基于构型设计的工程制图课程中设计环节的探索

陈锦昌， 陈 亮， 张瑞秋， 陈炽坤

（华南理工大学设计学院，广东 广州 510006）

基于构型设计的工程制图课程中设计环节的探索

陈锦昌， 陈 亮， 张瑞秋， 陈炽坤

（华南理工大学设计学院，广东 广州 510006）

构型设计的教育是为了培养学生的创新能力和工程意识。论文探讨了基于构型设计工程制图课程的内容体系，分析了课程中常用的构型设计训练方式，并在此基础上就工程制图课程小设计环节的布置、实施和检查进行了探索，指出了在工程制图课程中可以引入小设计环节。小设计的实践对工程制图课程的教学改革有一定的指导意义。

工程图学；课程；设计；实践

设计是一种创造行为，基于构型设计的教育必然是一种关于创造的教育，要把创造作为构型设计教育的核心命题。设计教育在启智、解惑、授业予人的同时，也在培养人的创造能力。“创造性构型设计能力的培养”作为工程制图课程的任务之一[1]，主要目的是为了进一步培养学生的创新能力和工程意识，这是在新的教学理念指导下对工程制图教学内容所提出的新任务。目前国内很多高校都对这一课题进行探索和研究，但如何在加强学生的创造性构型设计能力培养、进行有效的构型设计训练的前提下，在工程制图课程中引入设计环节，加强学生创新能力的培养是工程制图课程中需探讨的问题。本文就基于构型设计，在工程制图课程中引入设计环节进行探讨和实践。

1 工程制图课程引入设计环节中的前提

基于构型设计工程制图课程中设计环节的实施是以教学内容体系制定为研究对象和前提的。首先要制订出合理的教学计划，包括工程制图课程中突出“构型设计”的教学、突出“构型设计”的训练、给出相关软件使用的指引等。在工程制图课程的教学内容体系中，我们根据课程中引入设计环节的要求和目标，将教学内容抽象成以下3个主要的部分。

1.1 突出“构型设计”的教学

工程制图课程以构型设计为主线时，其课程体系、教学内容、教学方法和教学手段等都要相应地进行改革。既要考虑到目前社会对三维造型设计的需求，又要兼顾到从传统的二维表达为主向以三维造型设计为主的过渡，以及二维图形表达现在还不能完全取消的现状。我们提出了以构型设计为主线的工程制图课程体系、教学内容（图1）[2]，将培养学生的创新设计能力和加强实践能力为主要目标。

图1 构型设计为主线的工程制图课程体系、教学内容

在以构型设计为主线的工程制图课程体系中，构型设计的内容体现在课程的各个教学环节中。

如在绪论中，我们就可以提出，让学生如何想象2个等直径圆柱正贯后的求交形体？如何想象3个等直径圆柱正贯后的求交形体？

在常用的几何作图方法和平面图形画法中，可以进行平面几何图形的构型设计练习（主要进行轮廓特征设计），要求学生设计一个含已知线段、中间线段和连接线段的平面图形并标注尺寸，同时给出一定的创作约束条件。

在讲授了点、直线和平面投影的基本知识后，可以要求学生先进行包含各种类型直线的立体构型设计；然后进行包含各种类型平面的立体构型设计。

在讲授了基本立体、三视图、组合体等基本知识后，可以引导学生思考3个视图都不能将形体表达清楚的例子，给出这样形体的二维表达和三维表达。

在讲授草图后，可以要求学生徒手进行形体构型设计；在讲授了应用软件进行图形表达后，可以要求学生应用计算机进行形体构型设计；在讲授了零件图和装配图后，可以要求学生就某些零件结构、装配体的装配结构进行零件及装配体的构型设计。

将构型设计的内容贯穿在课程的各个教学环节中，使学生得到了构型设计的很好学习和训练，为课程的小设计环节打好了基础。

1.2 突出“构型设计”的训练

构型设计能力是创造性地解决实际应用问题的一种实践能力，是自然科学基础与人文科学知识的厚积薄发和集中体现。创新设计能力的培养，需要将课堂教学、实验教学、设计训练、学生科技活动等相关环节整合配置，构成完整的培养体系。创新设计能力的培养过程，是以学生为主体、通过上述环节培养创新思维能力和设计能力的过程。教师要坚信每个学生都有创新的潜能，并告诉学生创造力并不是神秘的，或只有少数天才才具有的能力，创造力是每个正常人都具有的一种潜在能力。

我们将构型设计训练贯穿于课程教学的始终，根据相关教学内容，要求学生根据给定的条件设计新构型。我们选用的题目，多数都是发散性的，可以有无数个答案，给学生留下充分的思维发展空间和创新空间，能够有效地培养学生的创新意识和构型设计能力。我们在工程制图课程的各个教学环节均有相应的突出“构型设计”的训练。主要的“构型设计”训练的形式有下述5种。

