劉　斌　吳　雪　徐昌貴　湯曉華

摘要分析了CAD應(yīng)用技術(shù)與工程圖學(xué)教學(xué)體系融合的三種模式。結(jié)合CAD應(yīng)用技術(shù)與工程圖學(xué)教學(xué)模式的融合實(shí)踐，總結(jié)了教學(xué)實(shí)踐的具體內(nèi)容和存在的教與學(xué)問(wèn)題，提出基本觀點(diǎn)和解決的方法。

關(guān)鍵詞工程圖學(xué)，CAD應(yīng)用技術(shù)，教學(xué)改革，三維建模。

中圖分類號(hào)TH122

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1005-4634(2009)03-0055-04

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的深入應(yīng)用，CAD技術(shù)正日益成為設(shè)計(jì)表達(dá)的主要手段，掌握計(jì)算輔助設(shè)計(jì)工具已成為高等工科院校學(xué)生必備工程技術(shù)技能之一。2004年教育部工程圖學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)重新修訂了工程圖學(xué)教學(xué)基本要求，在原有基礎(chǔ)上增加了“創(chuàng)造性構(gòu)型設(shè)計(jì)能力、使用繪圖軟件繪制工程圖樣及進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)”的基本要求。在新形勢(shì)下，如何在工程圖學(xué)課程體系內(nèi)，將CAD的技術(shù)思想和方法融入傳統(tǒng)的圖學(xué)課程教學(xué)中，將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具與圖學(xué)課程教學(xué)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，為培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力、創(chuàng)新能力和工程素質(zhì)奠定基礎(chǔ)，已經(jīng)成為現(xiàn)代工程圖學(xué)教學(xué)改革的主要趨勢(shì)。

1教學(xué)模式

CAD技術(shù)主要包括二維計(jì)算機(jī)繪圖和三維建模技術(shù)，工程圖學(xué)課程體系中已經(jīng)包含二維計(jì)算機(jī)繪圖的內(nèi)容，而如何將三維造型技術(shù)引入工程圖學(xué)教學(xué)中來(lái)是我國(guó)圖學(xué)界近年來(lái)討論的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，對(duì)此也進(jìn)行了相應(yīng)的教學(xué)試點(diǎn)。清華大學(xué)童秉樞教授總結(jié)了現(xiàn)有各院校提出的三維內(nèi)容引入方式以及由此形成的新課程體系：三維造型學(xué)習(xí)內(nèi)容的引入方式包括融合式引入和分段式引入兩種，前者將三維幾何建模的原理、方法和技能融合、滲透到工程制圖課程中，形成新的教學(xué)理論、內(nèi)容和過(guò)程；而后者則是設(shè)置另外的必修課或選修課，與工程制圖一起構(gòu)成新課程體系。引入三維建模內(nèi)容后的課程體系又可以劃分為主線式、分段式和獨(dú)立式3種。主線式結(jié)構(gòu)是指三維建模貫穿教學(xué)全過(guò)程；三維造型與二維投影表達(dá)同步進(jìn)行；分段式結(jié)構(gòu)即將二維制圖內(nèi)容學(xué)習(xí)和三維建模方法的掌握劃分為多個(gè)階段，穿插進(jìn)行；獨(dú)立式是指在制圖課程以外開(kāi)設(shè)獨(dú)立的三維建模課程。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)各高校開(kāi)展的引入計(jì)算機(jī)三維建模技術(shù)的工程圖學(xué)教學(xué)改革已經(jīng)取得了很多成果，由于每個(gè)學(xué)校的情況不同，因此采用的教學(xué)模式也不一樣。北京工商大學(xué)在工程圖學(xué)教學(xué)中也進(jìn)行了融合CAD技術(shù)的教學(xué)實(shí)踐探索，具體教學(xué)模式實(shí)施內(nèi)容如表1所示。

2教學(xué)實(shí)踐中的問(wèn)題及對(duì)解決方式的思考

2.1獨(dú)立式教學(xué)模式

獨(dú)立式教學(xué)模式實(shí)踐中，將三維建模和裝配技術(shù)作為獨(dú)立的教學(xué)內(nèi)容，基本沿用草圖繪制、特征建模、特征組合、零件模型生成、工程圖生成、裝配模型生成這一基本順序。三維建模課程結(jié)束后，同學(xué)們不僅掌握了三維建模技術(shù)的基本理論和方法，而且能夠使用某種具體的商用三維造型軟件。

