基于三維CAD技術的工程制圖教學改革研究

吳狄

(沈陽工程學院 機械學院，遼寧 沈陽 110136)

基于三維CAD技術的工程制圖教學改革研究

吳狄

(沈陽工程學院 機械學院，遼寧 沈陽 110136)

通過分析三維CAD技術發(fā)展現(xiàn)狀、設計和制造領域發(fā)生的巨大變革以及對工程制圖課程的影響，提出了現(xiàn)實條件下工程制圖課程改革的必要性及改革的具體思路，介紹了基于三維CAD技術的工程制圖教學改革的探索與實踐的過程與結果。

三維CAD;工程制圖;教學改革

我國高校開設CAD教學已有20多年的歷史，在教學內容上主要以繪制二維圖形為主。但隨著計算機性能的提高，原來用于工作站上的各種基于特征造型、參數(shù)化、變量化的三維設計軟件也都有了微機版本，面對微型計算機的新的三維建模設計軟件也出現(xiàn)了井噴式發(fā)展。設計從三維開始，更符合人的思維過程，它從根本上顛覆了傳統(tǒng)的設計理念，設計發(fā)生了革命性的變化。隨著三維CAD技術的飛速發(fā)展和應用的日益普及，客觀上要求對工程圖學的課程體系、內容、方法、手段全面改革，以適應現(xiàn)代設計制造、現(xiàn)代信息科技和培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的高素質人材的需要。

一、CAD教學的現(xiàn)狀

CAD課程的內容如果僅就圖形處理而言應包括二維和三維兩個基本部分，但近些年來，國內院校在開設CAD類的課程時基本上只講二維部分，三維很少涉及，在講授三維內容時多采用AutoCAD中的實體造型功能。AutoCAD的實體造型部分不是基于特征的三維系統(tǒng)，不具備參數(shù)化功能，不能對已經(jīng)設計的結構進行編輯和修改，不是真正意義上的三維建模系統(tǒng)。國外發(fā)達國家的大學已經(jīng)開始了基于特征造型、參數(shù)化的三維設計繪圖教學，自2000年開始，美國的22個州的1000多所大學全面使用三維CAD軟件Autodesk Inventor，讓學生學習使用最先進的CAD軟件，為以后的工作打下必要的基礎。再如日本AMADA(天田)公司，它是世界第二大生產(chǎn)數(shù)控沖床的企業(yè)。在該公司工作的有日本東京大學、京都大學和東京工業(yè)大學和的畢業(yè)生，而這些學校早已不再進行二維CAD的教學，學習的是三維建模軟件，有Autodesk Inventor、Solidworks等。

在三維CAD已經(jīng)日臻成熟的今天，國內高校的工程制圖還是以二維CAD占據(jù)教學的主導地位，這明顯已經(jīng)落后于時代。因此，從培養(yǎng)高素質人材的需要出發(fā)，必須對現(xiàn)有的教學進行系統(tǒng)的改革，這樣才能使工程制圖教學跟上時代發(fā)展的步伐。

二、三維CAD技術特點及其教學應用

1．現(xiàn)代CAD技術為工程設計提供了三維平臺

傳統(tǒng)的設計過程是基于二維圖樣平臺，設計者頭腦中的產(chǎn)品構思是三維物體，但受表達方法和手段的限制，設計產(chǎn)品只能采用投影的方式，表達為二維投影視圖。讀圖時再根據(jù)若干二維投影視圖，理解它們的含義，在頭腦中想象出所表達的三維實體的結構和形狀。這種三維物體到二維圖樣的表達過程和二維圖樣到三維物體的看圖過程是空間到平面、再由平面到空間的思維過程，不是直觀的，而是間接的。這不但需要大量的時間和精力，而且有一定的難度，不利于產(chǎn)品設計和制造信息的表達和交流，限制了設計者的創(chuàng)新思維。

