CAD 教学与工程图学相互融合的教学模式实践研究

王 雷，李 荡，王代懿，刘小燕，严红光

（凯里学院，贵州凯里 556011）

CAD绘图是食品科学与工程专业学生需掌握的技能，作为非机械类工科专业，大学期间需要学习的专业知识丰富而广泛，课程学习内容非常紧凑精炼，CAD课程及工程图学课程教学课时都比较短，如何在较短时间内将CAD 熟练掌握并夯实工程图学知识是任课教师和学生需共同面对的挑战.

对工程图学课程，授课老师们也进行了大量实践研究工作.严国平［1］、王雷［2−3］等老师通过提升教师运用多元化教学手段，进一步提高教师教学素质与技能，达到提高工程图学教学质量的目的.刘洋等［4］将工程图学课程和Auto CAD融合式与分块式教学模式运用于教学，提高了教学效果和教学质量.叶福民［5］、汪晨［6］等将CAD 二维、三维技术引入工程图学教学，叶福民还将虚拟仿真建模及手机平台结合运用于工程图学教学，这些手段提高了学生学习兴趣和学习效率，并培养了学生的创新意识.国外院校［7−8］在工程图学教学中，同样充分利用多种媒体手段及三维技术，提高并激发学生的综合能力和潜能，实现“三位一体”效果.

以上教学研究的共同特点都是在工程图学教学过程中引入包括CAD 技术在内的多种教学手段，达到提升工程图学教学质量的目的.本文是在CAD 教学过程中，探索将工程图学知识融合到学生学习CAD 绘图过程中，即在讲解使用CAD 的同时，将工程图学相应的知识点带入绘图过程，在提高CAD 绘图的正确性、精准性的同时，加强工程图学知识点的学习.目的一是在学习工程图学之前，能进行CAD 的先学先用；二是如果后面学习工程图学，可以起到预习的作用，提高工程图学的学习效率；若已学过工程图学课程，则起到复习效果.

在校学生不仅要学习必备的知识及技能，也要靠教师引导学生摆正学习观念.本文也探讨了在CAD 教学过程中，如何引入思政元素，在学生们学习CAD 过程中，培养学生精益求精、爱国敬业的工匠精神.

1 手工绘图与CAD绘图之间维度和思维模式的转变

手工绘图是三维空间里的绘图方式，虽然是在平面纸张上成图，但是手工绘图是在三维空间操作绘图直尺、三角板及圆规等绘图工具，要求绘图者能根据工程图学的绘图要求，运用工程图学绘图知识、方法直接绘制平面图，而且任何图都是黑色，线条只有粗细区分.

CAD绘图是在电脑屏幕上成图，不是操作绘图工具，而是用手操作键盘、鼠标点击绘图命令，再生成屏幕上的图形要素，并非直接用手画出图形，这是CAD 绘图与手工绘图的区别，可以说操作CAD 是用手间接绘图.在CAD 操作过程中，绘图者看到的、直接感受到的图形变化，是随着命令执行完成后的视觉变化，整个过程都是在电脑屏幕这个平面上完成的，CAD绘图是在二维平面内的绘图过程.CAD 绘图是一种间接的二维感受，不像手工绘图是一种三维空间内的亲身感受.手工绘图会感受到线条在手下慢慢生成，在手下成图、笔下生花，而CAD 绘图时对命令执行后的瞬间就完成一条线或者简单的图，从一开始这两种绘图方式给人的感受就不同.所以初次教授新生CAD 时，会发现不论有没有手工绘图的经验，一部分学生尤其初次接触CAD 的学生，会表现得不知所措，不知道如何学习CAD.因对CAD 完全陌生，刚开始接触一种全新的工具，这也是正常的表现，但此时要及时引导学生正确操作CAD，避免形成习惯性错误操作，否则后面再纠正会非常困难.

在初学者思想模式上，从手工绘图转换到计算机辅助绘图，首先要进行绘图维度的转化.绘图的感觉从空间转化为平面，从三维绘图感受转化到二维视觉印象.同时，CAD 软件的特性也决定了初学绘图者思维方式必须进行转变，两者绘图技巧均熟悉后，就会由手绘单纯思考画线条的长短粗细，转变为首先寻找或本能想到CAD合适的命令.