1.2.1 通过给定的视图及网格线进行构型设计

通过给定的一个视图构建几何形体，在国外大学的工程图学教学中已流行多年，近年国内的图学训练也引入了这一方法，这种训练方法对培养学生的创造性构型能力无疑是有效的。如果在给定视图的同时，也给出网格线，对构形的随意性作出一定的限制，并方便学生徒手绘图，无疑对教学双方都会有很大帮助。如图2所示通过给定的正面投影及3×3的网格线构造几何形体，并要求以徒手的投影图和立体图的形式表达，同时达到构型设计训练和徒手训练的目的。

图2 构型设计训练1

1.2.2 通过给定形体的外形轮廓线进行构型设计

给定形体的外形轮廓线对形体的形状有一定的限制，出题时应注意不要使答案太多而使题解过于分散，而又不要约束过多而失去变化。如图3所示，根据给出的三视图的外形轮廓线进行构型设计。

图3 构型设计训练2

1.2.3 通过给定的几个形状、大小相同的基本形体进行构型设计

采用几个相同的基本几何体用不同的方式排列在一起，这样的例子在工程应用中比比皆是，可以让学生进行构型设计练习。如图4所示，请用给定的4个形状相同的马蹄形形体构造出组合体（可采用叠砌、相贯等形式）。

图4 构型设计训练3

1.2.4 通过求某一基本几何体的补形进行构型设计

在模具设计中，常常需要根据零件的形状作出模具，通过这种形式的构型设计，可使学生得到凹凸模具设计的初步概念。此类训练可采用棱柱、圆柱、圆锥、圆球等基本几何体。如图5所示，根据给出的基本形体，设计出另一形体（用三视图表达），使其与给出的基本形体组合成完整的圆柱体。

图5 构型设计训练4

1.2.5 根据语言描述的要求进行构型设计

这种训练方式可贯穿在点、线、面和体的教学过程中。如图6所示，设计形体，使其包含各类的平面。

图6 构型设计训练5

1.3 给出相关软件的使用指引

在基于构型设计的工程制图课程中，需讲授相关应用的软件，一方面是让学生可以应用软件的图形表达功能，用计算机进行形体的构型设计，另一方面是为学生应用软件进行课程小设计的表达做好准备。

在工程制图课程中，我们与教材配套，介绍了以二维表达为主的AutoCAD软件，也对三维表达为主的SolidWorks软件作了专门介绍。同时引导学生举一反三，将来的小设计可以根据需要自选合适的软件为设计平台（需自学）。

2 工程制图课程中引入设计环节的实践

现代设计教育常常把“创造能力”作为培养优秀设计师的一个重要标准。而构型设计是创造性设计的重要表达形式。教师的重要任务就是在课程中善于启发、引导，以学生为主体，营造有利于培养学生创新设计精神的环境。在课程的教学中，要采用讨论式教学、启发式教学等，激发学生独立思考，鼓励学生勇于发表自己的见解。

在基于构型设计工程制图课程的具体教学实施中，最关键的环节是怎样营造活泼的课堂氛围，将课堂变成学生施展才华，引导学生积极思维的舞台。在工程制图课程中引入设计环节主要有3步：设计环节的布置、实施和检查。

2.1 设计环节的布置

在设计环节的布置时，我们首先使用案例教学方法，如以椅子的设计为例，指导学生如何根据椅子的功能进行椅子的创新设计。同时也给出一些简单的日用品如瓶子、盒子等组合形体作为构型设计的素材和案例，如图7所示的烟灰缸和笔座就是这样的案例。

图7 构型设计案例

在工程制图课程中引入设计环节的教学改革试验主要是面对机械类专业的学生，要求学生3～4人为设计小组进行分组，给出小设计的完成时间为7～8周，同时要求各组在分组后确定组长及给出小设计的题目。

在 2009－2010学年中，一个班的设计题目有：① 升降伸缩晾衣架，② 可伸缩新型鞋架，③ 新型娱乐手机造型，④ 实用新型拐杖椅子，⑤ 普通圆规的改进，⑥ 多功能可伸缩行李箱，⑦ 便捷的饮水机，⑧ 宿舍床位的改良，⑨ 苹果状防滑型实用水杯（图8）。

在 2010－2011学年中，一个班的设计题目有：① 运动型脱水机， ② 多功能健身椅，③ 便捷式折叠自行车（图9），④ 新型高空自动玻璃擦，⑤ 多功能挂钩，⑥ 可伸缩鞋架，⑦ 散热器，⑧ 乒乓球台，⑨ 防醉驾装置。

