工程图学立体化教材建设的研究与实践

杨勇勤+陆载涵+刘桂红

摘 要 文章介绍了工程制图立体化教材的建设思路、内容和特点，提出一种用计算机三维造型更新传统画法几何的教学体系，用“构型要素—立体—投影图”的思维模式，取代原画法几何“立体—投影图”的思维模式，用构型要素、布尔运算等现代设计思路分析基本几何体、组合体、剖视图、零件图等的画图、看图，拓宽了学生思路，化解了学习难点。教材的配套多媒体辅助教学系统中开发的“零部件拆装和测绘”和 “构型设计乐园”等内容，丰富了教学环节和教学手段的多样性，提高了工程图学课程的教学质量。

关键词 工程图学 立体化教材 教材建设

中图分类号：G642 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2015.12.026

Research and Practice of Engineering Graphics

Stereoscopic Textbook Construction

YANG Yongqin[1]， LU Zaihan[2]， LIU Guihong[2]

（[1] Hubei University of Technology， Wuhan， Hubei 430068；

[2] Hubei University of Technology Engineering and Technology College， Wuhan， Hubei 430068）

Abstract This paper introduced the Engineering Drawing three-dimensional thinking of building materials， content and features， proposed a system of traditional teaching descriptive geometry update with three-dimensional computer modeling， with "configuration elements - perspective - projection" mode of thinking， to replace the original painting law geometrical "perspective - projection" mode of thinking， with modern design ideas analyzes configuration elements， Boolean operations and other basic geometry， assembly， cross-sectional view， part drawings and other drawing， pictures， broaden the students' thinking， to resolve the difficulties in learning . Textbooks supporting multimedia assisted teaching system developed "parts disassembly and mapping" and "Configuration Design Paradise" and other content， enrich the diversity of teaching and teaching methods， improving the quality of teaching engineering graphics course.

Key words engineering graphics； stereoscopic textbooks； textbook construction

工程图学是工科各专业的通识类基础课程，随着现代科学技术尤其是计算机技术的发展，工程图学教学体系、教学内容及教学手段已发生了重大变化，而教材是教学改革成果的具体体现，又是进一步指导教学改革的可操作性文件，因此，研究新的教材体系，编写与时俱进的工程图学立体化教材，更好地为工程制图教学服务，是当前图学教育工作者研究的课题之一。

1 工程图学立体化教材建设思路

立体化教材应立足于现代教育理念和现代信息技术平台，为教学提供一种综合性的教学资源，满足教学需要，促进教学改革。工程图学立体化教材建设目标是利用各种形式的教学资源，如纸质教材、多媒体课件、习题解答、虚拟模型和虚拟实验等，将教学内容、教学方法和教学思路等都汇聚其中，建成内容丰富、形式多样的综合性教学资源系统，形成更大的教学能力，促进教学改革和优质教学资源的共享。

2 立体化教材体系

由湖北工业大学等八所院校合编，北京理工大学出版社出版的立体化教材《工程制图》对上述问题作了一些探索。该立体化教材由纸质教材及配套习题集和多媒体教学系统组成，多媒体教学系统包括授课模块、习题指导模块、零部件拆装和测绘模块、构型乐园模块、备课与教案模块、试题库模块等，现简介如下。

2.1 教学内容的先进性

2.1.1 用拉伸体和回转体拓宽传统画法几何中的基本体

本教材提出一种用计算机三维造型更新传统画法几何的教学体系，按计算机造型中最常用的造型方式将基本立体分为基本几何体、拉伸体和回转体，将生成拉伸体和回转体的平面图形称为基图。基图不但可以是多边形，还可是圆、组合线图（由直线和曲线组成的平面图形）及布尔运算图等。①因此引入拉伸体和回转体可以扩大画法几何基本体的内涵，拓宽学生思路。

2.1.2 改变思维模式

本教材中提出了一种构型要素图示法：用构型要素的实形投影来给定空间形体。拉伸体基图上任一点的运动轨迹称为拉伸线，给定拉伸体基图和任一拉伸线的实形投影，则可以确定该拉伸体的空间位置和形状，因此基图和任一拉伸线的实形投影是拉伸体的构型要素。同理基图和回转轴线的实形投影是回转体的构型要素。由此提出了一种新的观点：空间形体不仅可以用几何元素（点、线、面）确定，也可以用构型要素确定。了解构型要素和三面视图的关系是画图与看图的重要基础。

如图1所示，给出了构型要素基图A和基图B及其任一拉伸线的投影a''，b''，则可以完全确定两个拉伸体的空间形状和相对位置，并画出三视图。这种构型要素图示法将原画法几何教学模式中立体到投影图的思维模式，改为构型到立体再到投影图的思维模式。

图1 由基图和拉伸线构造空间形体

在学习基本立体时我们让学生设计构型要素，或根据给定的构型要素画出三视图。在学习组合体时让学生分析构成组合体的基本体的构型要素和布尔运算方式。在阅读组合体视图、零件图和装配图时引导学生从视图中找出构型要素，根据构型要素构思出组合体或零件的结构形状。在视图表达方案讨论时，引导学生根据基本立体的构型要素确定视图数量，和检查视图表达是否完整。