在具體教學(xué)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)一些教與學(xué)的問(wèn)題：

三維建模技術(shù)課程與工程圖學(xué)課程在時(shí)間安排上相差兩學(xué)年(見(jiàn)表1中獨(dú)立式教學(xué)模式的教學(xué)計(jì)劃與學(xué)時(shí)安排)，工程圖學(xué)課程中幾何實(shí)體的構(gòu)成分析和構(gòu)形分析、零部件二維表達(dá)方法、以及技術(shù)制圖的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和基礎(chǔ)知識(shí)等內(nèi)容已經(jīng)無(wú)法與三維建模的相關(guān)內(nèi)容結(jié)合起來(lái)。

由于受二維計(jì)算機(jī)繪圖內(nèi)容學(xué)習(xí)的影響，三維建模實(shí)踐中，草圖繪制過(guò)程中過(guò)分強(qiáng)調(diào)精確繪圖，對(duì)草圖約束或添加尺寸的重要性體會(huì)不深；特征與零件的概念混淆；三維建模過(guò)程中的特征組合模式與工程圖學(xué)課程中形體分析存在差異，同學(xué)們?cè)诰唧w的建模實(shí)踐中容易思路不清晰。

三維建模技術(shù)作為一門(mén)獨(dú)立課程，基本上是將具體三維造型軟件的操作和訓(xùn)練當(dāng)成工程圖學(xué)課程體系的現(xiàn)代化教學(xué)內(nèi)容的實(shí)現(xiàn)，實(shí)際上這還是“灌輸式”教學(xué)法的主導(dǎo)思想。課程主旨是教給學(xué)生一種計(jì)算機(jī)繪圖及構(gòu)形思路，但脫離了工程圖學(xué)基本內(nèi)容的學(xué)習(xí)過(guò)程，該課程也只起到了工程軟件的操作學(xué)習(xí)和訓(xùn)練作用。目前的現(xiàn)實(shí)情況是，機(jī)械相關(guān)專業(yè)學(xué)生的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)都在逐漸使用三維設(shè)計(jì)工具，如果二維計(jì)算機(jī)繪圖及構(gòu)形思路的學(xué)習(xí)在工程圖學(xué)課程教學(xué)中完成，而三維造型軟件的操作和訓(xùn)練則通過(guò)課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)，由學(xué)生查閱相關(guān)資料，進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，就可在較少的教學(xué)學(xué)時(shí)內(nèi)，達(dá)到自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐的效果。

除此之外，獨(dú)立式教學(xué)模式還存在以下分段式教學(xué)模式的問(wèn)題，鑒于在分段式教學(xué)模式中詳述，不再累述。

2.2分段式教學(xué)模式

與獨(dú)立式教學(xué)模式相比，分段式教學(xué)模式在課程設(shè)置上更加緊湊。計(jì)算機(jī)繪圖與三維建模都是計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)的方法。二者先后學(xué)習(xí)或并行學(xué)習(xí)，銜接緊密，具有一定的對(duì)比學(xué)習(xí)效果，使同學(xué)們明確二維計(jì)算機(jī)繪圖的主要目的和內(nèi)容是應(yīng)用計(jì)算機(jī)作為輔助工具，精確繪制二維工程圖，其中包含圖線、尺寸、文字、技術(shù)要求等。而三維建模課程的主要內(nèi)容是在淡化精確繪制草圖、強(qiáng)化草圖約束應(yīng)用、特征建模、輔助設(shè)計(jì)等。

教學(xué)中存在的問(wèn)題是工程圖學(xué)傳統(tǒng)內(nèi)容與現(xiàn)代CAD技術(shù)在名詞術(shù)語(yǔ)、理論方法、空間思維過(guò)程等方面存在差異。

