“機(jī)械制圖”與“三維CAD”相結(jié)合的教學(xué)模式探析＊

李 楊 ， 劉國(guó)鋒

（安徽三聯(lián)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

0 引言

一切機(jī)器、儀器和機(jī)械裝備都是依據(jù)機(jī)械工程圖樣進(jìn)行制造和裝配的，工程圖樣是工程界的技術(shù)語(yǔ)言，是制造業(yè)最重要的技術(shù)信息[1]?！皺C(jī)械制圖”是高等院校理工科相關(guān)專業(yè)的一門(mén)重要基礎(chǔ)性核心課程，研究對(duì)象為工程圖樣，強(qiáng)調(diào)的是使用圖板、圖紙及尺規(guī)進(jìn)行手工繪圖，具有較強(qiáng)的應(yīng)用性和實(shí)踐性。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，采用計(jì)算機(jī)“三維CAD”軟件繪制圖樣已貫穿于制造業(yè)的設(shè)計(jì)及制造過(guò)程中，成為現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)與繪圖的主要手段，相比于傳統(tǒng)的手工繪圖，計(jì)算機(jī)“三維CAD”繪圖具有方便、快捷、精確度高等顯著優(yōu)點(diǎn)[2]。

近年來(lái)，“三維CAD”繪圖軟件課程在高校相關(guān)專業(yè)已普及，涉及的軟件大多是Pro/ENGINEER或SolidWorks。培養(yǎng)學(xué)生的繪圖及讀圖能力是“機(jī)械制圖”與“三維CAD”兩門(mén)課程共同的教學(xué)目標(biāo)，兩門(mén)課程在內(nèi)容上具有一定程度的共性。但是，在目前本科院校相關(guān)專業(yè)課程體系設(shè)置中，“機(jī)械制圖”和“三維CAD”通常作為兩門(mén)完全獨(dú)立的課程開(kāi)設(shè)在不同學(xué)期，而且授課教師也不同。這樣的授課順序雖然體現(xiàn)了兩門(mén)課程承上啟下的關(guān)系，但是會(huì)造成許多關(guān)聯(lián)知識(shí)不能夠緊密融合，導(dǎo)致內(nèi)容重復(fù)講述和教學(xué)資源浪費(fèi)，教學(xué)效率低，教學(xué)效果不好。因此，教師應(yīng)根據(jù)兩門(mén)課程的性質(zhì)對(duì)內(nèi)容進(jìn)行有效融合，既改進(jìn)了教學(xué)方法，又可以幫助學(xué)生高效掌握制圖知識(shí)以及靈活操作軟件。

1 “機(jī)械制圖”與“三維CAD”課程的關(guān)系

“機(jī)械制圖”這門(mén)課程的核心內(nèi)容是機(jī)械制圖國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)內(nèi)容是正投影法以及三視圖表達(dá)方法，另外還包括軸測(cè)圖、標(biāo)準(zhǔn)件和常用件規(guī)范畫(huà)法、零件圖及裝配圖等。由于課程內(nèi)容比較抽象，對(duì)學(xué)生的空間想象分析能力要求較高。學(xué)生若想靈活運(yùn)用，除了需要具備一定的邏輯思維，還需要具備較強(qiáng)的空間想象能力和實(shí)踐動(dòng)手能力[3]。“機(jī)械制圖”的設(shè)計(jì)過(guò)程是設(shè)計(jì)人員在大腦中建立三維實(shí)體模型，然后把實(shí)體投影到平面上進(jìn)行二維圖形繪制，讀圖者需要根據(jù)二維圖樣在大腦中想象出三維實(shí)體。

“三維CAD”繪圖是在三維建模環(huán)境下進(jìn)行的，可以快速建立三維立體模型，三維實(shí)體建模后可以直接輸出二維工程圖。教學(xué)目的重在培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)熟練使用CAD軟件進(jìn)行制圖設(shè)計(jì)工作，強(qiáng)調(diào)對(duì)繪圖軟件中各基本操作命令以及表達(dá)方式的綜合應(yīng)用。

相比“三維CAD”繪圖，傳統(tǒng)的手工繪圖雖然已不再適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，但是依然有其舉足輕重的作用，在高校相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)計(jì)劃中有著無(wú)可替代的地位[4]。“機(jī)械制圖”課程目標(biāo)不僅要培養(yǎng)學(xué)生良好的繪圖及讀圖能力、空間想象與分析能力，而且還強(qiáng)調(diào)學(xué)生認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的工作作風(fēng)。而“三維CAD”軟件是一種順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的快速制圖工具，能夠更加直觀、全面地反映設(shè)計(jì)對(duì)象，使用CAD繪圖不僅能夠顯著縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，而且會(huì)大大提高圖樣的精確度[5]?！皺C(jī)械制圖”課程是“三維CAD”繪圖的基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)繪圖只是取代了手工繪圖方式，但依然要遵守機(jī)械制圖的基本理論和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，學(xué)生對(duì)機(jī)械制圖原理的掌握程度是決定能否使用CAD軟件繪制出規(guī)范圖樣的關(guān)鍵因素。

