非机械类工科专业工程图学课程教学思考

来源:用户上传      作者:汪晨 郑梅生 孙青云 孙志武

　　摘  要：随着三维CAD技术的发展和普及，工程图学课程教学需要为适应人才培养目标的转变进行改革。该文探讨了非机械类工科专业工程图学课程的改革方向，分析了融入三维CAD内容的重要意义，提出了以二维制图教学为主线、融合三维CAD内容的教学方案，指出了少学时融合式课程建设的3个重要内容。新课程注重提高学生的空间想象能力，旨在培养能够满足现代技术发展需求的科技人才。
　　关键词：非机械类  工程图学  三维CAD  教学改革
　　Abstract：With the development and popularization of 3D CAD technology， teaching of Engineering Graphics should reform in order to meet the change of talent training goals. This essay discusses the reform direction of teaching of Engineering Graphics for non-machinery majors. The importance of including 3D CAD is analyzed and a teaching scheme is proposed which takes teaching of 2D engineering drawing as the main line with contents of 3D CAD combined. Three important contents in construction of the combined course is pointed out. This new course focuses on improving the ability of spatial imagination and aims at training scientific and technological talents which are able to meet the development of modern technology.
　　Key Words：Non-machinery; Engineering Graphics; 3D CAD; Teaching reform
　　工程图学是工科专业的基础课程，教学目的包括培养学生空间想象能力和分析能力、培养学生的图形表达能力、培养学生计算机绘图的初步能力、培养学生的工程素质、提高学生的创新意识能力[1]。随着三维CAD技术的发展，基于二维图纸的机械设计手段正在逐渐被边缘化，行业发展趋势促使高校机械类专业的工程图学课程逐步融入了三维CAD内容，新课程结构分为独立式、分段式和主线式3种形式[2]。大量教学实践表明，主线式融合三维CAD内容更符合机械学科和机械行业发展需求，同时也有利于提升学生学习效果[3-5]。然而，材料、化工、自动化等非机械类工科专业的工程图学课程主要强调对学生空间想象能力和工程意识的培养，对绘制和阅读工程图样的要求较低，随着二维制图重要性的下降，这类课程是否有必要融入三维CAD内容，以及如何融入这部分内容值得思考。
　　1  融合三维CAD内容的意义
　　培养空间想象能力是非机械类工科专业工程图学课程的一个重要教学目的。学生通过将脑海中的三维实体与二维图线反复对比，最终完成二维图形绘制的过程是提高空间想象能力的关键步骤。无论基于二维图纸还是基于三维模型进行产品设计，其根本都是通过一种图形语言将设计思想转变为可供交流的资料，对工程师空间想象能力的要求不会降低。工程图学是本科阶段系统训练学生空间想象能力的主要课程，即使未来二维图纸的重要性不断降低，在大学阶段开设工程图学课程仍有其合理性和必要性。
　　但是，为了适应未来产品设计方式的改变，适应我国本科阶段教学改革的需要，在工程图学课程中引入三维CAD内容具有重要的实际意义。
