基于应用型人才培养的近机械类专业工程制图课程教学改革——以三维构形设计在基本体和组合体的应用为例

曹洁洁，吴 健，赵志平

（常熟理工学院 机械工程学院，江苏 常熟 215500）

在教育部新工科建设政策指导下，高等学校工科类专业应以培养具有高素质和多元化的应用型人才为目标，更新教学方法、优化教学内容，以提升学生的实践能力[1]．工程制图是机械及近机械类（电气工程、化工等）专业重要的基础课程之一[2]．课程利用投影原理、制图国家标准对工程对象进行画图与读图实践，其主要目的是训练学生以创造性思维为基础的空间想象和逻辑思维能力，培养学生工程应用必备的认真负责的工作态度和严谨细致的工作作风，为学生学习后续专业课程、构建专业课程体系奠定坚实的基础．

随着计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）技术的发展，三维设计软件已成为现代设计的重要工具之一[3]．国内许多高校就如何将其融入现代教学实践进行了有益的探索[4-7]，主要思路是利用三维构形思想，将传统的形体分析转化为基于草图和特征的形体构建．机械专业工程制图课程96学时，结合教授三维软件应用，能够有效培养学生工程图学能力和素质．但对于近机械类专业的教学而言，由于课时少、学时跨度大、学生重视程度不高等问题，传统教学方法限制了学生空间想象能力和空间思维能力的有效提升．

基本体和组合体章节是工程制图课程的重中之重，在课程中起到承上启下的作用．本文在对近机械专业工程制图课程教授初期存在的难点进行剖析的基础上，提出了基于三维构形设计的教学思想，让学生直接从三维构形中去探寻二维平面图形的画图读图规律，从而加强空间想象能力和逻辑思维能力的培养；同时利用基于SolidWorks开发的教学程序组织相关教学活动，激发学生的创造性并锻炼动手能力；最后通过教学效果的比对，验证了该方法的可行性．

1 教学困境

传统的工程制图教学方法是利用模型、实物等形象化教学工具，通过教师的语言组织教学．近年来虽然引入了教学方法更灵活的多媒体技术[8]，但其基本思路仍然以点、线、面的投影理论为基础，分析视图中具有投影关联的线段与线框或线框与线框之间的关系，再进行判断、归纳、组合和想象成立体．

常熟理工学院近机械专业工程制图课程16周内总课时为36或48，投影知识和组合体的合计学时只有14或18．在有限的教学时间内，学生既需要掌握点、线、面、体的投影规律，还需掌握利用形体分析方法来完成组合体画图和读图．由于课时紧张，课堂练习时间较少，灵活运用理论知识难度大，对近机械类学生的空间想象能力和逻辑思维能力提出了挑战．经过多年的教学实践，总结出近机械类专业工程制图教学过程中面临的两大难点．

1.1 空间想象力较差

（1）坐标系不熟悉．工程专业学生比较熟悉平面笛卡尔坐标系，而工程制图是将立体置于空间笛卡尔坐标系中，从平面到空间的变化使得学习的难度剧增．学生对三维坐标系不熟悉，导致容易混淆一些基本概念，如：视角、投影面等．

（2）方位关系不明确．工程制图要处理立体在三维空间以及二维平面中前后、左右和上下的对应关系．当三维坐标展开为二维平面后，三视图的相对位置发生了改变．学生对方位关系不明确，画图和读图过程中难以对应方位和坐标之间的关系．

1.2 缺乏必要的逻辑思维能力

（1）组合体构成不确定．在进行组合体的画图和读图时，可以首先将其分解为若干个简单的基本体，并按照一定的投影关系绘制在指定投影面上．拆分的复杂程度决定了绘制过程的难易程度．学生如果不能合理地拆分组合体，就势必会增加后续绘制的难度．

（2）组合体构成逻辑关系模糊．组合体构成的逻辑关系体现在不同基本体的方位关系和连接方式上．如不能准确描述构成逻辑，将影响过渡区细节的表达，如：过渡区有线、无线，实线、虚线，连接面相交、相切等．