2 “機(jī)械制圖”與“三維CAD”課程教學(xué)現(xiàn)狀

“機(jī)械制圖”的傳統(tǒng)教學(xué)模式主要是運(yùn)用多媒體結(jié)合相對(duì)簡(jiǎn)單的教學(xué)模型向?qū)W生展示，重點(diǎn)是通過(guò)繪制二維視圖來(lái)表達(dá)三維形體，學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解很大程度上依靠自身的空間想象能力。采用多媒體授課雖然大量節(jié)省了授課教師黑板板書(shū)的時(shí)間，由于近年來(lái)課程改革的原因，“機(jī)械制圖”課程的課時(shí)量明顯減少，但是對(duì)學(xué)生繪圖技能及相關(guān)知識(shí)的掌握并未降低要求。目前，在高校相關(guān)專業(yè)課程體系設(shè)置中，該課程通常在大學(xué)第一學(xué)期開(kāi)設(shè)，此時(shí)的大學(xué)生還習(xí)慣于中學(xué)階段被動(dòng)接收學(xué)習(xí)內(nèi)容的方式，自主學(xué)習(xí)能力較弱，空間思維一時(shí)難以開(kāi)拓。授課過(guò)程中，教師對(duì)圖形解讀時(shí)，二維向三維過(guò)渡的過(guò)程需要教師口頭表述，想要表述清楚比較困難，學(xué)生需要緊跟老師的思路把三維形體映射在腦海中，更不是簡(jiǎn)單的事，因此很難跟上教師的授課節(jié)奏。即使傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中教師有時(shí)會(huì)使用教學(xué)模型做演示，但也具有以下局限性：

1）教學(xué)模型的種類(lèi)及數(shù)量有限，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，無(wú)法滿足教學(xué)內(nèi)容的需要；

2）模型體積較小，教師在演示時(shí)，不是所有的學(xué)生都能夠觀察清楚；

3）進(jìn)行裝配體、剖視圖等知識(shí)點(diǎn)講解時(shí)，也不能對(duì)模型進(jìn)行隨意的拆卸及剖切，不利于學(xué)生觀察內(nèi)部構(gòu)造或結(jié)構(gòu)?！皺C(jī)械制圖”傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容理論知識(shí)繁雜難懂，再加上教學(xué)模式以單一的二維模式為主，學(xué)生對(duì)“機(jī)械制圖”課程內(nèi)容較難理解，久而久之會(huì)消磨學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以致“機(jī)械制圖”課程教學(xué)效果一直不盡人意。

多數(shù)院校將“三維CAD”課程開(kāi)設(shè)在“機(jī)械制圖”課程結(jié)束之后，筆者在近幾年的實(shí)踐教學(xué)中發(fā)現(xiàn)不少學(xué)生對(duì)“三維CAD”課程的學(xué)習(xí)興趣比較濃厚，再加上企業(yè)實(shí)際設(shè)計(jì)圖紙也基本是運(yùn)用三維軟件繪制，導(dǎo)致很多學(xué)生錯(cuò)誤地認(rèn)為“三維CAD”軟件的學(xué)習(xí)比較重要，并在學(xué)習(xí)軟件時(shí)將重心放在軟件相關(guān)命令的練習(xí)上，結(jié)果導(dǎo)致學(xué)生雖然能夠使用CAD軟件繪圖， 但往往會(huì)忽視機(jī)械制圖應(yīng)該遵循的基本理論、投影規(guī)律、表達(dá)方法及國(guó)家制圖標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定等。經(jīng)分析，“機(jī)械制圖”與“三維CAD”兩門(mén)課程內(nèi)容具有一定的共性，相關(guān)內(nèi)容應(yīng)該進(jìn)行貫通融合，教師應(yīng)利用學(xué)生對(duì)“三維CAD”的濃厚興趣，將“三維CAD”巧妙地運(yùn)用到“機(jī)械制圖”課程中，激發(fā)學(xué)生對(duì)“機(jī)械制圖”的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。