对初学者来说，让他们快速进入CAD 环境，是教师首先遇到的课题.在保证学生熟悉软件环境后，从先画熟悉的简单图形，掌握初步命令，克服从三维现实中的手工绘图到二维屏幕绘图过程中思维上的障碍，引导学生对操作CAD 绘图产生初步兴趣，让学生了解CAD 绘图的优势，激发出学生进行自我探索CAD绘图的欲望，是教师在初始上课时必须要达到的教学目标.

2 图层的设置

CAD 绘图，必须设置图层并合理利用图层.在学生初步接触认识CAD 软件时，往往要求学生练习画非常简单的图形，只用一两个绘图命令就能完成.在以往教学中没有要求学生设置图层，会发现部分学生养成了画图不设置图层的习惯，即便按这种方式只上了第一次课，后面纠正起来也非常困难、事倍功半、效果不佳.因此，现在改为教学之初，第一次上课认识CAD 界面之后，就要求学生首先学会设置图层.对于熟练应用CAD 的绘图者，自然了解设置图层后的好处，而有些刚接触CAD 的学生就有点想不通，没有学画图就开始设置图层，不了解同要画的图有什么关系.当然，要尽快解决学生的这种疑惑，就必须在第二次上课时，将图层设置后的优势应用到.如绘制图1所示的图形时，要将图中需要的图层讲解清楚，可以在不同的图层中设置不同的线形、线宽、颜色，并标注好自己熟悉的名称，例如图1 的轮廓、中心线、尺寸标注、剖面线、文字、虚线要分别设置一个图层.图1的图层设置如图2所示.其中剖面线和文字图层在绘制图1时暂时用不到，但在以后绘制复杂图形时会用到.设置完成后，再绘图时便在画轮廓线和尺寸标注过程中再没有选择线型及颜色的烦扰，可以更方便的画图.

图1 练习图

图2 绘制图1前的图层设置

根据教学经验，因为手工绘图不涉及图层设置问题，在教授具备手工绘图基本知识的学生时，会发现他们对图层设置习惯性的忽略，接受起来有点困难.再加上初学CAD 用图简单，部分学生对CAD图层设置也会大意，稍不盯紧就出现问题，对后面绘图会产生系列性的影响.

学生掌握图层设置后，再看到任何一张纸质图时，首先在脑海中形成一种层次感，提高了学生读图、识图的能力.比如看到粗实线可以判断为结构轮廓线，虚线则是被遮挡的部位轮廓或是孔的轮廓等等，这虽是学习工程图学后必须具备的能力，但学好用好CAD 图层设置对快速提升这种能力，有很大帮助.

总之，绘图前一定要让学生了解图层设置的优势，不管多么简单的图形，都要说服学生进行图层设置，而且图层设置要非常清晰明了.

一是按照“下管一级”的原则，部属各级预算单位负有对本级和下级预算单位动态监控的职责。但各级预算单位动态监控开展工作不够均衡，部分单位未开展动态监控工作。二是对在监控中下发的疑点问题，有关单位的反馈、整改不够及时，影响了动态监控应取得的成效。

3 尺寸标注

工程图学对手工绘图尺寸标注的要求比较多，也有详细的规定.而CAD 绘图的尺寸标注相对手工绘图要简单、易学且智能化.比如工程图学中对线性尺寸数字方向的第一种注写方法，即要求水平尺寸数字字头向上，垂直尺寸数字字头向左，倾斜尺寸数字的字头要保持字头向上的趋势.很多学生在开始手工绘图时总是做不好，而CAD 标注尺寸不会出现这种问题，因为软件程序已设置好，不需考虑尺寸数字注写方向出差错.而图3所示简单标题栏图中所出现的尺寸标注问题，是CAD 初学者常犯的错误.图3 中的尺寸标注违反了工程图学的几点要求：1）尺寸应尽量标注在视图轮廓线外，尽量不影响视图（如图3中尺寸25的问题）；2）一般将小尺寸布置在里，大尺寸在外（如图3中尺寸75的问题）；3）尺寸线和尺寸界线尽量不要相交（如图3中尺寸75、15、20的问题）；4）串列尺寸箭头对齐（如图3 中尺寸15、25、20 的问题；两个尺寸为10 的问题）；5）避免出现封闭尺寸（如图3中尺寸75与两个15、25、20的问题，需要删除一个尺寸）.许多学生会认为图中不缺尺寸，自己的图没有问题.此时教师必须按照工程图学的知识要求，对相关错误进行一一讲解，并按要求对简单标题栏的尺寸标注进行修改，修改后的正确标注如图4所示.

