基于參數化造型設計及表達的工程制圖國際化教學實踐

羅會甫， 焦永和

（北京理工大學機械工程學院，北京 100081）

機械專業(yè)國際班是北理工國際化專業(yè)建設最早招生的三個專業(yè)之一，我院制圖教研室承擔國際班工程制圖課程的教學任務。借鑒國外高校的課程體系，結合國內實際情況，國際班制定了全新的教學計劃。工程制圖課程在這個框架下也相應地對教學計劃、內容、方式進行了大量的調整和探索。

傳統(tǒng)的工程制圖以手工繪圖和尺規(guī)作圖為主，計算機繪圖和參數化設計作為后續(xù)課程或者課內簡介。這樣的安排嚴重滯后于計算機技術的發(fā)展和國外高校的通行做法[1]，工程制圖的教學體系需要進行較為徹底的改革是工程圖學界的共識，但是改到什么程度、如何改也是一直困擾的問題。國際班的招生和教學的開展為本課程提供了一個探索和大膽改革的機會。

1 傳統(tǒng)工程制圖課程探討和解析

隨著計算機技術的發(fā)展，高等教育乃至幾乎所有的教育環(huán)節(jié)，派生出了越來越多的計算機基礎、與計算機相關的專業(yè)課程。計算機作為一種必備的專業(yè)工具在基礎教育和專業(yè)教育中占據非常重要的地位。與計算機技術相關的課程也相應地越來越占有更多的學分和課時，對原先的教學體系形成了沖擊。以北理工機械專業(yè)的機械制圖課程為例，幾經削減，現在的學時只有50年代的1/2強。由此引發(fā)一系列需要探討和解決的問題。

1.1 課程目標調整的需求

在課時大幅度削減并且還要增加計算機繪圖基礎的情況下，如果拘泥于原先的教學設計，只能是近似平均削減各章節(jié)的學時。其直接結果是每章都講不透、練不夠。到計算機繪圖基礎階段，更是蜻蜓點水，聊勝于無。而隨著計算機技術的發(fā)展，三維參數化造型設計及表達技術越來越廣泛地應用于設計實踐。一方面是設計實踐對復雜立體的投影和尺規(guī)作圖技能的需求弱化；另一方面是需要耗費大量學時訓練的復雜立體投影圖繪制技術、空間幾何問題求解技術，使用三維造型軟件完全可以很容易地實現。因此，如果不對教學目標和計劃進行徹底的調整，把有限的學時應用到設計思想的精確表達、表達方法的訓練上來，學生無法通過課程的學習獲得扎實的設計和表達的基本技能。

1.2 課程基礎和課程目標在學時分配上的矛盾

在傳統(tǒng)機械類工程制圖的教學設計中，畫法幾何、投影理論、基本體投影、截交線、相貫線等組合體畫圖基礎部分的學時太長，學生在前大半個學期的學習接觸不到工程實際、課程目標直接相關的內容，不易提高學習興趣。在國外同類課程的教學設計中，大幅度壓縮以上內容，采取直奔教學目標的方法，將關鍵基礎知識融入和教學目標直接相關的部分章節(jié)中，大量學時用于讀畫視圖、表示方法等內容，大量使用或依賴三維造型設計軟件進行設計的工程表達。

1.3 教學資源、考核方式和教學目標的矛盾

和學時和內容相對應，在傳統(tǒng)的工程圖學教材中，在組合體以前章節(jié)中的例題和習題，都是純粹為講解畫法幾何和視圖的畫圖方法而設計的，這樣，教材近1/2的例題和習題脫離工程實際，和國外相關教材幾乎用工程實例圖樣貫穿教學的方法形成鮮明對比。

考察環(huán)節(jié)中，為全面掌握學生對課程的掌握情況，一般分別對應畫法幾何、截交線的畫法、相貫線的畫法等知識點而設計考題，這樣在考題中不可避免地出現遠離工程實際的、怪異形狀的立體表達的考核，嚴重背離課程的教學目標。

2 機械工程國際班工程制圖課程教學實踐

北理工機械工程專業(yè)國際班的工程圖學課程設計和實踐中，進行了如下探索：

2.1 改進教學設計和計劃

借鑒國外同類課程的教學經驗，順應生產設計實踐中以三維參數化造型設計為主流的現實，改革教學設計，引入參數化、變量化概念，加強設計及表達的理念，使學生通過本課程的學習具備較強的設計和表達基礎。