3 “三維CAD”與“機(jī)械制圖”相結(jié)合教學(xué)模式思考

3.1 對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)模式進(jìn)行創(chuàng)新

“三維CAD”軟件建模精度高，形象直觀。教師根據(jù)“機(jī)械制圖”授課內(nèi)容的需要，備課時(shí)運(yùn)用“三維CAD”軟件繪制所需素材，當(dāng)然這些素材可以是教材內(nèi)容所需，也可以是習(xí)題所需。實(shí)際教學(xué)過(guò)程中可以隨時(shí)調(diào)用這些素材向?qū)W生展現(xiàn)，并且可以對(duì)模型進(jìn)行隨意修改。這樣不僅可以豐富“機(jī)械制圖”的課程內(nèi)容，還能夠讓學(xué)生熟悉“三維CAD”軟件的基本命令，使學(xué)生在繪圖過(guò)程中體會(huì)軟件繪圖的便捷性。例如，在學(xué)習(xí)組合體時(shí)，立體表面的截交線是一個(gè)難點(diǎn)，學(xué)生對(duì)此普遍反映較難理解。針對(duì)這種情況，使用“三維CAD”軟件制作三維模型，利用軟件的工程圖模塊讓學(xué)生直觀地觀察截交線在各投影面上的二維圖形，問(wèn)題就會(huì)迎刃而解。裝配圖這一章節(jié)中，減速器裝配圖通常作為一個(gè)典型的素材出現(xiàn)在教材中，但大學(xué)新生對(duì)減速器結(jié)構(gòu)組成及工作原理的理解還有一定難度，教師也不可能把減速器帶進(jìn)教室進(jìn)行拆卸及演示。對(duì)此，可以利用“三維CAD”軟件制作減速器模型，學(xué)生可以像見(jiàn)到實(shí)物一樣直觀了解各零部件之間的裝配關(guān)系，同時(shí)教師通過(guò)軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，能夠讓學(xué)生看清齒輪傳動(dòng)的過(guò)程，收到事半功倍的效果。

3.2 兩門(mén)課程相結(jié)合培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力

學(xué)生的空間思維能力水平是決定“機(jī)械制圖”課程教學(xué)質(zhì)量高低的一個(gè)關(guān)鍵因素。培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力是“機(jī)械制圖”課程教學(xué)的主要任務(wù)之一[6]。教師在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)堅(jiān)持以學(xué)生為中心，充分利用“三維CAD”技術(shù)輔助，提高學(xué)生的空間想象能力。在“三維CAD”軟件環(huán)境中可以隨意改變模型的主視方向，也可以對(duì)模型進(jìn)行剖切、拆卸等，這與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比更為直觀，能夠解決學(xué)生空間想象能力不足的問(wèn)題。例如，在講授六個(gè)基本視圖時(shí)，學(xué)生對(duì)零件的后視圖及仰視圖極容易畫(huà)錯(cuò)。對(duì)此，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，教師可根據(jù)實(shí)際需要改變?nèi)S模型的主視方向，利用“三維CAD”軟件中的工程圖模塊獲得對(duì)應(yīng)的基本視圖，并把三維模型與基本視圖建立聯(lián)系，鍛煉學(xué)生三維立體與二維圖形之間的相互轉(zhuǎn)換能力，從而培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力。相貫線內(nèi)容是“機(jī)械制圖”課程中的一個(gè)難點(diǎn)，兩相交圓柱體（孔）的直徑相等時(shí)，投影得到的相貫線是直線；而直徑不等時(shí)，相貫線表現(xiàn)為弧線并朝向直徑大的圓柱（孔）。為讓學(xué)生輕松理解并掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，教師在備課時(shí)即可利用“三維CAD”軟件制作兩相交的圓柱體模型，授課過(guò)程中通過(guò)改變相應(yīng)的圓柱直徑，學(xué)生便可觀察相貫線的動(dòng)態(tài)變化。

3.3 以賽促學(xué)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維

筆者所在的學(xué)院每年會(huì)參加“高教杯”全國(guó)大學(xué)生先進(jìn)成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模競(jìng)賽，這是國(guó)內(nèi)圖學(xué)類(lèi)最高級(jí)別的國(guó)家級(jí)賽事，主要競(jìng)賽內(nèi)容是尺規(guī)繪圖、三維建模及工程圖繪制。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，每學(xué)年的下學(xué)期先在校內(nèi)舉辦選拔賽，通過(guò)比賽激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，并把學(xué)生的平時(shí)成績(jī)按一定比例納入校內(nèi)比賽成績(jī)，有效提高學(xué)生的課堂參與度。為了開(kāi)拓學(xué)生的空間思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，團(tuán)隊(duì)教師通過(guò)CAD繪圖軟件建立了典型零部件及裝配體三維模型及工程圖，并整理成庫(kù)，可供學(xué)生隨時(shí)調(diào)閱。教師在機(jī)械制圖教學(xué)過(guò)程中，可以將構(gòu)型設(shè)計(jì)題嵌入到各個(gè)章節(jié)，學(xué)生用“三維CAD”軟件表達(dá)設(shè)計(jì)構(gòu)思，可以不斷提高創(chuàng)新思維。

4 總結(jié)

“機(jī)械制圖”是識(shí)圖繪圖的理論基礎(chǔ)，“三維CAD”使模型靈活呈現(xiàn)。將“三維CAD”與“機(jī)械制圖”兩門(mén)課程相結(jié)合，可以將“機(jī)械制圖”課程中的重難點(diǎn)知識(shí)以及難以用口述表達(dá)清楚的內(nèi)容直觀地展現(xiàn)給學(xué)生，既可以豐富“機(jī)械制圖”課程的教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，又可以促進(jìn)“三維CAD”軟件的應(yīng)用，進(jìn)而提高學(xué)生的工程圖學(xué)綜合素質(zhì)。