图8 苹果状防滑型实用水杯

图9 便捷式折叠自行车

2.2 设计环节的实施

在课程设计中，当设计小组确定了设计题目后，设计小组进行的主要工作有以下2个方面：

1） 资料收集

通过书籍、杂志和互联网等途径收集到与设计题目有关的资料，同时进行分析与整理，得到设计形体的优点和不足，找到进一步设计完善的目标和方向。如升降伸缩晾衣架小组分析到市面上晾衣架有升降功能的没有伸缩功能，不能在将衣服在升降的同时能伸缩，使衣服自动调整间距（图10）。在设计时，要明确设计的创新点，创新可通过以下3个方面考查：同类产品有相近的形态，只是对现有形态的改进；同类产品没有相近的形态，但其他产品有类似的形态；是全新的产品形态。

2） 进行设计

设计小组在组长的分工下，对设计形体进行分解和设计，确定改进的初步设计方案。在这过程中不少小组应用 “头脑风暴法”，激发同学产生灵感，让每位同学敞开思想，使各种设想在相互碰撞中激起脑海的创造性“风暴”，从而诱发更多的设计创意与灵感。升降伸缩晾衣架的设计就考虑晾衣架在升降的同时能具有伸缩功能（图11）。

图10 升降伸缩晾衣架的资料收集和分析

图11 升降伸缩晾衣架的设计

在初步设计后，小组成员分工从二维、三维考虑设计的改进和表达，选定设计与表达的平台，开展设计工作。

2.3 设计环节的检查

课程设计的目标既要关注学生对知识的理解和技能的运用，又要关注学生对设计过程的体验和综合知识的掌握与应用，还要关注学生对学习的兴趣和态度的涵养。在课程设计完成后，设计环节的检查主要由各设计小组进行设计的答辩（图12）。

学生要准备 15分钟的答辩汇报，由小组中确定1人担任主要汇报人，其余成员作补充，汇报完后，还有5分钟的提问环节。提问环节可以是由老师提问点评，也可以同学间互相提问互评（图13）。

课程的小设计将作为本学期工程制图课程学生成绩的一部分，约占总评成绩的20% ～25%。

图12 升降伸缩晾衣架的答辩

图13 同学间互相提问互评

3 小 结

在工程制图课程中引入小设计环节，通过两年多的实践，同学们对工程制图课程中的小设计有了很多的感悟，其中比较集中的感受是：体会到一个设计团体的作用与力量；懂得了将课程的知识综合应用；设计的表达让同学们享受到设计的过程。一些同学的设计还申请了设计专利，如便捷式折叠自行车的设计等。

工程制图课程是工程设计的基础课和启蒙课，是一门与学生后续的专业课、课程设计、毕业设计等关系密切的技术基础课程。通过在工程制图课程中培养学生构型设计能力的探讨和实践，可以看到其能够有效地激发学生的创新意识和构型设计能力，对提高课程的教学效果有很大帮助。

构型设计的主要目的是培养学生的创造能力和工程意识，这就要求制图教师不能满足于课程基本理论、基本技能和方法的讲授，还要对学生的设计作品提出评价意见，进行设计批评与设计欣赏。在基于构型设计的工程制图课程教学过程中，要训练学生的创新思维，提高学生的构型设计能力，实际上对教师也提出了更高的要求。假如教师上课时照本宣科，就不可能实现培养学生创新思维的目标。

[1] 陈锦昌. 论本科工程图学课程教学基本要求的修订[J]. 工程图学学报, 2004, 25(3)：101-105.

[2]Chen Jingchang, et al. Engineering graphics course research based on shape configuration design [M].Beijing：Beijing Institute of Technology Press, 2007：59-62.

[3]Wang Jianhua, Hao Yuxin. Teaching reform and practice in engineering drawing based on 3D modeling with computer [J]. CADDM, 2011, 21(1)：46-51.

Exploration and practice for design ability based on shape configuration in engineering drawing

Chen Jinchang, Chen Liang, Zhang Ruiqiu, Chen Chikun
( School of Design, South China University of Technology Guangzhou Guangdong 510006, China )

Developing student innovation ability and engineering consciousness is the main purpose of shape configuration. This paper presents the curriculum system based on shape configuration design for engineering course, and analyzes some training styles for shape configuration design. An effective training method, small product design, is introduced in teaching process for engineering drawing course. The assignment, implement and examination of small product design are discussed in detail. The results of practice application show that introducing small product design has a meaning for engineering graphics teaching reform.

engineering graphics; configuration; design; practice

TB 23

A

2095-302X (2013)01-0105-06

2012-04-30；定稿日期：2012-07-04

陈锦昌（1956-），男，广东南海人，教授，硕士，主要研究方向为工程图学、计算机图形图、工业设计。 E-mail：jcchen@scut.edu.cn