三維CAD環(huán)境為產(chǎn)品設計和制造信息傳遞提供了三維平臺——三維的數(shù)字模型。設計者從三維物體出發(fā)想象構思產(chǎn)品，在三維CAD軟件支持下，建立數(shù)字化的三維幾何模型。這種方式使產(chǎn)品信息的表達完整、直觀，方便交流。三維CAD環(huán)境使設計和制造的概念和過程產(chǎn)生了根本的變革。

2．計算機是完美的空間思維輔助工具

在二維CAD環(huán)境，計算機系統(tǒng)只是作為設計者的繪圖工具，它將傳統(tǒng)的鉛筆繪圖提高到電子圖，實現(xiàn)了圖形的電子化，減輕了設計者手工繪圖的負擔，但是工程設計的基本模式并未發(fā)生根本的變化。在傳統(tǒng)的設計方式下，設計者頭腦中首先要有完整、明確的產(chǎn)品構思，在此基礎上，根據(jù)正投影理論和表達方法，畫出二維設計圖樣。而在制造產(chǎn)品時，工藝工程師需要根據(jù)設計者所繪制的二維工程圖，經(jīng)過讀圖的過程，將二維投影圖轉化為三維實體，才能理解產(chǎn)品的三維幾何形狀和結構。這期間不但需要大量的時間和精力，在現(xiàn)實中還會發(fā)生表達錯誤和理解錯誤的情況，從而影響產(chǎn)品的設計周期。在零件設計完成以后，要進行實際生產(chǎn)制造，然后進行實際裝配，而在這一階段，往往會發(fā)生因設計不合理而發(fā)生零件之間的干涉，還要重新改進設計，再進行生產(chǎn)、裝配、檢驗。一些部件的設計往往要經(jīng)過幾次這樣的過程，不但使設計制造的周期拉長，而且會造成極大的浪費。功能強大的三維CAD技術，為設計者提供了一個全新的設計環(huán)境。三維CAD系統(tǒng)的應用，使計算機不僅是繪圖工具，還成為輔助設計者進行空間思維的工具。因為在產(chǎn)品設計的最初階段，設計者的產(chǎn)品構思往往是概括的、粗略的，某些局部和細節(jié)可能是模糊的、未確定的，甚至是有錯誤的。在產(chǎn)品設計完成以后，CAD系統(tǒng)可以進行計算機的模擬裝配，進行干涉的檢查，可以對零件的尺寸和結構進行編輯和修改，最后達到設計要求，這一切都是在計算機的三維系統(tǒng)下模擬進行的，沒有實際制造的過程，這不但可以縮短設計周期，還可以極大地降低設計和生產(chǎn)成本。

3．基于三維CAD的工程制圖教學是教學改革的必然趨勢

工程制圖課程是工科專業(yè)一門重要的技術基礎課，作為工程界的語言，本課程具有較強的實踐性。它的教學質量如何不但直接影響到學生對后續(xù)課程的學習，而且可能會決定學生畢業(yè)以后能否勝任對口的技術工作。

隨著科學技術的快速發(fā)展、新興學科的增加以及社會對人才知識結構需求的變化，設計領域正面臨著一場革命性的巨變。如何迎接好這樣一場巨變，使高等教育能夠適應時代的發(fā)展，使課程教學不至于落后，是每一所高校面臨的重要課題。傳統(tǒng)的教學方法要求有充足的教學時數(shù)作為基礎，這與現(xiàn)實嚴重不符。目前的情況是，工程制圖課的學時在不斷縮減。以沈陽工程學院為例，機械本科工程制圖課為80學時，一般的非機類專業(yè)工程制圖課為56、48、32學時不等。其次，傳統(tǒng)的教學模式已經(jīng)不能適合時代的發(fā)展。目前已經(jīng)完成了普及CAD技術的第一階段，即圖形的電子化，而我國大部分高校工程制圖教學仍以二維CAD教學為主，這顯然與當前科技飛速發(fā)展的形勢嚴重不符。盡管我國的科技發(fā)展與發(fā)達國家尚有差距，但是，只要及時地跟上時代發(fā)展的腳步，才能與時代同步。