近机械专业教学过程中需处理好上述四个问题，使学生在短时间内掌握制图的一般规律，而不必花费大量的学时学各种绘制方法和技巧．基于三维技术中的构形设计思维为快速培养学生的空间想象和逻辑思维能力提供了契机，可有效建立三维形状与二维图形的对应关系，从而分析归纳出立体投影的共性特征．

2 三维构形设计

2.1 基本体的三维构形方法

现代构成主义认为一切物体均由圆柱、球和立方体等基本元素按照不同设计目的及准则组合而成[9]．学生从特定角度观察基本体三维立体形状，分析生成特征的构建方法，可获得对应的二维平面图形，从而建立三维形状和二维图形的关系．图1以圆柱和四棱柱为例展示旋转和拉伸特征构形思维．

图1 基于特征方法生成的三维模型

三维构形方法非常灵活，可以激发学生的创造性思维．图1（a）为不同草绘平面，通过旋转或拉伸可生成相同立体；图1（b）是相同草绘平面通过旋转或拉伸可生成不同立体．表1列出了基于特征方法生成的典型基本体．在教学过程中，让学生参照或提出其他构形方法，探讨不同视角下的投影规律，加深对特征方法的理解，提升空间思维想象力．

表1 利用构形方法创建实体过程

2.2 组合体的三维构形方法

形体分析法是组合体画图和读图的传统方法，假想将组合体分解为若干个基本体，分析各部分的形状、位置关系以及各形体连接面之间的关系，以便于画图、读图和标注尺寸．对于复杂的叠加型或切割型组合体，形体分析法难以适用．而三维构形方法是在二维草图基础上，利用拉伸、旋转、切除等特征方法构建三维形状，思维过程更多关注于特征方法而非基本形状．图2为利用形体分析法和三维构形法生成过程的对比．

图2 形体分析法和三维构形法分析过程

图2（a）为形体分析法，底座立方体利用4个基本体挖切形成圆角和孔，侧立体经过两次挖切形成所需圆顶面和孔．整个过程经历了1次叠加、6次切割．图2（b）为三维构形法，底座立方体通过将水平草绘平面1次拉伸而成，侧立方体则是通过侧立草绘平面1次拉伸而成．经对比，三维构形法将需要挖切的特征集中在草绘平面上，最大限度减小了基本体的布尔运算．

三维构形方法在教学过程中，不仅简化了教师的教学活动，同样也增加了学生对组合体的理解，将组合体想象成草绘平面和三维立体之间的相互关系，对学生三维空间想象能力和创新能力的培养具有启发性．

3 教学实践方法

在实际教学过程中，如何让学生更加专注于三维设计思想的分析过程，是实现基于三维构形设计方法教学的关键[10]．基于三维构形方法的分析，采用课堂直观教学和课后形体分析法相结合的教学方法．在课堂直观教学中，利用VB开发了基于SolidWork的一系列插件，通过点击对应的按钮或者拖动模型，实现对三维模型的各种视角的观察，从而了解三维立体和二维草图之间的对应关系．课后形体分析法则利用SolidWorks 3D PDF 功能，将三维模型保存为可实时拖动的PDF，学生无须下载专业三维软件，可直接通过电脑观察立体，从而对三维空间立体有更加直观的体会．

3.1 基本体实践教学

基本体的画图和读图是工程制图课程中建立三维与二维之间相互转换关系的首要环节，也是锻炼学生空间想象能力和逻辑推理能力的关键．通过分析简单的几何形体，学生能够理解形体在空间中的表现状态，从而直观地了解三维与二维之间的映射关系．常见的基本体主要包括棱柱、棱锥、棱台、圆柱、圆锥、圆台和圆环等．利用VB开发的基于SolidWorks插件界面如图3所示．在课堂直观教学中，通过点击插件中对应的立体，让学生观察对比不同视角下的三维立体特征及投影形状，快速建立三维形状和二维图形之间的相互关系．课后将插件中的典型基本体模型输出保存为3D PDF格式．学生通过手机APP打开3D PDF，点击PDF工具栏中的命令即可根据自身需要，调整立体视角（图4），以便于课后进行更加深入的形体分析．因此，结合课堂直观教学和课后形体分析法，学生能够在最短时间内建立二维和三维之间的联系，从而快速培养学生的空间想象能力．

