全面整合三维CAD技术的工程图学国际化教学改革实践

王运巧　刘静华

[摘 要]北京航空航天大学国际学院留学生班的工程图学中英文教学改革，是全面整合三维CAD技术的工程图学国际化教学改革实践。学生在掌握CAD三维建模、装配的基础上，理解工程图的作用和标准规定，同时加强草图练习。在制图标准介绍中，引入ASME标准中基于模型的数字化定义（MBD）概念，对传统工程图中常见表达方法和MBD模型中的替代表达方法进行对比和分析，包括几何信息定义和非几何信息定义，视图表达和尺寸标注，形成了CAD三维建模、装配、工程图和徒手草图并重的教学模式。

[关键词]工程图学；国际化；CAD；MBD

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）03-0020-04

北京航空航天大学国际学院的工程类留学生，分为中文授课和英文授课两个班。在2012年以前，留学生工程图学教学基本和中国学生同步，但教学管理中存在着诸多问题。随着招生规模的扩大，2012年学院对留学生教学计划进行了较大的调整，其中工程图学课从原来的两学期94授课学时，减少到一学期54授课学时。同时，学院也给予了主讲教师更大的自由，在满足前后课程衔接要求的基础上，教师对课程体系、教学内容和授课方法可以进行最大限度的改革。在这样的背景下，在学校教改项目 “面向留学生的工程图学教学改革研究”的支持下，课程将三维CAD技术全面融入工程图学，在工程图标准阶段，大胆引入基于模型的数字化定义概念。通过不断地摸索和调整，经过两轮的教学实践，我们最终形成了CAD三维建模、装配、工程图和徒手草图并重的新的教学模式。

一、国内图学教学现状与留学生课程需求间的差异

工程图学课程是工程类学生的专业核心课程，传统的教学内容主要包括画法几何和机械制图两部分。计算机技术的迅猛发展对图学课的冲击是巨大的，它首先是造成了学时的削减。出于后续课程要求、业界对毕业生工程制图能力的要求等方面的考虑，课程仍是以投影法为基础，虽然多数教学改革已减少了点线面部分内容，但投影训练、视图表达及国标规定仍是该课程的核心内容。其次，计算机二维绘图和三维建模内容也不可避免地占用了部分授课学时。在这种状况下，即使有现代化教学手段辅助教学，完成教学计划仍是非常紧张，这也造成了学生在计算机房和制图教室转换间的困惑，教学效果不尽如人意。

面向留学生的工程图学教学上述问题更为突出。相比中国学生，留学生在语言基础、计算机应用能力上的差异更大。以北航国际学院留学生班为例，学生为一年级工程类学生，不分机类和非机类，课程总学时为54学时，4学分。由于学生对CAD软件的认知和掌握程度参差不齐，且没有附加的相关课程作为补充，要在这样短的学时内让学生掌握工程设计表达方法，并应用于后续课程，满足业界要求，對现有教学内容和教学模式的改革就必须有更大的突破。

二、重构基于CAD的工程图学课程体系

重构课程体系，要跳出现有框架的束缚，回归到工程图学课程的本质上来。现阶段工程图学课程的基本任务仍然是培养4个能力：构形、表达、读图、制图。每个能力中既有对二维能力的要求，也有对三维能力的要求。[1]课程的根本目的是培养学生的工程设计表达能力，围绕这一核心制定教学培养目标，规划内容安排，反映业界需求和现代科技进步。

课程具体内容包括计算机建模、装配和投影制图、视图表达、尺寸标注、草图绘制、构形训练。课程的学习目标[2]确定为：用规定的CAD软件（Solidworks）进行建模、装配和投影制图的能力；培养空间想象力；工程图表达的国家标准规范；阅读工程图；徒手草图绘制。课程总体安排见表1。

三、完全融合三维CAD的教学模式

经过多年改革实践，国内院校在将三维CAD融入工程图学方面基本形成了三种模式[3]： 以三维造型整合课程内容体系；三维造型与二维绘图并重；基本保持原制图课内容，单独介绍三维造型软件。张京英的论文中提到北理工教改的三种模式时将其形象地称为“外挂式、分段式和融合式”[4]，并就三维造型技术与工程图学有效地融合进行了论述，课程安排是在学生学习了用形体分析法读画组合体视图之后引入三维造型设计技术。教学仍以掌握投影制图为重点，三维造型为辅助工具。

在本项目教学设计中，不论手工绘图或计算机建模，都是从三维形体入手，整个课程学习都围绕“形体表达”这一概念，将二维投影图作为和三维模型同等的表达方法介绍。通过大量高密度的形体构成训练，让学生学习徒手绘制形体草图。在这一阶段，学生绘制的图形是不规范的，其主要目的是构形练习。构形练习把空间想象、构思形体和表达三者结合起来。这样既能发展学生的空间想象力、开拓思维， 又能提高学生的画图、读图能力， 培养学生的创新意识和开发创造能力。[5]同时引入CAD三维建模技术，可以进一步加强学生对形体构成的理解，让学生对常见实体构成方法，如拉伸、旋转、叠加、切割、放样、抽壳，在Solidworks中进行练习，以体会形体构成过程。

