“新工科”背景下工程图学“二维-三维融合”课程体系探究＊

杜 俊 ， 王巧华 ， 夏俊芳 ， 赵纯清 ， 任奕林

（华中农业大学工学院，湖北 武汉 430070）

0 引言

为深化工程教育改革，2017年教育部颁布了“关于开展新工科研究与实践的通知”，提出要全面探索能引领世界的工程教育[1-2]。“新工科”建设要求用新理念、新结构、新模式、新质量、新体系开展工程教育改革，因此“新工科”的提出与建设对高校工科专业课程教学内容改革提出了新要求[3-5]。

工程图学相关课程是普通高校工科专业重要的专业基础课，主要研究工程图样表达与技术交流。在国家标准《学科分类与代码》中，工程图学为“工程与技术科学基础学科”下的二级学科[6]。随着计算机技术及工程技术的发展，工程图学的成图介质由纸质图纸变为计算机图形显示，且表达内容从二维平面表达向三维建模发展。国家工程图学课程指导委员会已将“应用绘图软件绘制工程图样及进行三维造型设计的能力”设置为该课程一项重要的教学任务[7]。同时，面向全生命周期的三维数字化产品设计、3D打印、基于图像的建模已日趋成为工程应用的新方向[8]。“新工科”建设要求工程教育教学内容要适应市场和产业的需求，培养多元化的人才。因此，工程图学课程体系的教学内容必须做出相应调整，以适应“新工科”建设的需要。

本文基于华中农业大学工学院的教学实践，分析工科专业工程图学课程体系的教学现状，重点探讨“新工科”建设背景下，将三维建模技术融入本科工程图学课程体系对培养一流工程技术人才的意义，并提出“二维-三维融合”的工程图学课程体系建设方案。

1 工程图学教学现状分析

1.1 现行课程体系概况

华中农业大学工学院机械类和农业工程类现行的教学大纲中工程图学课程体系共涉及三门必修课，分别为“工程图学”（第一学期）、“机械制图”（第二学期）和“机构测绘与计算机绘图”（第二学期）。其中，“工程图学”以投影理论为方法，研究工程图样的图示原理、绘图和读图方法，共56学时；“机械制图”以制图相关国家标准为基础，立足图形表达的规范性，培养机械图样的尺规表达、及计算机绘图的基本能力，共40学时；“机构测绘与计算机绘图”是一门计算机应用与图学相结合的实验类课程，对机械零部件进行拆装测绘，并利用AutoCAD软件绘制工程图样，共24学时。

1.2 现行课程体系存在的问题

1.2.1 画法几何部分内容偏多

“工程图学”要求学生掌握投影法的基本原理，涵盖了点线面等画法几何内容，需16学时，占课程总学时近三分之一。尽管画法几何知识是基本体和组合体视图表达的基础，但其中涉及的两直线的相对位置，直线与平面、平面与平面的相对位置等问题在机械工程图样中实际应用较少；随着计算机技术的发展，该类问题在三维建模中均能得到有效解决。因此，“工程图学”中有近三分之一的内容不适应图学学科的发展。

1.2.2 重视二维平面表达，轻视三维建模技术

工程图学课程体系涵盖的必修课共120学时，全部为二维平面表达内容，三维建模技术的相关内容均为选修课，二维平面表达被视作制图识图能力的关键，三维建模技术仅被视为提升学生能力的一种选择。与此同时，三维建模技术已成为工程应用的重要方向，包括波音公司在内的众多制造业企业在完成了图纸的电子化后，已将三维建模技术作为未来设计和制造的核心内容[9,10]。可见，“重二维、轻三维”的课程体系不符合现代工程发展方向，难以适应“新工科”建设的需要。

1.2.3 学生空间思维能力不足

二维平面表达实质是构建二维投影与三维实体的对应关系，但大学新生尚未形成基本的机械学科知识体系，缺乏对机械零部件的基本认知。在教学实践中学生往往存在空间想象能力不足、空间分析能力有待提高的现实困难，表现为在制图时易缺线漏线，在读图时难以对实体构型。训练与加强学生的空间想象能力和空间分析能力既是工程图学课程体系的重要课程目标，也是学习难点。