2.1.1 以工程設計及表達為目標指導教學設計

基于面向目標的教學設計，在參考國外相關院校本門課程設計的基礎上，兼顧尺規(guī)作圖和草圖基本訓練的同時，適當壓縮畫法幾何和投影理論的課內學時，增加三維造型設計部分內容，以熟練讀取工程圖和使用三維造型軟件設計并生成清晰、規(guī)范的工程圖，同時具備一定的尺規(guī)作圖和草圖能力為教學目標，設計了相應的教學大綱，并根據實際教學編寫了教學日歷。在課程設計中，突出本門課作為設計工具和表達手段的理念，以使學生熟練掌握造型設計和工程圖表達的基本知識和方法為目標，為后續(xù)的專業(yè)基礎課、專業(yè)課的學習奠定良好的基礎。

2.1.2 教學設計和實踐中，引入參數化、變量化、基于裝配的設計等參數化造型設計理念

將參數化造型設計所具有的參數化、變量化、形狀位置約束等概念及設計理念引入工程圖學教育，將工程制圖課程由原先的對固定尺寸、固定形狀的立體投影畫圖工具轉變?yōu)閰祷?、系列化產品的設計工具。

將基于裝配的零件設計理念引入工程制圖，解決裝配中零件的湊配設計。在傳統(tǒng)的工程圖學教學體系中，零件的湊配設計技術需要有多年設計實踐經驗的工程師才能很好的掌握，而且空間尺寸湊配還需要繁雜的畫法幾何相關基礎知識[2]。但是借助三維造型設計軟件，引入基于裝配的零件設計理念，在部件環(huán)境下在位創(chuàng)建零件，傳遞配合零件的參數，可以使學生快速掌握這門原先使用傳統(tǒng)手段“老師傅”才能具備的技術。

2.1.3 教學計劃及說明

本課程分2學期進行，第1學期大幅壓縮組合體以前的學時，從30學時壓縮到8學時，在組合體視圖講解以后再用4學時回補所需要的相關基礎知識。第1學期重點介紹復雜立體的視圖、表示方法，本部分近30學時。將原先第2學期介紹的零件圖、裝配圖相關知識提前到第1學期進行簡單介紹。

第2學期介紹造型基礎和工程圖生成技術，穿插復習表示方法、零件圖、裝配圖等相關知識，將和零件圖裝配圖相關的常用件、表面精度、公差和配合放在相關工程圖生成環(huán)節(jié)介紹。

教學計劃如下：

《工程制圖Ⅰ》（共48學時，其中課內實驗課4學時）

1）課程簡介、尺規(guī)作圖、制圖標準（8學時）

2）正交投影及視圖（含讀圖、畫圖、尺寸標注、cad二維計算機繪圖）（20學時）

3）表示方法（含視圖表示方法及剖視）（10學時）

4）軸測圖（2學時）

5）螺紋連接及緊固件（2學時）

6）零件及裝配圖（6學時）

《工程制圖Ⅱ》（共32學時，其中實驗課12學時）

1）三維造型基礎（8學時）

2）參數化設計的工程圖表達（20學時）

3）表面粗糙度、公差配合（2學時）

4）常用件（鍵、銷、齒輪、彈簧）（2學時）

2.2 建設面向教學目標、結合工程實際的教學資源

教學資源的建設以滿足教學目標為原則，兼顧可行性。盡量選用與工程實際相貼近的素材。

2.2.1 教材的選用

如1.3節(jié)中所述原因，在多年的教學中，教研室的教師普遍有剛開始接觸工程實例課程就結束的體會。為此，國際化班在對比5種國外原版教材的基礎上，選用了最適合本門課程的英文原版影印教材，緊扣教學目標制作ppt，設計習題和例題。

該教材在體系安排上和國內教材的風格最接近，素材內容上以實際零件為主，清華大學出版社在影印出版時，對教材除了刪減部分明顯不屬于國內大綱內容的章節(jié)（如加工過程、材料等）外，其他章節(jié)未作任何改動。因為是影印本，價格和普通圖書一樣，學生使用時也有可行性。

2.2.2 緊扣教學目標的ppt演示文稿制作、例題習題的選用

緊扣教學目標制作ppt，設計習題和例題十分重要。在ppt制作過程中，嚴格注意專有名詞的規(guī)范性，將多年的工程圖學教學經驗貫穿于課件的制作中。在例題和習題的選用和設計中，選用涵蓋相關知識點的接近實際零件的資源和素材，增加學生的學習興趣。