图3 尺寸标注错误图例

图4 尺寸标注改正图例

部分学生最初使用CAD 绘图时，只注意图的形状，不考虑尺寸大小，后面再进行尺寸标便会漏洞百出；另外常见的问题是与原图相应结构的线条方向出现偏差.要保证CAD 绘图尺寸标注的准确性，必须做到绘图准确、无误.对初学CAD 绘图的学生，需要强调的是CAD 图中每个结构的尺寸与抄画原图中的相应部位的尺寸完全一致，即需要保证尺寸的一致性.另外，一些图纸中，并不会把图形所有结构的所有尺寸都标出.画无尺寸标注的结构前，要首先通过找关联结构的尺寸再计算这部分结构的尺寸，才能绘图，这是工程图学的第一章的内容.但是，在检查学生的手绘图时，会发现很多学生把一些这样的结构画错.比如两个圆的公共内切或外切弧线，一般不给定位尺寸，只给定形尺寸，定位就要通过计算或特殊画法确定，部分学生出现计算错误或干脆不进行计算，直接用不准确的一些弧线替代，企图蒙混过关.而CAD 绘图不同于手工绘图，想用错误弧线替代公切弧线根本做不到，虽然画这种弧线用CAD 命令就能简单完成，但是在画之前还是要将工程图学中的相关算法讲清楚.另外，在画三视图练习中会发现，部分学生图中的一些结构在三个视图上的尺寸大小不一致，这种情况在手工绘图和CAD 绘图中都有发现，而且手工绘图中出现的情况更多.但是在纠正的过程中，发现CAD绘图更容易操作，学生也更容易理解.

总之，使用CAD 绘图可以督促学生不断思考图形尺寸间的关联性，以确保图形结构尺寸正确无误；CAD绘图能调动学生思考积极性，将工程图学中的相关知识点学以致用.

4 CAD绘图与工程图学知识点融合

操作CAD 绘图，经过几个课时的练习后，学生绘图速度会迅速提高.因为初学绘图主要是抄画简单的图形，授课过程中往往会发现部分学生将图形轮廓画得差不多后，就认为完成了任务.而图形中经常出现一些偏差，甚至出现常识性的错误，原因都可归结到学生初学CAD 绘图时忽略了工程图学的相关知识点.如图5所示为常见的一种CAD 绘图问题，图中学生将简单支架的主视图与左视图结构高度上画得不一致，违背了工程图学三视图尺寸关系中的“主、左视图高平齐”的绘图原则.在纠正错误绘图的同时，也要将三视图尺寸关系都要讲清，即“主、俯视图长对正；主、左视图高平齐；俯、左视图宽相”，也要利用工程图学相关章节中视图投影关系，对三个视图相关尺寸关系进行简单介绍，并详细讲解组合体在三个投影面上视图的规定画法与投影关系（如图6a所示），以及三个视图在长、宽、高方位尺寸关系的建立（如图6b所视）.

图5 简单支架错误图例

图6 三视图［9］（a.投影面体系中的三视图；b.三视图之间的位置、尺寸、方位关系）

有些学生接受能力较强，学得快而且自学能力强.比如在讲解图5 中相应的知识后，就能迅速画出支架的三视图，如图7所示.但可以看出图7中又出现了新的错误，虽然图层、线型选择、投影关系都没有问题，这也说明学生CAD 操作很好，对讲过的知识也很好地接受了.但是，在尺寸标注、三视图绘制上却犯了较大的错误：首先，这个简单支架用主视图和左视图，就已经把结构完全表达清楚，没必要画俯视图；其次，俯视图上标注的尺寸都是重复标注.对这样的学生就要采用单独辅导的方法，首先要鼓励，肯定学生的优点.对上面的两个问题上要耐心讲解、点到为止，不能因此影响到学生的学习热情，还要肯定学生独立探索学习软件的能力，也要激励学生在后面的学习中继续努力.为提高CAD 学习效果，部分高校在CAD 教学中采用翻转课堂的教学方式，如哈尔滨工业大学［10］.但对初学工程图学的非机械类专业学生而言，尤其CAD 课程课时较少时，对大部分学生，翻转课堂的困难还是非常大的.

图7 简单支架错误图例

为避免工程图学绘制要求中类似图7 错误情况的出现，授课老师在讲授CAD 命令及画图方法的同时，要特别强调绘图不能违背工程图学知识中，还要牢记相关的工程图学知识点.在示范绘图的过程中，相关的知识点都要讲到，课上指导学生操作时要及时纠正错误画法，每次课程结束前还要对所用的工程图学知识加以巩固.