　　第一，从人才培养角度来说，非机械类工科专业学生走上工作岗位之后不可避免地会需要与机械设计工程师协作解决工程问题，因此通常要求学生具有绘制和阅读简单工程图样的能力。随着机械设计手段的不断革新，未来机械设计工作将可能不再基于二维图纸进行，配套系统也可能需要基于三维模型进行设计。非机械类专业学生同样有必要紧随行业发展趋势，掌握简单的三维建模技能。
　　第二，从课程教学角度来说，融入三维CAD内容有助于更好地完成教学目的。非机械类学生的空间想象能力通常不如机械类学生，在学习基本体的截切和相贯问题、组合体的三视图以及零件的剖视图等内容时，通常会遇到更多困难，容易出现想不出、听不懂的情况。此外，工程图学作为一门基础课，通常开设于大一階段，学生对工程结构尚无概念，对于课程中提到的倒角、相贯线、截交线等结构要素缺乏直观认识。众多高校对非机械类专业的工程图学课程通常采用合班教学的模式，基于木模和照片进行讲解，学生学习效果欠佳。利用三维CAD软件辅助教学可以有效突破学生空间想象能力不足的困境，增加学生对机械结构的感性认识，提升教学质量。
　　第三，传统工程图学课程一般采用递进式的教学思路，从国家标准和作图基础开始讲解，逐步进入点、线、面、基本体投影的学习，最后才涉及实际零件。课程早期内容相对枯燥，不易激发学生的学习兴趣，影响后期学习效果，导致出现学生普遍反映课程难度大的问题。现代学生接触电脑较早，对计算机技术具有比较浓厚的兴趣，在课程开始阶段引入三维CAD内容，有利于提升课程的趣味性，为整个课程的学习起到积极的促进作用。
　　2  融合式工程图学课程教学内容设计
　　基于以上考虑，针对非机械类工科专业的工程图学课程应以传统二维制图教学为主线，合理融入三维CAD内容，在培养学生空间想象能力的基础上，培养学生的工程意识，扩展学生的知识体系。为此，笔者建立了一套比较合理的教学方案，其改革主要有如下几个方面。 　　（1）课程教学从三维CAD基础出发，学生首先学习二维草图绘制和拉伸和旋转建模方法。拉伸模型的草图是结构的特征视图[6]，掌握拉伸建模方法有助于提高学生对结构特征视图的敏感程度，为学习读图知识奠定基础。旋转模型的草图是旋转体的径向截面，掌握旋转建模方法有助于学生初步了解断面的概念，为学习剖视图奠定基础。二维草图还涉及尺寸的概念，在讲解时向学生灌输完全定义草图的思想，强调尺寸标注的完整性和唯一性，对于学生学习平面图型的尺寸标注有帮助。通过让学生进行创建零件的练习，还能够增加其对典型机械结构的感性认识，提高学习兴趣。
　　国家标准这部分内容知识点细碎，缺乏生动性，容易导致学生兴趣减弱，影响知识点的掌握和后续课程的学习效果。在该课程结构中，通过学习三维建模的二维草图绘制，学生已经对图线有了初步认识，基本了解了常见尺寸的标注格式。在此基础上，学生的学习难度会降低，更容易保持学习兴趣。
　　（2）投影法的基础知识是学习空间形体投影的基础。在以往教学过程中，学生对特殊位置直线和平面的投影存在理解困难。学习了三维建模技术之后，学生可以自行创建不同直线和平面，利用软件的坐标系统，从不同方向对其进行观察，加深对投影的理解。
　　基本体的投影、组合体的三视图以及零件的表达方法等内容是训练学生空间想象能力的关键内容，传统工程图学课程的教学设计经过多年验证能够很好地完成这一教学目标。该课程结构中，在学习基本体的投影之前，补充由三维模型导出三视图的方法，并在学习剖视图之前，补充由三维模型创建剖视图的方法。使学生能够通过进行制图试验，观察形体变化对投影图线的影响，充分发挥三维CAD软件的辅助作用，帮助学生进行深入思考和自主学习，提升学习效果。比如在学习相贯和截切问题时，学生可以通过改变形体大小和位置，得到不同形状的相贯线和截交线，体会形体尺寸和相对位置对相贯线和截交线的影响，加深对这部分知识的理解。在学习由两视图补充第三视图时，可以将所想到的形体创建成数字模型，再导出二维视图，帮助其进行对比和思考，从而提升学习能力，增强学习效果。