三、教學改革方案及其實施效果

1．改革方案的具體設計

縱觀我國高校的工程制圖教材，一般可以分為幾部分:投影基礎，包含畫法幾何與立體的投影;構型設計，包括組合體的構型等;表達方法，包括組合體的表達方法，零件和裝配體的表達等;制圖規(guī)范，包括《技術制圖》《機械制圖》、圖樣畫法、尺寸注法等;專業(yè)圖樣的繪制與閱讀，繪制和閱讀與本專業(yè)相關的工程圖樣。

鑒于教學時數(shù)不足的實際情況，可以確定改革的基本方針為:保證必要內容的教學時數(shù)，減少構型內容的教學時數(shù)，刪除不必要的教學內容。從三維開始學習，從根本上改變了傳統(tǒng)的教學內容和模式，是教學改革的最終目的;加入了三維CAD建模內容，是教學改革的核心;從課程體系上確定設計從三維開始的設計理念，是教學改革的切入點?；舅悸肥?面向三維CAD技術，加強形體構形能力和形體表達能力的培養(yǎng)，加強創(chuàng)新能力和工程意識的培養(yǎng)。

（1）面向三維CAD組織教學內容。把三維CAD技術引入工程制圖教學，將實體建模概念引入教學，加強對三維形體的想象、構形、分析、表達能力、三維形體和二維圖形相互轉化能力的培養(yǎng)。具體教學安排見表1。

表1 工程制圖課程教學安排

（2）以“實體”為中心。從三維實體入手，在制定改革的教學日歷中，不再進行單獨的畫法幾何內容的教學，而在進行“實體”的教學過程中，拿出“體”上的點、線、面進行分析，這樣，對點、線、面的理解和認識要比單獨講解該內容更直觀，更易于理解。在教學中，利用三維軟件，進行實踐性教學。由于軟件簡單易學，學生很容易就可以掌握常見的建模過程。復雜的截交、相貫等，在三維系統(tǒng)中變得容易理解。由學生自己完成建模，更能增加學生的學習興趣，提高學習效果。

（3）加強徒手軸測圖訓練。在交流設計思想、現(xiàn)場測繪時，徒手草圖是一種有效的方式。但是隨著教學時數(shù)的減少，這種內容一般已經(jīng)不再講解。其實徒手作圖對于理解零件的結構和表達是十分有益的，鑒于此，可以增加這一部分的訓練。具體做法是:在進行三維建模前，先進行徒手繪制軸測圖，盡管可能會出現(xiàn)錯誤，然后再進行三維建模。這樣做的好處是，對自己徒手圖的錯誤，有一個直觀、深刻的認識。

（4）增減教學內容以適應發(fā)展的需要。降低相貫線內容的難度，只講授相貫線的概念、近似畫法、變化趨勢。在三維軟件中，直接建模就可以得到相貫線的二維表達。刪減畫法幾何部分，刪去二維CAD部分，減少組合體的教學時數(shù)，增加三維CAD內容，主要采用上機實踐教學方式。以此為依據(jù)，制定新的教學日歷(見表2)。對于教學時數(shù)比較少的專業(yè)班級，則采用在不改變教學時數(shù)的情況下，對教學日歷進行必要的調節(jié)，在實例中全部采用三維圖組織教學，從“體”到幾何元素，盡最大可能實現(xiàn)“讓三維主導教學”。

表2 新的教學日歷變化情況

2．改革方案的實施結果

為檢驗教學改革的成果，在2012～2013學年第一學期，以沈陽工程學院11級的一個本科班作為試點，這里稱為改革班，對比對象為11級的另一個本科班，稱為比對班，我們進行了第一次改革實驗。

