多学时制图课程融入三维CAD的教学探讨

2012-09-21 09:53舒宏，高菲，陈霞

图学学报 2012年1期

舒宏，高菲，陈霞

（大连理工大学机械工程学院，辽宁大连 116024）

随着现代制造技术与计算机技术的不断融合发展，大学工程图学课程由过去的画法几何学与工程制图并重的传统教学模式逐步演变为画法几何学的投影法、工程制图及CAD制图相辅相成的格局。调查显示，截至2008年，85%的学校开设了计算机绘图课程，其中32%的学校开展三维 CAD，CAD绘图课程的平均学时为 25左右[1]。从AutoCAD软件的二维绘图到 Inventor、Solidworks等软件的三维实体造型、装配到二维工程图绘制，CAD制图教学已成为工程图学学科必不可缺的重要内容。为工程图学的教学改革注入了新的活力，也使得制图课程由过去注重单纯的画图、读图等制图技能本身的训练，向体现以设计制图为培养目标的逐步转换，以响应国家提出的“卓越工程师计划”这一战略思想。

目前工程图学教材在内容上都将CAD二维绘图和三维建模作为重要的教学内容[2]，许多高校在引入CAD三维建模，提高学生的构型思维的教学改革方面进行了许多有益的实践探索[3-5]。三维CAD内容的引入，对传统制图课程教学内容、教学方法产生了巨大的冲击，对机械类学科在整体课程体系设置上带来了思考。借鉴欧美知名大学CAD三维建模的教学形式，结合我国的现有国情，如何将三维CAD与传统制图内容有机结合、如何进行制图课程内容的取舍整合、在增强学生的创新思维和构型能力的同时如何提高二维工程图表达能力等方面的探索与改革是我们面临的主要任务之一。对此，本文主要讨论三维CAD如何与传统教学的结合问题，以及在教学实践中的若干探索。

1 与传统制图的结合问题

借助于 Inventor、Solidworks等三维绘图软件进行形体构型、零部件装配，大大地增强了学生的空间思维能力，提高了学生对于制图课程的学习热情，明显提高了学习效率。但由此也带来了三维CAD制图与传统制图内容有机结合的问题。

三维CAD制图在内容和教学体系上通常采用融入式、独立式和CG主导式3种模式[6]。融入式是将三维建模原理、方法融合渗透到工程制图课程中，与传统内容密切协调，互为补充。独立式是将三维CAD独立于制图课程，与工程制图一并构成新课程体系。CG主导式是以计算机绘图为主线，将传统内容穿插其中。融入式教学根据制图课程的不同阶段引入相应的CAD三维建模内容，贯穿于制图课程教学活动的全过程，增强了学生的空间思维能力、三维形体与二维图形之间的相互关系的理解，强化了零部件在形状结构上、配合连结上的直观理解，从而激发学生的创新思维能力。因此，对于多学时制图课程，目前融入式教学是各高校制图课程的主流模式。但是CAD三维建模内容的引入必然使得原有的手工画图、读图训练时间减少，导致学生读图能力有所下降。CAD制图的独立式教学能够保证原有的制图教学不受影响，学生有充分的二维绘图训练时间，能够系统深入地学习掌握三维建模、造型设计、三维零部件与二维工程图的转换。这使得在整个大学课程学习期间制图技能的学习有较好的延续性、系统性和完整性，从而减少由于除制图课程外因缺乏制图的学习与训练，出现课程设计、毕业设计时不会画图的尴尬现象。以CAD三维建模为主线的CG主导式教学适应于以扩大知识面为目标的少学时的基础制图课程。