　　（3）最后，轴测图、标准件、常用件、零件图以及装配图等内容对于非机械类专业学生而言属于次要内容。引入三维建模知识之后，这部分内容应充分利用三维模型进行实例讲解，增强学生的感性认识，提升课程趣味性。比如在介绍螺纹时，可以在CAD软件中演示螺纹的生成过程，并结合软件的螺纹投影，介绍螺纹的规定画法。再比如在介绍装配图时，可以基于三维模型介绍装配体的工作原理、装配关系及主要零件的结构形状，提升课程的生动性。
　　3  融合式工程图学课程建设
　　非机械类工科专业的工程图学课程一般学时偏少，增加三维CAD内容会进一步占用有限课时，导致知识点过多而学时不够的问题凸显。目前二维工程图样在机械和相关行业中仍然非常重要，为了满足人才培养需要，新课程无法对二维制图教学内容进行大幅删减。融合了三维CAD内容后，需要借助慕课来化解这一矛盾。慕课是一种在线视频课程，视频短小、有趣，能够有效利用学生的碎片时间，完成简单知识点和普及性知识的教学。国内目前已经建设上线的慕课繁多，然而为了有效利用慕课补充课堂教学，慕课视频的内容应与课堂教学内容紧密关联。这要求教师根据课程的具体安排，合理规划慕课内容，精心制作慕课短片，有效提高视频内容的可用性。并且，教师应根据课堂教学进度，合理规划慕课的推送，真正做到用好慕课。
　　课程习题建设是融合式课程建设的另一项重点内容。传统二维制图作业量较大，学生只有通过大量练习，才能有效提高空间想象能力。然而，以画图为主要形式的作业实际上在空间想象能力的训练方面效率欠佳，作业时间大多用在了绘制图线上，思考的时间非常有限[7]。相比而言，判断和选择题虽然无法对学生的绘图能力进行训练，但是在读图知识点的考察上同样有效。由于无须绘制图线，学生完成判断和选择题的效率更高，相同时间内可以完成的习题数量更多，这种高频次的练习能够对知识点形成强化刺激，增强学习效果。考虑到非机械类工科专业人才对绘图技能的要求本就较低，这种练习模式更加适合这类学生的培养。因此，在融合式课程体系中，课程习题需要由画图和补图练习向以判断和选择题为代表的读图练习转换，教师可以借助慕课平台建立具有推送作业、自动批改、互动交流等功能的课程习题库，与传统画图和补图作业互补，有效提高习题的训练效果。并且，为了杜绝部分学生在完成判断和选择题时存在的抄袭现象，可以考虑对学生进行随机派题，充分利用自动批改功能，提升课程的人才培养效果。
　　此外，融合式课程的实现还依赖于模型库的建设。建设模型库一方面是为立体化课堂教学服务，另一方面能够降低制图实验的操作门槛。学生在没有完全掌握三维CAD软件操作方法的情况下就可能需要开展制图实验，因此有必要在模型库中加入预制的实验模型，简化实验过程，降低操作难度，建立实验指导材料，让学生在进行制图实验的同时，实现三维CAD操作技能和二维读图能力的共同提升。
　　4  结语
　　随着三维设计模式的普及，非机械类工科专业学生未来也将面临需要创建和阅读三维模型的情况，针对他们的工程图学教学思想和方法也必须做出相应改变。以二维制图教学为主线，培养学生的空间想象能力，融入三维CAD内容，培养学生的三维造型能力，并有效调动学生积极性，提升课程趣味性，提高课程教学质量，是这类课程改革的一个可行方向。
　　参考文献
　　[1] 杨裕根，龚伶俐主编.工程图学[M].2版.北京：北京邮电大学出版社，2016：1.
　　[2] 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.
　　[3] 张宗波，王珉，牛文杰，等.与三维造型技术相融合的工程图学教学探索[J].高教学刊，2018（21）：76-78.
　　[4] 张京英，杨薇，佟献英，等.构建基于OBE的立体化制图教学新体系[J].图学学报，2019，40（1）：201-206.
　　[5] 尧燕.依托三维工程图学培养学生设计创新能力的探索[J].图学学报，2017，38（1）：119-122.
　　[6] 郑建冬，孙青云，商庆清，等.基于构型设计与CAD造型的工程图学教学研究[J].教育教学論坛，2018（25）：175-176.
　　[7] 张宗波，王珉，吴宝贵，等.“线上+线下融合式”工程图学课程建设与教学实践[J].图学学报，2016，37（5）：718-725.
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