对初学CAD 的非机械类学生，CAD 教学过程中所用教学图形要由易到难.CAD 操作程度熟练之后，再逐步增加图形的复杂性.比如从简单的三视图到复杂的零件图、装配图，平面布置图等，同时结合介绍更多的CAD 绘图技巧，简单、快捷的绘制复杂图形，增加绘图的趣味性，提高学生绘图后的成就感，并结合相对应的工程图学知识实现准确绘图，开发学生自学及自我探索的能力，应用CAD绘制更复杂图形.

总之，在CAD教学的过程中，也绝对不能忽视工程图学的绘图知识，工程图学的知识是基础，结合工程图学才能指导学生进行CAD规范绘图.

5 思政元素的引入

工程图学的教学过程中，任课教师们［11−15］都非常重视思政元素的挖掘，以提升学生思想境界、价值观念，达到立德树人的目的.CAD 教学也应该做到将家国情怀、诚信意识、创新意识和一丝不苟、精益求精的工匠精神渗透到学生头脑中［16］，为我国成为制造强国培养合格人才.对于短课时的食品科学与工程专业学生，在学习CAD 课程时，非常注重引入相关思政元素，尤其在以下四个方面，充分挖掘思政元素.

5.1 教师发挥引领性的作用

介绍开始CAD 软件时，让学生了解到不仅有AutoCAD 这款，还有很多国产CAD 软件，如中望CAD+、浩辰CAD、纬衡CAD 等国产CAD.国产CAD 有着许多国外软件不可比拟的优势，正在引领整个行业抛开国外寡头技术和产品，进入以用户应用为导向的时代.

在CAD 的教学过程中，教师首先要以身作则，对所绘制的图形，做到一丝不苟，不能有丝毫马虎大意.进而严格要求学生，尤其是初次接触CAD 的学生，让学生了解CAD 绘图是现代工程中所必需的课程，绘图要求非常精确，任何轮廓线条的缺失或特性错误，任何尺寸的标注问题，都可能会导致未来的工程质量问题或者工程事故.教师要时时刻刻以工匠精神督促和激励学生，在潜移默化中影响学生.

5.2 引入专业素材思政元素

从学生所学专业出发，挖掘专业内在的思政元素，培养学生爱岗敬业、乐于奉献的职业精神.比如对食品科学与工程专业的学生，要让学生认识到，所画的食品设备零件图的精度会影响到最终的食品质量；食品设备结构图的一点创新，就可能会提高食品的产量及产率，降低设备成本；食品厂房平面图的合理布置，就会大大提高工厂的作业效率，降低人力及物力成本.

5.3 引入时事热点思政元素［11］

时事新闻对大学生的影响巨大，不仅影响大学生的生活，还能高度激发大学生的爱国精神，时事新闻的时代性，很容易引起学生的共鸣.比如我国发射的第一颗火星探测器“天问一号”，探测器上的所有组成设备元器件，都需要零件图、装配图，这些图纸都要先进行CAD绘制，再进行制造.

5.4 结合中华民族文化引入思政元素

民族文化是滋养一个人成长的精神食粮.古代中国劳动人民用自己的智慧发展了中国独特的建筑风格.凯里学院所在的贵州黔东南地区，最具代表性的建筑就是侗族鼓楼、风雨桥，这些建筑不仅精致华美，而且实用.整座建筑不用一钉一铆，全部以榫卯结构衔接，体现了侗族儿女的无穷智慧.现在，这些建筑的建造，都可以用CAD 进行设计和出图，在不失民族风格特色的前提下，能够更快捷更高效的建造出更宏伟更新颖的侗家鼓楼和风雨桥.

6 结论

帮助初学CAD 绘图的学生尽快突破计算机绘图与手工绘图两者间的思维模式障碍感，了解CAD 绘图的优势，是进一步引导学生对学习使用CAD 绘图产生兴趣的首要目标；在CAD 实践教学过程中，尤其对短课时内初学CAD 的非机械类学生，要结合学生的特点及专业学习状况，将工程图学知识融入CAD 教学中；全方位跟进改善课程教学方式，能快速提升学生的CAD 操作技能，并能强化巩固工程图学知识，最终做到全面提升；注重CAD 教学过程中思政教育，尤其从教师自身、专业素材、时事热点及民族文化等方面，充分挖掘引入思政元素，培养出德才兼备的学生.