基于ＣＡＤ技术的工程图学融入式教学模式研究

刘　斌　吴　雪　徐昌贵　汤晓华

摘要分析了CAD应用技术与工程图学教学体系融合的三种模式。结合CAD应用技术与工程图学教学模式的融合实践，总结了教学实践的具体内容和存在的教与学问题，提出基本观点和解决的方法。

关键词工程图学，CAD应用技术，教学改革，三维建模。

中图分类号TH122

文献标识码A

文章编号1005-4634(2009)03-0055-04

随着计算机技术的发展及在工程设计领域的深入应用，CAD技术正日益成为设计表达的主要手段，掌握计算辅助设计工具已成为高等工科院校学生必备工程技术技能之一。2004年教育部工程图学教学指导委员会重新修订了工程图学教学基本要求，在原有基础上增加了“创造性构型设计能力、使用绘图软件绘制工程图样及进行三维造型设计能力的培养”的基本要求。在新形势下，如何在工程图学课程体系内，将CAD的技术思想和方法融入传统的图学课程教学中，将计算机辅助设计工具与图学课程教学有机结合起来，为培养学生的空间想象能力、创新能力和工程素质奠定基础，已经成为现代工程图学教学改革的主要趋势。

1教学模式

CAD技术主要包括二维计算机绘图和三维建模技术，工程图学课程体系中已经包含二维计算机绘图的内容，而如何将三维造型技术引入工程图学教学中来是我国图学界近年来讨论的一个热点问题，对此也进行了相应的教学试点。清华大学童秉枢教授总结了现有各院校提出的三维内容引入方式以及由此形成的新课程体系：三维造型学习内容的引入方式包括融合式引入和分段式引入两种，前者将三维几何建模的原理、方法和技能融合、渗透到工程制图课程中，形成新的教学理论、内容和过程；而后者则是设置另外的必修课或选修课，与工程制图一起构成新课程体系。引入三维建模内容后的课程体系又可以划分为主线式、分段式和独立式3种。主线式结构是指三维建模贯穿教学全过程；三维造型与二维投影表达同步进行；分段式结构即将二维制图内容学习和三维建模方法的掌握划分为多个阶段，穿插进行；独立式是指在制图课程以外开设独立的三维建模课程。

近年来，国内各高校开展的引入计算机三维建模技术的工程图学教学改革已经取得了很多成果，由于每个学校的情况不同，因此采用的教学模式也不一样。北京工商大学在工程图学教学中也进行了融合CAD技术的教学实践探索，具体教学模式实施内容如表1所示。

2教学实践中的问题及对解决方式的思考

2.1独立式教学模式

独立式教学模式实践中，将三维建模和装配技术作为独立的教学内容，基本沿用草图绘制、特征建模、特征组合、零件模型生成、工程图生成、装配模型生成这一基本顺序。三维建模课程结束后，同学们不仅掌握了三维建模技术的基本理论和方法，而且能够使用某种具体的商用三维造型软件。

在具体教学过程中，发现一些教与学的问题：

三维建模技术课程与工程图学课程在时间安排上相差两学年(见表1中独立式教学模式的教学计划与学时安排)，工程图学课程中几何实体的构成分析和构形分析、零部件二维表达方法、以及技术制图的国家标准和基础知识等内容已经无法与三维建模的相关内容结合起来。

由于受二维计算机绘图内容学习的影响，三维建模实践中，草图绘制过程中过分强调精确绘图，对草图约束或添加尺寸的重要性体会不深；特征与零件的概念混淆；三维建模过程中的特征组合模式与工程图学课程中形体分析存在差异，同学们在具体的建模实践中容易思路不清晰。

三维建模技术作为一门独立课程，基本上是将具体三维造型软件的操作和训练当成工程图学课程体系的现代化教学内容的实现，实际上这还是“灌输式”教学法的主导思想。课程主旨是教给学生一种计算机绘图及构形思路，但脱离了工程图学基本内容的学习过程，该课程也只起到了工程软件的操作学习和训练作用。目前的现实情况是，机械相关专业学生的课程设计和毕业设计都在逐渐使用三维设计工具，如果二维计算机绘图及构形思路的学习在工程图学课程教学中完成，而三维造型软件的操作和训练则通过课程设计和毕业设计，由学生查阅相关资料，进行自主学习和训练，就可在较少的教学学时内，达到自主学习和实践的效果。

除此之外，独立式教学模式还存在以下分段式教学模式的问题，鉴于在分段式教学模式中详述，不再累述。

2.2分段式教学模式

与独立式教学模式相比，分段式教学模式在课程设置上更加紧凑。计算机绘图与三维建模都是计算机辅助工程设计的方法。二者先后学习或并行学习，衔接紧密，具有一定的对比学习效果，使同学们明确二维计算机绘图的主要目的和内容是应用计算机作为辅助工具，精确绘制二维工程图，其中包含图线、尺寸、文字、技术要求等。而三维建模课程的主要内容是在淡化精确绘制草图、强化草图约束应用、特征建模、辅助设计等。

教学中存在的问题是工程图学传统内容与现代CAD技术在名词术语、理论方法、空间思维过程等方面存在差异。

工程图学传统内容中二维图形的尺寸标注引出了基准、定形尺寸和定位尺寸的概念。在三维建模中，二维草图的“尺寸标注”却引入了尺寸约束的概念，同时增加了“几何约束”的概念。工程图学传统内容在形体分析中，将复杂立体视为基本立体的叠加和挖切，而在三维建模的立体构成分析中，复杂立体是由拉伸特征、旋转特征、扫掠特征等经布尔和差交运算而成。