工程圖學(xué)傳統(tǒng)內(nèi)容中二維圖形的尺寸標(biāo)注引出了基準(zhǔn)、定形尺寸和定位尺寸的概念。在三維建模中，二維草圖的“尺寸標(biāo)注”卻引入了尺寸約束的概念，同時(shí)增加了“幾何約束”的概念。工程圖學(xué)傳統(tǒng)內(nèi)容在形體分析中，將復(fù)雜立體視為基本立體的疊加和挖切，而在三維建模的立體構(gòu)成分析中，復(fù)雜立體是由拉伸特征、旋轉(zhuǎn)特征、掃掠特征等經(jīng)布爾和差交運(yùn)算而成。

有關(guān)基本立體的構(gòu)成理論中，工程圖學(xué)傳統(tǒng)內(nèi)容將基本立體分為平面立體和曲面立體：基本平面立體包括棱柱和棱錐，由棱面和底面圍成；曲面立體主要是以回轉(zhuǎn)體為主，由回轉(zhuǎn)面或回轉(zhuǎn)面與平面所圍成的立體，回轉(zhuǎn)面則是由一動(dòng)線(直線、圓弧或其它曲線)繞一定軸(直線)回轉(zhuǎn)一周形成的曲面。而在三維建模技術(shù)中，基本立體的構(gòu)成可由封閉圖形經(jīng)拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠和放樣所形成，見(jiàn)圖1。

空間思維過(guò)程存在不同。工程圖學(xué)中形體分析方法一般分為基本立體疊加和挖切，如圖2(a)所示立體，可以看成四棱柱1與四棱柱2疊加，再挖切三棱柱3形成，見(jiàn)圖2(b)所示。而應(yīng)用CAD的三維建模技術(shù)中時(shí)，此立體是由封閉圖形拉伸形成的特征構(gòu)成，見(jiàn)圖2(c)所示。圖3(a)所示立體，形體分析方法可以視為切去五部分形成的切割式組合體，見(jiàn)圖3(b)，而在三維建模中，以構(gòu)建四個(gè)拉伸特征的疊加為建模順序?qū)⑹乖摿慵慕＿^(guò)程更加簡(jiǎn)單，見(jiàn)圖3(c)。在具體的三維建模實(shí)踐中，圖3(a)所示立體采用疊加式構(gòu)建方式要比切割式簡(jiǎn)單、不易出錯(cuò)。

傳統(tǒng)內(nèi)容與基本CAD技術(shù)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一和前后呼應(yīng)將在教材編寫(xiě)、課件制作和課堂教學(xué)中引起足夠的重視。

2.3融合式教學(xué)模式

在取消了三維建模課程的工程圖學(xué)教學(xué)體系內(nèi)，簡(jiǎn)單的知識(shí)點(diǎn)堆砌無(wú)法完成CAD技術(shù)與工程圖學(xué)傳統(tǒng)知識(shí)的融合。融入法教學(xué)體系的建立必須以工程圖學(xué)教學(xué)體系的完整性為前提、以工程圖學(xué)

教育既定的能力培養(yǎng)為目標(biāo)、以圖學(xué)思維教學(xué)與訓(xùn)練為主導(dǎo)、以CAD建模思想為輔助手段。在具體的教學(xué)過(guò)程中，結(jié)合工程圖學(xué)基本知識(shí)點(diǎn)，將基本CAD應(yīng)用技術(shù)的概念和應(yīng)用思路作為輔助構(gòu)圖分析、圖形思維及圖形轉(zhuǎn)換的工具，借助CAD二、三維功能的操作性演示替代教師的手工黑板圖和具體題目的求解過(guò)程。同時(shí)結(jié)合軟件自身特點(diǎn)舉例，體會(huì)二維計(jì)算機(jī)繪圖與三維建模的內(nèi)涵，但這一教學(xué)過(guò)程的實(shí)施必須建立在思維輔助工具和現(xiàn)代化繪圖與設(shè)計(jì)思路掌握的層面上。

在圖學(xué)課程教學(xué)實(shí)踐中，所采用的融入式教學(xué)模式如下所述：

在基本立體投影分析時(shí)，進(jìn)行三維建模練習(xí)?；玖Ⅲw是建立復(fù)雜形體的基礎(chǔ)，因此在這一階段引入三維造型訓(xùn)練可以使學(xué)生初步掌握三維實(shí)體建模的方法，同時(shí)對(duì)立體概念有直觀的認(rèn)識(shí)。

