面向现代工程的二维—三维双向式工程制图创新教学模式研究

杨 铭

南京工程学院机械工程学院 江苏南京 211167

制造业信息化技术的飞速发展，使设计方式产生了巨大变革。目前的设计方式有以二维为主、三维为辅的，也有完全立体化、数字化的。不断更新的知识已融入机械系列的各门课程之中，工程制图作为该课程群的最基本单元，必须顺应潮流的发展。工程制图是工科院校一门重要的技术基础课程，但传统的工程制图教学远远不能满足先进制造业的发展需求，因此，工程制图的教学研究与改革，一直是工科院校课程改革的主要内容；反过来，工程信息化、产品设计数字化等先进制造技术也为工程制图的发展提供了新的契机[1]。

基于对目前工程制图教学现状的分析，完全改变现有的设计模式，用三维取代二维方式是不现实的，工程制图中要正确把握二维和三维的关系，既不能保守，也不能冒进[2]。因此，笔者在兼顾原有工程制图以二维为主的教学模式的基础上，突出三维设计思想，研究面向现代工程的二维—三维双向式工程制图创新教学模式，以适应新形势下机械类人才培养的目标和要求。

1 确立改革理念与思路

传统的机械设计过程为：三维思想—二维表达—三维加工与装配。三维机械设计过程为：三维思想—三维表达—三维制造。随着制造业的飞速发展，制图学教育工作者应该改革原有的教学思想和思维观念，强化设计意识，实现从三维到二维，再从二维到三维的双向教学。

1.1 从三维实体到二维投影图

人们在日常生活中接触的是三维空间的物体，学生熟悉的是三维实体，设计的基本单元也是三维实体。教学应该遵循认知规律，把三维实体作为工程制图教学的基本单元，抽取三维实体上的点、线、面，将其投影，得到二维投影图；分析三维基本形体(平面立体和回转体)得出二维投影图，并归纳出基本形体及所属几何元素的投影特性，储备基本形体的思维素材；分析教学中的难点——截交线和相贯线，该部分可以运用多媒体网络教室软件，在计算机教室或多媒体教室教学。教师用AutoCAD绘制三维模型，结合剖切、断面和爆炸图，从各个视角展示立体的内外结构，让学生观看。这样教学，既直观生动，又便于理解，还能让学生形成记忆表象。在分析由若干个基本形体组合而成的复杂立体——组合体的投影时，教师可以利用实物投影仪把组合体模型投影到大屏幕上，促使学生记住常见形体的特征，并将已储备的基本形体的思维素材和截交相贯线的记忆表象相结合，准确地完成由三维实体到二维投影图的转化。

1.2 从二维投影图到三维实体

在读组合体视图时，学生要由二维投影图想象出三维实体。在运用形体分析法读图时，学生需要先将组合体分解为若干个基本形体，再想象出其空间形状，最后将它们组合成复杂的三维实体。此时，可以借助计算机三维绘图软件进行构形分析，将组合体按形状特征划分为若干个封闭线框，由此拉伸形成三维实体，构形的过程就是思维的形成过程。教师可以使用多媒体网络教室软件中的“学生示范”功能，随时点播“学生机”进入“教师机”角色，让学生示范操作，将其空间思维的形成过程可视化地展现出来。

1.3 从三维部件到二维工程图

从设计整体出发，将传统的由零件到部件的教学顺序改为由部件到零件再到部件的过程，将独立的机件表达方法融入零部件的表达之中。学生从机器或部件三维实体出发，根据其功能了解机器或部件以及其中每个零件的作用和结构，清楚地认识零件之间以及零部件之间的空间关系。如安全阀，它安装在管路上，起到控制流体流量和安全保护的作用。学生可从制图课件中的三维动画，了解它的工作原理、装配关系、整体结构以及每个零件的结构。然后，教师抽取典型零件，结合零件的视图选择讲述表达方法的应用。教师在介绍完零件图的尺寸标注、技术要求和常见零件的工艺结构以后，可以要求学生根据典型零件的结构特点，用二维视图表达零件的结构形状。教师进一步讲述装配图的表达方法，尺寸标注和技术要求，零部件序号和标题栏明细栏，以及装配工艺结构，要求学生正确绘制出安全阀的二维装配图，从而完成从三维部件到二维工程图的转换。