2 将三维建模技术融入工程图学课程体系的意义

2.1 丰富图学教学方法，突破传统图学教学瓶颈

三维建模软件具备可视化程度高、易于交互等特点，通过建立各类组合体和机械零部件的三维模型，可以实现360°全景视图及基于结构的多视角观测，结合相应二维视图，可以形成直接的二维-三维间对应关系，有助于培养二维-三维间的空间转换能力。对于结构十分复杂的机械零部件，通过三维建模技术中的剖切模型功能，可直接观测剖切断面及剖切后的零部件结构，可对照剖视图及剖切过程详细分析剖视图的原理、方法和要点。可见，三维建模技术是培养二维-三维空间转换能力的有效方法。

2.2 激发学生的学习兴趣，提高学习积极性

通过三维建模技术创建各类组合体和机械零部件三维模型，帮助学生突破了学习中的障碍和瓶颈，让二维平面表达成为探索零件三维结构的成果，在跨越图学知识难点的同时激发了学习兴趣，充分利用课外时间扩展建模能力，通过发散思维培养创新能力，通过树立学习自信心和成就感全面激发学习主动性和积极性，使图学知识的学习和应用进入良性循环。

2.3 为工科专业后续课程的学习提供坚实基础

工科专业涉及的通用和专用机械装备门类广、技术参数多、结构复杂。在后续课程学习中，学生会频繁接触动力机械、工程机械、机床及仪表、食品及农业机械、汽车等，建立三维模型是帮助学生快速理解各类机械装备工作原理的有效途径，将三维建模技术融入图学课程体系可用于建立各类机械零部件模型，对提高后续专业课程学习效率具有重要意义。

2.4 有助于培养学生解决工程问题的能力

基于三维建模技术在现代工程应用中的推广，工程图学的教学也应以需求为导向。随着计算机技术的发展，三维建模软件在优化建模功能的同时，也逐步扩展了仿真模块，通过与数值计算软件搭建接口，三维建模已成为机械设计和结构分析的基本环节。在图学课程体系中掌握三维建模技术基本操作，在专业课学习中同步应用和提高三维建模能力，最大限度培养学生应用计算机技术解决专业工程技术问题的能力。通过工程图学课程体系的改革有效打通了专业基础课和专业课间的互联通道，为后续课程更好满足“新工科”建设要求提供了保障。

3 “二维-三维融合”的工程图学课程体系建设方案

“二维-三维融合”的工程图学课程体系需要结合本科培养方案分析三维建模技术与二维平面表达的支撑关系，明确图学教学中三维建模技术的定位，确定工程图学课程体系中三维建模技术拟解决的问题及课时安排。此外，还需考虑现有的基础设施条件，注意条件建设与课程体系改革的配合。基于此，根据华中农业大学工学院长期教学实践积累的经验，参考借鉴其他工科院校的培养方案，本文提出了一套“二维-三维融合”的工程图学课程体系改革建设方案，如表1所示。

表1 “二维-三维融合”的工程图学课程体系及学时分配

该方案理顺了课程体系中三门课程的定位，其中“工程图学”讲授制图规则、点线面、基本体和组合体等制图基础知识，训练二维-三维空间思维能力；“机械制图”以常用件、零件图和装配图为主线，训练绘图和读图能力；“计算机绘图实验”进行二维CAD绘图和三维建模的训练，综合运用“机械制图”中的理论知识和基本方法。该课程体系在实现二维-三维融合的基础上，适应了“新工科”建设的要求，提高了学生运用所学知识解决工程问题的能力。

4 结束语

“新工科”建设对图学课程教学提出了更高要求，针对学生空间思维能力不足等问题，将三维建模技术纳入工程图学课程体系可以利用计算机技术突破传统图学教学瓶颈，激发学生学习兴趣和积极性，为学生解决工程技术问题提供技术支撑，适应现代工程应用场景，满足“新工科”建设需要。提出的工程图学课程体系建设方案实现了在不增加课程总学时的情况下，实现了“二维-三维融合”，满足了“新工科”建设需要，有利于学生能力提升。