在三维构形练习的基础上，提出形体表达规范化和国标的概念。通过让学生在Solidworks中观察形体的各个视图投影，引入Monge的直角投影概念，让学生了解其存在的历史必然性，图学表达的历史现状，讨论直角投影制图为何在将来很长时间仍会是形体表达的重要手段。而由三维CAD模型的投影引入二维工程图，将二维工程图视为三维模型表达的一部分，可使学生认识到即使在三维数字模型表达的阶段，二维投影图也是重要的表现形式。这一阶段进行二维投影训练、形体尺寸标注练习、国标介绍、视图表达方法、装配图，所有训练都是和Solidworks三维建模、装配、投影、工程图和尺寸标注练习同步进行，这能让学生对三维到二维的转换过程有更具体直观的认识。在相关制图国标介绍的同时，介绍ASME Y14.41中关于基于模型的定义方法，让学生了解三维模型表达方法的先进性，同时也让学生了解其目前存在的局限性，三维模型和二维工程图互为补充的现状。

四、课程中的国标介绍和MBD概念

教学围绕“形体表达”这个核心展开。如何表达工程中的三维形体，投影制图是其中的一种方法。这种方法自Monge创建投影法以来，已经沿用超过200年。工程图长期以来一直是唯一的指导生产的技术文件，其形成了一套完整有效的标准。课程介绍了最基本的制图标准，并针对留学生的具体需求，加强了第一分角和第三分角投影转换的训练。

以画法几何为基础的二维工程图表达，正是以二维准确定义三维，以平面的图纸表达空间形体乃至加工制造需求。二维工程图的出现是当时社会的发展需要，也是与当时的科学技术和生产力水平相适应的。

基于数字模型的定义（Model Based Definition，MBD），是另外一种表达方法。随着三维建模技术的日趋成熟，以数字模型完整准确定义三维产品成为可能。由于在通常的CAD系统中，所建立的产品数字化模型仅是三维几何模型，而制造工艺信息还在二维图纸上。这样仅依据三维几何模型往往难以进行产品的生产和检验。三维模型虽然包含了二维图纸所不具备的详细几何形状信息，但三维模型中却不包括尺寸和公差的标注、表面粗糙度、表面处理方法等仅靠几何形状而无法表达的（非几何）信息，或软件提供的相关标注工具尚不标准化。这些是学生在用Solidworks建模过程中可以体会到的。

许多国家因此而制定或正着手制定一些关于MBD的相关标准。其中美国机械工程师协会颁布的数字产品定义规范（ASME Y14.41 Digital Product Definition Data Practices）是基于模型定义MBD的基本规范要求的基础，于2003年被批准为美国国家标准，和其他现行ASME标准（如ASME Y14.5M，尺寸和公差标注）共同使用，其特别定义了关于产品数字化定义或数字化格式的图样标准的一些特殊的和附加要求。[6][7]

ASME Y14.41规范制定始于业界顶端航空制造业，以波音公司数年数字化制造经验为基础，对于以航空为特色的院校学习更为适合。因此，课程关于MBD的标准介绍基于这一标准。标准支持两种应用方法[8]：仅使用三维模型的完整产品定义方法，及模型和二维工程图结合的产品定义方法。标准首先讨论这两种方法的共同要求部分，然后分别叙述两种方法的各自要求。MBD规范内容繁杂，虽然和二维工程图标准对照提出，但要全部在课内介绍仍不现实。另外，对符合MBD规范的复杂软件如CATIA的掌握，要学生在54学时的课程内学会也是不可能的。因此，除了MBD概念和ASME Y14.41标准的基本内容介绍外，这部分主要实现的是Solidworks的基础三维标注练习。在让学生了解这一新的工程定义的标准同时，也要让学生认识到目前MBD技术的局限性，例如在三维模型中，关鍵部位的放大图和剖面图等传达设计意图的手段仍存在不足，缺乏在二维工程图中灵活而合理地表达方法，而相关标准仍在不断发展完善之中。

五、教学实践中的问题解决

（一）教学方式设计

对教师来说，虽然已经最大程度删减了点线面投影和图解法等内容，但要在54学时中让学生掌握工程图和三维建模内容，这对教师来说仍是一个巨大的挑战。要实现教学目标，必须在教学方式、学时安排上采取新的举措。课程改革在以下几个方面做了有益的尝试。

1.三维CAD软件学习

课程CAD部分要掌握零件建模、装配建模和工程图技术。Solidworks提供的建模工具很多，课堂讲授不可能一一演示和练习具体操作。而以建模的设计意图为主，和构形练习结合，能让学生掌握常见的工程形体生成方法和参数化建模概念，让学生能知其然并知其所以然，举一反三，无论是遇到软件升级或改用其他CAD工具，都能较快掌握。

由于学生来自不同的国家和地区，其计算机基础参差不齐。课堂讲授除了基本内容外，教师还要对学生要掌握的内容和检查方式提出明确要求，并定期课上考查。一般来说，课下学生自主学习和向助教答疑的时间远远超过课上的教学时间。