1.4 从二维工程图到三维部件

学生在掌握了从部件出发绘制工程图的方法后，到制图集中测绘时，就可以根据测绘实体，徒手绘制零件草图、测绘体的二维装配图和零件图，再反过来根据二维零件图和装配图，用三维造型软件绘制实体零件，并组装成虚拟装配体，实现二维工程图到三维装配体的演变，从而了解从设计到制造及装配的全过程。

对于三维造型软件掌握较好的学生，测绘时可以要求他们根据零件草图对零件进行建模，通过三维建模，使学生了解测绘零件中各种结构的设计特点和零件之间的装配关系。利用装配模块，学生可将设计好的多个零件按照装配示意图组装成一个完整的产品，在装配过程中，可以检查零件之间是否干涉并模拟装配体的运动情况。学生利用制图模块可以直接由三维模型生成二维工程图，节省了手工绘制工程图的时间。三维模型和二维工程图是关联的，系统生成的工程图与实际零部件工作图在尺寸标注、几何公差、技术要求等方面不一定完全吻合，必须对其调整，这样又能考查学生的综合能力。

2 构建双向式教学模式

根据上述改革理念与思路，我们构建了面向现代工程的二维—三维双向式创新教学模式，其框图如图1所示[3]。为此，我们对工程制图课程体系与内容进行了一系列调整。

图1 双向式教学模式框图

2.1 降低画法几何难度

略去线面之间平行、相交和垂直问题及换面法等内容。立体截切有利于后续组合体的线面分析，应保留必要的学时。对于立体相交的相贯线，学生只需掌握正交相贯线的画法及相贯线的特殊情况。复杂相贯线可以利用三维绘图软件的构型和投影转换等功能自动生成，而且对其求解不利于学生空间思维能力的培养，故省略。

2.2 加强徒手绘图训练

徒手绘制轴测图，是想象形体、补画视图常用的方法，是提高空间思维能力的重要形式。徒手绘图的构思，在设计产品时能够起到很大作用。因此，在安排教学内容时，应把徒手绘制二维图和轴测图放在立体投影之后，组合体读图之前。在组合体读图过程中，学生可以徒手勾画立体形状，进行二补三和补漏线的练习，实现由平面到空间，再由空间到平面的思维转换。教师可以有意识地增加一些构型设计，鼓励学生通过徒手勾画轴测图，完成自主创意构型设计，强化学生的创造性思维能力和构型能力。在零件图和装配图教学中，学生应加强徒手绘图训练，通过徒手绘制零件和装配草图，结合三维建模和交互修改，提高设计效率。

2.3 增加计算机绘图教学

为满足现代工程设计要求，教师应引入AutoCAD，Pro-E，SolidWorks，Inventor等常用绘图软件，进行二维绘图和三维造型的教学和演示，并将它们穿插在工程制图的教学中，使学生在掌握投影理论和基本绘图技能的基础上，能够较熟练地利用绘图软件完成二维视图的绘制和三维实体的造型。

2.4 调整机械图内容

许多工程设计软件带有可以随时调用的标准件库，因此对标准件和常用件部分，除了介绍相关的国家标准以外，可以减少它们的画法讲解。在零部件的教学中，教师可将机件的表达方法融入其中，并针对某一部件及所属零件的特点确定表达方案，使学生由零部件绘制二维工程图的环节，掌握设计的过程。在制图集中测绘时，教师可以要求学生首先了解测绘体的装配关系、工作原理、连接方式以及各零件的结构和作用，然后，完成二维的零件图和装配图，并通过三维零件和装配体的实体造型，校验设计的合理性，从而实现由部件到零件，再到部件的双向式教学，使学生真正理解设计是一个不断反复和优化的过程。

3 结束语

面向现代工程的二维—三维双向式工程制图创新教学模式研究，既能突破传统教学模式的不足，强化课程的综合性和实践性，又能实现工程制图与机械工程等相关课程的衔接与整体优化，能够促使工程制图课程的教育思想和教学理念发生深刻的变革，推进工程制图课程的教学改革和教材建设，同时能够提高学生的学习积极性，激发学生的创新思维能力。

[1]马彩祝,谢坚.画法几何,何去何从[J].工程图学学报,2008,29(6):144-148.

[2]杨放琼,云忠.工程图学系列课程二维——三维双向式创新教学新体系改革研究[J].长沙铁道学院学报:社会科学版,2011,12(3):57-58.

[3]袁宝民,闫成新.面向现代工程中两种设计方法的工程制图教学改革[J].工程图学学报,2006(4):38-143.