2.1.3 引入布尔运算化解教学难点

组合体的读图是传统教学中主要难点之一，通过基图得到拉伸体和回转体并进行相应的布尔运算，则可化解组合体读图的难点。如阅读图2a所示的组合体时，在主视图中找出基图1，在俯视图中找出任一拉伸线a，学生能立即构思出如图2（b）所示拉伸体；同理在主视图中找出基图2，在俯视图中找出拉伸线b，可构思出第二个拉伸体；在俯视图中找出基图3，在主视图中找出拉伸线c，可构思出第三拉伸体（图2c）。再通过布尔运算中的并集和差集1+2-3就能构造出空间形体（图2d）。图2e为1、2、3三个基图。

（a）已知条件 （b）拉伸体1

（c）拉伸体3 （d）三维形体 （e）基图

图2 组合体读图

2.2 教学环节和教学手段的多样性

为满足教师进行多媒体课堂教学和学生自主学习的需要，研制了和教材配套的《工程制图多媒体辅助教学系统》。系统主要采用Flash作编辑工具和主要素材制作工具，可生成普通版和网络版。该系统不但有常规的“授课模块”、“习题指导模块”，还增加了用于教师备课的“备课与教案模块”，用于考试的“试题库模块”，用于教学环节的“零部件拆装和测绘模块”，用于学生课外自学和拓宽知识的“构型设计乐园模块”。

“试题库模块”用AutoCAD制作，便于教师组合生成自己的考题。“备课与教案模块”为可改编的PPT文件，便于教师根据自己的教学经验和安排改编成自己的教案。

零部件测绘是工程图教学过程中很重要的实践性教学环节，根据实际教学常用的部件测绘，采用三维制作技术，建立虚拟三维零部件绘图环境，设计了大量的彩色动画，以形象、生动、直观的形式解析拆绘工作的全过程，展示了实际工作的思维、步骤和总体工作要领，与生产实际过程紧密连接，并设计出虚拟拆装时能对学生的操作是否正确进行自动判断和自动评分的智能系统。拓宽了学生知识面、开发了学生自主学习能力。

本模块由两大部分组成：虚拟部件测绘和模拟测试。

零部件测绘包括：测量工具、齿轮减速器、安全阀、千斤顶、齿轮油泵。

减速箱等其他几个部件都是机械行业最典型的零部件，每一项里面都包括7类选项：（1）拆卸部件；（2）了解装配关系，分析工作原理；（3）绘制装配示意图；（4）编写零件明细表；（5）用胶纸在零件上贴上编号；（6）测绘零件；（7）根据零件草图画装配图。

部件拆装模拟测试包括滑动轴承、快换钻套、千斤顶的模拟拆装。在子目录下测试分为：拆装成绩、正确次数、错误次数、总得分、总扣分，错误一次扣5分，界面中间有部件立体图，界面下面有资料库、实验说明、装配图、零件组装、投影组装、拖动组装、返回等按钮选择。

部件拆装模拟测试是要学生看懂装配图后，在虚拟的彩色装配体上拆卸出指定的零件，操作方法是学生用光标点击需要拆卸的零件，点击时会弹出“拆错了，扣5分，请继续努力”或“你真棒！得分”的小漫画。

在构型设计乐园模块中有构型要素素材库，学生可以点击屏幕右侧的一系列构型要素代码，弹出不同的要素，再逐步构造出基本体，绘制出该基本体的三视图。也有基本体素材库，学生点击相关代码，弹出不同的基本体，并拖动基本体组合成不同相对位置的组合体。还有不同形状的法兰盘、底板、上盖等机械零件要素，可构造出不同的机械零件。

构型设计教育是一种关于创造的教育。形体的构型设计是创造性设计的重要表达形式。基于构型设计工程图学课程的教学目标是：培养学生创造性构型设计的能力。这是学生创新能力培养的重要形式之一，也是培养学生工程素质的关键。②

3 结束语

本立体化教材引入计算机三维造型方法更新传统画法几何的教学体系，用“构型要素—立体—投影图”的思维模式，取代原画法几何“立体—投影图”的思维模式，用构型要素、布尔运算等现代设计思路分析基本几何体、组合体、剖视图、零件图等的画图、看图。拓宽了学生思路，化解了学习难点。教材的配套多媒体辅助教学系统中开发了“零部件拆装和测绘”和 “构型设计乐园”等内容，丰富了教学环节和教学手段的多样性，拓宽了学生的知识面，引导学生强化空间概念，增强构形能力。

注释

① 陆载涵，张向华等.工程制图[M].北京：北京理工大学出版社，2010：1-125.

② 陈锦昌，陈炽坤等.基于构型设计的工程图学教学体系的探讨[J].北京：工程图学学报，2006（5）：130-132.