首先選擇比較適合的三維建模軟件。近幾年來，由于三維CAD技術和計算機技術的飛速發(fā)展，三維CAD軟件有很多種可供選擇，目前流行的三維CAD軟件主要有Solidworks、UG、Pro－E、Solid Edge等。經(jīng)過比對，確定美國軟件Soled Edge作為首選，原因如下:①軟件出身名門，是Unigraphics Solutions公司的旗下產(chǎn)品，與大名鼎鼎的UG有相同的血統(tǒng);②該軟件在三維建模軟件中，功能較強;③軟件簡單易學;④已經(jīng)開設過多年公選課，具有一定的教學經(jīng)驗，學生也有很多選擇學習，在學生中有一定的影響。在學院系部和教研室的支持下，對教學日歷進行了修訂，刪減了原有的畫法幾何內容，對相貫線的內容進行了刪減，這樣做的理由不僅是改革的需要，也符合新的國家標準的要求。

在教學中增加實踐性教學環(huán)節(jié)，是改革的主線，主要是解決學生讀圖方面的困擾，經(jīng)過一個學期的實踐，可以感覺到學生在實體讀圖方面的確有了很大的提高。

以最能體現(xiàn)三維建模作用的期末考題的第三題和第四題為例，具體說明(見表3)。第三題是組合體的視圖表達，滿分是20分;第四題是組合體的剖視圖，滿分是20分。

表3 改革班與對比班第一次成績比對

由表3可以看出，改革班兩個題的平均分數(shù)和滿分人數(shù)均有較大的提高。兩道題的得分率分別提高了7.4%和5.35%;滿分人數(shù)分別提高7.8%和29.3%。

在2013～2014學年的第一學期的期末考試中，又進行了第二次比對實驗(見表4)。

表4 改革班與對比班第二次成績比對

可以看出，兩個題的相關指標有所提高，兩道題的得分率分別提高了13.2%和10.63%。由于空間思維能力的提高，學生對于其他問題的理解能力也得到了加強。

有一點應當說明，由于教學的安排有一定的難處，改革班沒能找到實際情況完全對等的專業(yè)班級，故其中的一些數(shù)據(jù)難免尚存在一些偏差。

面對三維CAD技術的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的工程制圖教學模式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)實的需要，工程制圖教學的改革已經(jīng)極為迫切，特別是對于新升本科院校，要辦出自己的特色，首先是保證不能落后。將三維建模融入工程制圖的教學中，加強了對學生創(chuàng)新能力和工程意識的培養(yǎng)，對于適應社會發(fā)展和科技發(fā)展的需要，有極其重要的意義。通過實踐檢驗，證明了這一改革思路是正確的，方法是可行的，有推廣的意義。

［1］胡青泥，戴恒震，高菲，等．面向三維CAD/CAM技術的機械制圖教學研究［J］．工程圖學學報，2002(1):137－138．

［2］鄭盛梓，姚涵珍，周桂英，等．面向三維CAD技術的工程制圖教學研究［J］．東華大學學報:自然科學版，2005(4): 154－155．

［3］竇忠強，張?zhí)K華，龐永軍．高校的CAD教學應從三維開始［J］．工程圖學學報，2001(4):112－113．

Based on the Engineering Drawings of the 3 d CAD Technology Teaching Reform Research

WU Di
(Faculty of Mechanics，Shenyang Institute of Engineering，Shenyang 110136，China)

Through the analysis of development of 3D CAD，great revolution of designing and manufacturing and influence on engineering graphics courses，the paper puts forward the necessity of engineering cartography curriculum reform under the condition of reality and concrete thought of reform，and introduce the progress and result of the exploration and practice of teaching reform for engineering graphics base on 3D CAD．

3D CAD;engineering graphics;teaching reform

G642.0

A

1672－9617(2014)03－0408－04

(責任編輯 祁剛 校對 伯靈)

2014－04－21

吳狄(1955－)，男，沈陽人，副教授。