2.3 引入參數化、變量化概念的全英文教學實踐

全英文教學實踐，在教學實踐中以面向目標的方式講解制圖標準，基于一套標準打通國標和美標，培養(yǎng)學生的專業(yè)國際交流基礎；貫徹參數化設計理念，使本門課程真正成為設計和表達的有效手段，而不僅僅是畫圖的工具。在設置習題時，針對典型內容，部分習題采用同一練習內容采用手工繪圖、autocad二維計算機繪圖和三維參數化設計生成工程圖的方式反復操練，加深學生對內容和設計手段及方法的理解。

2.3.1 英文授課的目的和制圖標準的處理、講解

國際班的課程在教材、ppt、作業(yè)、教學過程、考核環(huán)節(jié)全部采用英文。英文授課是手段不是目的，目的是使學生熟悉不同的投影體系和標準（實際上中國的標準本來就是在國外標準的基礎上本地化的，學生掌握起來沒有難度），熟悉相關專業(yè)詞匯，為后續(xù)課程的學習和國際交流打下基礎。

教學中，用和教材相同的美國標準及第三角投影貫穿教學的前半部分，當學生有一定基礎時，介紹第一角投影。在后續(xù)的練習中，讓學生練習第一角和第三角投影的切換。講解國家標準時，用和教材相同的美國標準貫穿課程，然后隨時講解中國標準和美國標準不同的地方。因為中國的國家標準是以國際標準為藍本本地化的結果，所以需要學生特別記住的地方不多，不會引起標準的混亂。而且通過這樣的講解，也能使學生了解相關標準的來歷，使學生對標準在理解的基礎上使用，而不是盲目地記憶、遵從。

講解標準時，以面向目標的方式講解制圖標準。通常的理解，制圖課程的繁瑣標準是教學的重點和難點，在本課程的教學中，結合多年的教學經驗，從課程的目標——設計的工程圖形表達需求的角度去理解標準，讓學生理解。只有遵循這些標準才能清晰無歧義地工程表達自己的設計，而且，相關標準還合理化地簡化了部分真實投影圖。在理解的基礎上，學生就能更好地掌握和使用標準。

2.3.2 教學過程中參數化設計理念的貫徹

在課程設計和教學實踐中，引入并貫徹基于參數化造型設計的相關理念，突出本門課作為設計工具和表達手段的思想，將本人在科研實踐中的體會貫穿于教學，使學生熟練掌握造型設計和工程圖表達的基本知識和方法，為后續(xù)的專業(yè)基礎課、專業(yè)課的學習奠定良好的基礎。

在實際教學中發(fā)現，以往在講解尺寸標注的相關標準時，因為沒有參數化變量化的概念，面對固定尺寸的形體表達時，如果結果一致，學生無法分清尺寸約束和幾何約束，只好去硬記相關的規(guī)定。如圖1所示，關于4個圓孔的定位尺寸標注的必要性就是典型的實例。

圖1 定位尺寸必要性討論例題

如圖1所示例題，學生普遍的疑問是：通過尺寸計算發(fā)現，4個圓孔和圓角是同心的，既然如此，為什么還要對圓孔標注定位尺寸？

對這個問題，可以從兩個角度解釋，一方面可以反問學生，如果不加定位尺寸，怎么知道它們是同心的？另一方面可以從工藝和工序的角度解釋，圓角一般是鑄造零件模型上的圓角，孔是后續(xù)加工的，在孔的加工工序上，需要定位尺寸。但是這兩個解釋都沒有涉及到問題的核心所在，設計思想要表達的內容是什么？在參數化設計中，幾何約束和尺寸約束是兩個不同的概念，在尺寸變化時，幾何約束不應該改變。同心是幾何約束，尺寸是可變的參數，如果設計思想或設計需求是孔和圓角同心（姑且不論設計的合理性與否），在造型過程中孔就不再需要定位尺寸（工程圖需要按工序要求標注定位），而且在系列化產品設計中，這種同心不隨底板總體尺寸的改變而改變，如圖2(a)、圖2(b)、圖2(c)。