2.强调徒手绘图能力

徒手草图是工程师迅速捕捉设计意图，和他人交流讨论的最便捷的表达方式。在三维建模越来越受到重视，二维工程图日渐式微的今天，徒手草图作为的工程师的快速交流语言，越过尺规和鼠标屏幕的限制，重新回到图学教育的前台，成为工程专业学生的必备技能。

学生徒手绘图的基础和计算机操作技术一样，因人而异，差别巨大。一些在大学以前就接受过比较规范的训练，部分学生这方面的基础基本为零。徒手绘图的练习强调“形体表达”的工程性，对笔触、线条、真实感等不作要求。可以将大量的徒手立体图、平面投影、零件图表达练习和三维建模结合进行。

3.实例贯穿始终

由于课上学时紧张，我们对讲授实例设计采取了反复应用的措施。同一个实例贯穿一系列内容始终：三维和二维、CAD和手工绘图、零件图练习和装配图练习，都尽量采用同样的形体，减少学生课上的理解时间。这也需要对实例精心设计，力求具有代表性。如图1所示的简单形体，应用于构形练习、徒手立体草图、二维草图、剖视表达方法、二维尺寸标注、三维建模、三维尺寸标注等阶段。而图2所示的装配体，适合其中各零件在尺寸标注、零件工程图表达、零件建模、装配建模、装配图阶段采用。

4.分组合作，培养团队精神

课程开始几周后，班级内的学生彼此相对熟悉，从零件表达方式开始，可将学生分成3-4人的小组，这样便于课上讨论问题，课下完成作业，在CAD学习方面也可以互相帮助，在装配建模部分实现分工合作，提高学习效率，增强学生的合作意识和团队精神。

（二）教学形式和考核方式

教学全部安排在学校的CAD中心机房进行，2学时和4学时交替。同时，学生每次课也必须携带基本绘图工具。课堂上除讲授外，还进行快速徒手草图的练习和读图建模练习，教师随时检查学生操作和完成进度。尺规绘图都安排在课下完成。

考核方式为平时作业结合计算机建模上机考查，以及期末闭卷笔试三个部分，三部分基本是3∶3∶4的比例。

（三）教学改革实践效果及仍待解决的问题

新的工程图学教学课程在北航国际学院留学生中文班和英文班各经历了两轮完整的实践，期间对二维和三维表达比例、内容设计、学时安排、考核方式都不断调整，最终形成了如表1所示的较为完整的教学体系。学生经过本课程的学习，掌握了規范的工程图基本表达方法，三维CAD建模和装配技术；教师实现了既定的教学目标，满足了后续课程的要求，取得了满意的教学效果。

实践也凸显了新的教学模式仍存在一些未能解决的问题。首先是由于受到学生基础和学时的限制，讲授实例和作业设计都相对简单，学生对更复杂形体的掌握不够，未能更多地体现航空特色。另外，构形训练从三维入手，从三维到二维的转换练习较多，而从二维投影重构三维形体的读图能力培养不够。这些问题的解决一方面有赖于培养计划调整、学时安排改进和学生基础的提高，另一方面也需要进一步考虑调整教学模式、重新设计教学内容，优化与整合教学环境和资源，将教学改革继续推进。

六、总结

在数字模型定义方法日益成熟并逐渐标准化的今天，工程图学课程内容体系应如何变化，应如何正确处理投影理论、二维表达与三维数字模型之间的关系，如何加强学生的徒手草图交流能力，贯彻最新制图标准，很多图学教师都在教学改革中多方努力，以求回答这些问题。借助北航国际学院留学生教学给予的改革空间，希望本文提出的全面整合三维CAD技术的工程图学教学实践经验，能成为各位教师取得更大突破的他山之石。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 童秉枢，易素君，徐晓慧.工程图学中引入三维几何建模的情况综述与思考[J].工程图学学报，2005（4）：130-135.

[2] 罗会甫，焦永和.基于参数化造型设计及表达的工程制图国际化教学实践[J].图学学报，2013（2）：136-140.

[3] 焦永和，张彤，陈军，董国耀.第7次普通高等学校图学教育现状的调查与研究[J].工程图学学报，2009（3）：169-172.

[4] 张京英，罗会甫，张彤，焦永和.三维造型设计与工程图学的有效融合[J].工程图学学报，2010（6）：151-154.

[5] 陈锦昌，陈亮，张瑞秋，陈炽坤.基于构型设计的工程制图课程中设计环节的探索[J].工程图学学报，2013（1）：105-110.

[6] 范玉青，梅中义，陶剑.大型飞机数字化制造工程[M].北京：航空工业出版社，2011：312-354.

[7] 巫鹏伟，卢鹄，于勇，周秋忠，范玉青.工程师的新语言——基于模型的定义[J].航空制造技术，2010（21）：68-71.

[8] ASME Y14.41-2003， Digital Product Definition Data Prac？鄄tices [S].

[责任编辑：陈 明]