有关基本立体的构成理论中，工程图学传统内容将基本立体分为平面立体和曲面立体：基本平面立体包括棱柱和棱锥，由棱面和底面围成；曲面立体主要是以回转体为主，由回转面或回转面与平面所围成的立体，回转面则是由一动线(直线、圆弧或其它曲线)绕一定轴(直线)回转一周形成的曲面。而在三维建模技术中，基本立体的构成可由封闭图形经拉伸、旋转、扫掠和放样所形成，见图1。

空间思维过程存在不同。工程图学中形体分析方法一般分为基本立体叠加和挖切，如图2(a)所示立体，可以看成四棱柱1与四棱柱2叠加，再挖切三棱柱3形成，见图2(b)所示。而应用CAD的三维建模技术中时，此立体是由封闭图形拉伸形成的特征构成，见图2(c)所示。图3(a)所示立体，形体分析方法可以视为切去五部分形成的切割式组合体，见图3(b)，而在三维建模中，以构建四个拉伸特征的叠加为建模顺序将使该零件的建模过程更加简单，见图3(c)。在具体的三维建模实践中，图3(a)所示立体采用叠加式构建方式要比切割式简单、不易出错。

传统内容与基本CAD技术的协调统一和前后呼应将在教材编写、课件制作和课堂教学中引起足够的重视。

2.3融合式教学模式

在取消了三维建模课程的工程图学教学体系内，简单的知识点堆砌无法完成CAD技术与工程图学传统知识的融合。融入法教学体系的建立必须以工程图学教学体系的完整性为前提、以工程图学

教育既定的能力培养为目标、以图学思维教学与训练为主导、以CAD建模思想为辅助手段。在具体的教学过程中，结合工程图学基本知识点，将基本CAD应用技术的概念和应用思路作为辅助构图分析、图形思维及图形转换的工具，借助CAD二、三维功能的操作性演示替代教师的手工黑板图和具体题目的求解过程。同时结合软件自身特点举例，体会二维计算机绘图与三维建模的内涵，但这一教学过程的实施必须建立在思维辅助工具和现代化绘图与设计思路掌握的层面上。

在图学课程教学实践中，所采用的融入式教学模式如下所述：

在基本立体投影分析时，进行三维建模练习。基本立体是建立复杂形体的基础，因此在这一阶段引入三维造型训练可以使学生初步掌握三维实体建模的方法，同时对立体概念有直观的认识。

基本体及截交、相贯线的形成原理及变化过程(图4与图5)，以及组合体的叠加、切割形成过程等，直接应用CAD软件的三维建模及布尔运算的概念进行操作性演示，代替课件(纯演示性)或教师的黑板作图，不仅可在极短时间内对同一实例进行展开性举例，使学生自觉地将数学概念与图形几何概念产生联系对比，从而加深对构形过程及形体识别的理解。

在制图基本知识教学中，国家标准有关制图的规定(图幅、比例、字体、图线)，等分线段、正多边形画法、圆弧连接、平面图形的尺寸标注和线段分析，均可打开CAD绘图软件的相应功能进行对比介绍，达到从两个方面理解课程内容的目的。

在图样画法的学习中，引入三维剖切、三维观察器等工具，加深同学们对剖视图画法的掌握，并借助三维建模软件直接生成二维工程图的功能、扩大同学们对计算机辅助设计软件强大功能的认识，并认识到直接生成的二维工程图与符合国家标准的二维工程图的差异，同时了解计算机绘图软件和三维建模软件的数据转换，了解精确制图基础上的二维工程图修改。

在标准件和常用件的学习过程中，结合三维软件的标准件库，介绍三维软件的强大辅助功能。

在工程制图实践中结合徒手绘，辅助计算机绘图和三维建模，使同学们实践三维建模软件完成部分零件模型和装配模型，再由模型生成二维工程图，将该二维工程图导入到计算机绘图软件中，进行修改，直至符合工程图要求的基本过程。达到应用先进辅助工具进行工程实践训练的目的。

在引入基本CAD技术的工程图学课程体系中，必须清醒地认识到，CAD内容的引入需要缜密的课堂内容设计，把握适时适量的原则，并坚持以下原则：

在基本CAD技术与工程图学教育的融合过程中，以工程图学教学体系的完整性为前提、以工程图学教育既定的能力培养为目标、以图学思维教学与训练为主导、以CAD建模思想为辅助手段。

不能因为课程体系中融入了基本CAD技术的内容，而忽视或减少了徒手绘图和手工绘图的训练，必须使同学们建立正确的认识。

三维造型技术的引入，使得课程讲解变得更加直观、生动，但必须注意三维实例的适时适量引入，如在看组合体视图的教学与练习中，过早或过多的引入三维实例，将不利于同学们空间构想能力的提高。

在教学中不拘泥于个例的求解，可借助CAD三维环境良好的可视性和可操作性，突出解决问题的思路和方法。

将基本CAD应用技术引入工程图学教学体系是必然趋势。三种引入方式都促进了工程图学教育的改革与发展。独立式与分段式教学模式在教学计划安排上具有灵活性与实用性，却容易陷入软件操作学习的层面，无法应用三维建模思想辅助画图、看图以及空间思维能力的提高，而且要求的学时较高。主线式教学模式的引入，对工程图学课程体系来说是一次全新的彻底的改革，是图学教育思想、理论和体系的变革，必须在充分准备和缜密设计的前提下进行，否则将达不到相应的教学目标。