因此，对于多学时制图课程的三维CAD教学在课程体系设置上应分两步走，即采用先融入式后独立式的三维CAD教学模式。首先，在制图课程中融入形体、零件三维建模，部件的装配与驱动关系，直观有效地理解零件的形状、零件之间的配合、部件的工作原理等，提高学生的空间思维能力，更好理解二维图形与三维实体之间转化关系。使得画图与读图，尤其是读图训练不再变得令学生畏惧。在这一阶段，大力加强徒手图和尺规工程图的训练是关键，淡化三维建模转换为二维工程图尤其是装配图的训练。其次，作为传统制图课程延续的独立式三维CAD教学，应作为制图课程内容的补充和与后续的机械原理、零件设计的连接纽带。从产品设计的角度提升学生的设计创新思维同时，以三维产品设计到二维工程图为主线作为课程的核心内容。

2 零部件的工程图表达问题

借助于Inventor软件能够方便地将零部件的三维实体投影为二维平面图形。但是，零部件的工程图表达中既包括了按投影的正确绘图内容，又包含了灵活正确运用国标表达的内容，其间不乏有国标规定画法与实际投影不符合的表达。学生们习惯于投影的作图，对人为规定的画图不重视、不理解，使得在对零部件确定合理的表达方案，运用国标进行正确表达零部件二维图形方面问题尤为突出。

相对应强大的三维建模功能，Inventor的二维工程图处理上有许多不尽人意的方面。虽然可以利用Inventor允许在工程图环境下进入草图模式对工程图进行修改，以符合我国国家标准和行业标准，但是它不能够直接创建局部视图、斜视图、断面图，对于肋板、均匀分布孔等其他规定画法表达的处理上有时会变得非常繁琐。这给我们在工程图绘图方面的训练带来了不少问题。现将零件、标准件和装配体在表达上与投影相悖的国标规定画法总结归纳如表1所示。

表1 制图标准中与投影相悖的表示法

面对如此多的表达方法，没有足够的工程图训练时间，利用Inventor 很难对零件图、尤其是装配图进行正确修改与表达。从这个角度来看，大力推进制图标准的贯彻实施，培养学生具有确立正确的表达方案、具有对零部件图形正确的表达能力是推进CAD制图与制图课程融合的关键点。

目前，对于工程图表达的教学依然是以老师课堂讲授，学生课后练习的方式进行。由于课后训练时间有限，学生对于教学内容大多是机械式照搬而非理解，自主进行确定零部件图形表达方案的能力明显不足。此问题反映到Inventor的二维工程图处理上就是大多数学生不知二维图中哪些地方需要修改、如何修改。因此，在零部件图形表达部分的教学应采用教师讲授为辅，学生训练为主的形式，由对零部件确定表达方案、徒手或尺规手工绘图，到三维CAD建模、三维实体二维图形转换、二维工程图修改、尺寸标注等系统性训练，使传统教学内容与三维CAD建模相互支持，互为补充，帮助学生理解国标规定画法的优点、意图，以便学生对零件图、装配图内容有足够的训练时间和理解消化，真正在技能、素质上得到训练培养。

3 CAD制图教学内容的融合与实践

目前我校多学时制图课程的课时是78学时，CAD制图通常为24学时，占总学时数的三分之一。表2是机械类制图课程CAD教学内容计划表，它主要由三维实体造型和工程图绘制两部分组成，以穿插在制图教学中的形式开展。在课程之初，结合基本立体与组合体的教学内容，指导学生对于三维形体造型进行重点训练。在这一过程中，一方面可以使学生熟悉三维软件的使用，另一方面在具有独立实体造型能力后，可以帮助学生扩展空间思维能力，解决复杂形体投影图中难以理解的问题。

同时，注意将趣味性内容融入教学，以激发学生们的学习热情。对于工程图部分的训练，我们采用的是将手工图表达的零部件通过三维造型转换为二维工程图这一过程，重点讲解包括剖视图、局部剖、断面图、局部视图等生成与编辑方法、草图状态下修改编辑工程图的技巧，进一步加强了机件表示法在工程图中的具体运用，如图1表示一个壳体零件的三维造型图和其转换为二维工程图的示意图。图2为球阀装配体模型图，图3为球阀装拆模型图，通过在测绘实验室中对球阀部件的拆装测绘，了解其工作原理、零件结构、装配关系等内容，对球阀各零件进行造型、装配、绘制装配图。