圖2 用同心幾何約束定位圓孔

圖3 (a)中的“同心”只是一種巧合，事實上，系列化的設計中，定位孔的尺寸有可能獨立于底板尺寸而保持不變，如圖3(b)、圖3(c)所示。

類似的例子還有很多，在教學實踐中，引入參數化和幾何約束等三維造型設計中的概念后，原先在教學中一些學生不容易掌握的內容，從參數化和幾何約束的角度變得很容易理解。出現這種現象的原因在于，設計表達的目標是精確表達自己的設計思想[3]，原先對于固定尺寸的表達對象，即便表達者對它的理解不是很精確，也不會引起歧義。但是，參數化、變量化概念的引入，要求并引導表達著對表達對象必須精確地理解，才能不引起表達上的歧義。而對表達對象的精確理解也有助于學生對本課程的掌握。

圖3 用定位尺寸定位圓孔

2.4 面向教學目標的基于設計及表達能力的課程考查

傳統(tǒng)的工程制圖的考察內容專為知識點（投影基礎、截交、相貫、組合體、表示方法等）而設計，考題中部分立體遠離工程實際，怪異形狀。這一方面是教學理念的局限，另一方面也是受考察形式的限制：在有限的考試時間內，復雜立體的綜合表達方法無法在考場以尺規(guī)作圖的方式考察。

國際班工程制圖課程考查面向課程的教學目標，重點考查學生的基于參數化設計的工程圖形表達和認知能力，將知識點的考查融入表達的過程中。圖4是國際班考題中考察表達能力的一道考題[4]。

圖4 表達能力考察題

考題：在圖4的三視圖中，仰視圖和右視圖局部結構的投影沒有畫出來，請指出未完全表達的部分，并說明為什么；用視圖框及文字說明清晰表達上述零件所需要的表達方案，并加以適當的視圖標注（如視圖名稱、剖切位置等）；完成一個完整的剖視圖的作圖，尺寸直接量取試題所給圖形的大小。

通過這樣的方式全面考察了學生的表達能力，避免了原先基于知識點考察的局限，解決了綜合考察所需要的長時段問題。

第一學期課程中，考試成績占80%， 平時作業(yè)及實驗環(huán)節(jié)占20%。考察方式：尺規(guī)作圖，考察內容：組合體讀畫圖、尺寸標注、表示方法、標準件和裝配圖讀圖，不考察畫法幾何和復雜的截交相貫。在第二學期課程中，平時成績和期末考試各占50%。期末考試采取上機考試，考試時間3小時，全面考察學生使用參數化造型軟件進行設計和工程圖形表達的能力。平時作業(yè)大量密集以三維造型軟件為工具練習零件造型、部件裝配和相應工程圖的生成。

機械工程國際班工程制圖課程的教學任務從2011年秋季開始實施，到2012年4月圓滿完成。在課程的實施過程中，有以下創(chuàng)新點：

1）基于以實際設計及工程表達能力培養(yǎng)為目標的教學設計和實踐。

2）貼近工程實際的教學素材。

3）全英文授課。

4）將參數化、變量化設計等理念引入工程圖學教育。

5）以面向目標的方式講解制圖標準。

3 結 束 語

國際班工程圖學課程借鑒國外同類課程的教學經驗，順應生產設計實踐中以三維參數化造型設計為主流的現實，在兼顧工程制圖基本功訓練的同時，以熟練讀取工程圖和使用三維造型軟件設計并生成清晰、規(guī)范的工程圖，同時具備一定的尺規(guī)作圖和草圖能力為教學目標。引入參數化、變量化概念，加強設計及表達的理念，使學生通過本課程的學習具備較強的設計和表達基礎。

針對課程的教學目標，選用及設計了和工程實際密切相關的教學資源，采用面向教學目標、在過程中穿插基礎知識點的教學安排，增強學生興趣。全英文授課，通過面向教學目標講解制圖標準，通過講透一套標準然后講清國標和美標關系加強學生對標準的理解，有利學生對標準的掌握，培養(yǎng)學生的專業(yè)國際交流基礎。采用長時段的上機實操考核學生的讀圖、造型設計和表達的綜合能力，較傳統(tǒng)的考核方式可以更好地檢驗教學目標。

[1]張京英, 羅會甫, 張 彤, 等. 三維造型設計與工程圖學的有效融合[J]. 工程圖學學報, 2010, 31(6):151-154.

[2]陳伯雄. Autodesk Inventor professional 2008機械設計實戰(zhàn)教程[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2008:287-288.

[3]畑村洋太郎著. 機械設計實踐——日本式機械設計的構思與方法[M]. 周德信譯. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1998: 3-4.

[4]Cecil, Jensen, Jay. Engineering drawing & design [M].7thed. McGraw-Hill Higher Education, 2008: 286.