图3 基于SolidWorks基本体插件

图4 基本体3D PDF界面

3.2 组合体实践教学

基本体是组合体画图和读图的前提，同时也是后续学习零件图和装配图的基础．传统教学方法侧重于掌握不同基本体的连接方式以及立体的点线面在投影平面内的投影规律．本文提出的教学方法则是在课堂直观教学过程中，打开对应的模型文件，按照顺序依次向学生展示若干个基本体的不同特征，从多个视角观察各个特征的连接关系，培养学生组合体构成的逻辑思维，基于SolidWorks组合体插件如图5所示．课后同样基于三维构形方法生成对应的3D PDF，如图6所示．学生可以自主观察形体样式以及不同特征的显示，进一步强化构成组合体的基本体之间的联系．通过课堂直观教学和课后形体分析法，学生能够快速理解基于三维构形的形体分析方法，更容易掌握组合体的构形思维，进而培养逻辑思维能力．

图5 基于SolidWorks组合体插件

图6 组合体3D PDF界面

4 教学效果

基于三维构形的教学方法改革，降低了学生对抽象化知识点理解的难度，创建了交互学习模式，教师授课方式和学生学习方式都得到了改善．基于SolidWorks开发的插件可以使教师在实际教学过程中根据需要变换和调整模型视角，最大限度将基本体和组合体的投影规律进行全面展示．学生在课中和课后可以在手机3D PDF软件中动手操作，实时调整立体模型视角进行观察和分析．学生亲自参与三维构形的实践，寻找三维构形思维的规律，可以在短时间内将理论知识吸收、消化并转化为能力．基于三维构形的教学方法，极大地激发了学生的学习兴趣，提升了学生的自主学习能力．

2018年，我们初步尝试教学改革对电气工程及其自动化专业学生（二年级下学期）讲授机械制图课程中的投影知识、立体投影和组合体3个部分内容．图7为3个部分授课时间对比图．其中2017年为传统授课（78人），2018年开始尝试采用3D交互授课（65人），2019年针对授课内容开发对应插件（72人），2020年形成相对完整的教学资料（76人）．表2为针对3个部分内容的测验成绩，主要考查学生对于组合体画图和读图的能力，测验总分为100分，其中读图10题共40分，画图5题共60分．

图7 对应课程课时变化

表2 2017—2020年单元测试成绩分布

从课时变化上看，正投影基本知识的授课时间减少了，分别减少到 11课时（2018），10课时（2019），9课时（2020）．投影基本知识和组合体部分，相较于2017年节省教学时间35%．从教学效果来看，采用新模式教学后，70分以上比例人数明显增加，从62%（2017年）上升至76%（2020年），上升比例为22.5%．

教学改革对于近机械类学生三维空间想象能力的提升和构形思维能力的培养有显著作用，同时为强化学生的实践动手能力、激发创造性思维提供了有益的帮助．学生能全方位融入课程，更高效地利用学习时间．

5 总结

工程制图作为理工科学生必修的一门专业技术基础课程，它的重要性和必要性不言而喻，尤其是基本体和组合体部分，学生需要运用投影法和国家制图标准进行三维立体与二维图形之间转换的画图和读图训练，无疑是课程的重难点．本文针对近机械类专业课程特点进行了剖析，提出了基于三维构形设计为核心的工程制图课程教学改革，并以基本体和组合体为例，将三维特征构形设计思想应用于画图和读图实践中，利用基于SolidWorks开发的教学程序开展交互式教学活动，有效激发学生学习的积极性和主动性．通过4年的改革实践，就投影基本知识和组合体章节而言节省了35%的教学时间，学生测验成绩70分以上比例提升了22.5%，成果显著．此外，这种方式能使学生快速掌握理论知识，提升创新能力和工程实践能力，从而培养更加高素质、多元化且符合时代发展需求的应用型人才．