕課繁多，然而為了有效利用慕課補充課堂教學，慕課視頻的內容應與課堂教學內容緊密關聯。這要求教師根據課程的具體安排，合理規劃慕課內容，精心制作慕課短片，有效提高視頻內容的可用性。并且，教師應根據課堂教學進度，合理規劃慕課的推送，真正做到用好慕課。

課程習題建設是融合式課程建設的另一項重點內容。傳統二維制圖作業量較大，學生只有通過大量練習，才能有效提高空間想象能力。然而，以畫圖為主要形式的作業實際上在空間想象能力的訓練方面效率欠佳，作業時間大多用在了繪制圖線上，思考的時間非常有限[7]。相比而言，判斷和選擇題雖然無法對學生的繪圖能力進行訓練，但是在讀圖知識點的考察上同樣有效。由于無須繪制圖線，學生完成判斷和選擇題的效率更高，相同時間內可以完成的習題數量更多，這種高頻次的練習能夠對知識點形成強化刺激，增強學習效果。考慮到非機械類工科專業人才對繪圖技能的要求本就較低，這種練習模式更加適合這類學生的培養。因此，在融合式課程體系中，課程習題需要由畫圖和補圖練習向以判斷和選擇題為代表的讀圖練習轉換，教師可以借助慕課平臺建立具有推送作業、自動批改、互動交流等功能的課程習題庫，與傳統畫圖和補圖作業互補，有效提高習題的訓練效果。并且，為了杜絕部分學生在完成判斷和選擇題時存在的抄襲現象，可以考慮對學生進行隨機派題，充分利用自動批改功能，提升課程的人才培養效果。

此外，融合式課程的實現還依賴于模型庫的建設。建設模型庫一方面是為立體化課堂教學服務，另一方面能夠降低制圖實驗的操作門檻。學生在沒有完全掌握三維CAD軟件操作方法的情況下就可能需要開展制圖實驗，因此有必要在模型庫中加入預制的實驗模型，簡化實驗過程，降低操作難度，建立實驗指導材料，讓學生在進行制圖實驗的同時，實現三維CAD操作技能和二維讀圖能力的共同提升。

4? 結語

隨著三維設計模式的普及，非機械類工科專業學生未來也將面臨需要創建和閱讀三維模型的情況，針對他們的工程圖學教學思想和方法也必須做出相應改變。以二維制圖教學為主線，培養學生的空間想象能力，融入三維CAD內容，培養學生的三維造型能力，并有效調動學生積極性，提升課程趣味性，提高課程教學質量，是這類課程改革的一個可行方向。

參考文獻

[1] 楊裕根，龔伶俐主編.工程圖學[M].2版.北京：北京郵電大學出版社，2016：1.

[2] 童秉樞，易素君，徐曉慧.工程圖學中引入三維幾何建模的情況綜述與思考[J].工程圖學學報，2005（4）：130-135.

[3] 張宗波，王珉，牛文杰，等.與三維造型技術相融合的工程圖學教學探索[J].高教學刊，2018（21）：76-78.

[4] 張京英，楊薇，佟獻英，等.構建基于OBE的立體化制圖教學新體系[J].圖學學報，2019，40（1）：201-206.

[5] 堯燕.依托三維工程圖學培養學生設計創新能力的探索[J].圖學學報，2017，38（1）：119-122.

[6] 鄭建冬，孫青云，商慶清，等.基于構型設計與CAD造型的工程圖學教學研究[J].教育教學論壇，2018（25）：175-176.

[7] 張宗波，王珉，吳寶貴，等.“線上+線下融合式”工程圖學課程建設與教學實踐[J].圖學學報，2016，37（5）：718-725.