基本體及截交、相貫線的形成原理及變化過(guò)程(圖4與圖5)，以及組合體的疊加、切割形成過(guò)程等，直接應(yīng)用CAD軟件的三維建模及布爾運(yùn)算的概念進(jìn)行操作性演示，代替課件(純演示性)或教師的黑板作圖，不僅可在極短時(shí)間內(nèi)對(duì)同一實(shí)例進(jìn)行展開(kāi)性舉例，使學(xué)生自覺(jué)地將數(shù)學(xué)概念與圖形幾何概念產(chǎn)生聯(lián)系對(duì)比，從而加深對(duì)構(gòu)形過(guò)程及形體識(shí)別的理解。

在制圖基本知識(shí)教學(xué)中，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)制圖的規(guī)定(圖幅、比例、字體、圖線)，等分線段、正多邊形畫(huà)法、圓弧連接、平面圖形的尺寸標(biāo)注和線段分析，均可打開(kāi)CAD繪圖軟件的相應(yīng)功能進(jìn)行對(duì)比介紹，達(dá)到從兩個(gè)方面理解課程內(nèi)容的目的。

在圖樣畫(huà)法的學(xué)習(xí)中，引入三維剖切、三維觀察器等工具，加深同學(xué)們對(duì)剖視圖畫(huà)法的掌握，并借助三維建模軟件直接生成二維工程圖的功能、擴(kuò)大同學(xué)們對(duì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件強(qiáng)大功能的認(rèn)識(shí)，并認(rèn)識(shí)到直接生成的二維工程圖與符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的二維工程圖的差異，同時(shí)了解計(jì)算機(jī)繪圖軟件和三維建模軟件的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，了解精確制圖基礎(chǔ)上的二維工程圖修改。

在標(biāo)準(zhǔn)件和常用件的學(xué)習(xí)過(guò)程中，結(jié)合三維軟件的標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)，介紹三維軟件的強(qiáng)大輔助功能。

在工程制圖實(shí)踐中結(jié)合徒手繪，輔助計(jì)算機(jī)繪圖和三維建模，使同學(xué)們實(shí)踐三維建模軟件完成部分零件模型和裝配模型，再由模型生成二維工程圖，將該二維工程圖導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)繪圖軟件中，進(jìn)行修改，直至符合工程圖要求的基本過(guò)程。達(dá)到應(yīng)用先進(jìn)輔助工具進(jìn)行工程實(shí)踐訓(xùn)練的目的。

在引入基本CAD技術(shù)的工程圖學(xué)課程體系中，必須清醒地認(rèn)識(shí)到，CAD內(nèi)容的引入需要縝密的課堂內(nèi)容設(shè)計(jì)，把握適時(shí)適量的原則，并堅(jiān)持以下原則：

在基本CAD技術(shù)與工程圖學(xué)教育的融合過(guò)程中，以工程圖學(xué)教學(xué)體系的完整性為前提、以工程圖學(xué)教育既定的能力培養(yǎng)為目標(biāo)、以圖學(xué)思維教學(xué)與訓(xùn)練為主導(dǎo)、以CAD建模思想為輔助手段。

不能因?yàn)檎n程體系中融入了基本CAD技術(shù)的內(nèi)容，而忽視或減少了徒手繪圖和手工繪圖的訓(xùn)練，必須使同學(xué)們建立正確的認(rèn)識(shí)。

三維造型技術(shù)的引入，使得課程講解變得更加直觀、生動(dòng)，但必須注意三維實(shí)例的適時(shí)適量引入，如在看組合體視圖的教學(xué)與練習(xí)中，過(guò)早或過(guò)多的引入三維實(shí)例，將不利于同學(xué)們空間構(gòu)想能力的提高。

在教學(xué)中不拘泥于個(gè)例的求解，可借助CAD三維環(huán)境良好的可視性和可操作性，突出解決問(wèn)題的思路和方法。

將基本CAD應(yīng)用技術(shù)引入工程圖學(xué)教學(xué)體系是必然趨勢(shì)。三種引入方式都促進(jìn)了工程圖學(xué)教育的改革與發(fā)展。獨(dú)立式與分段式教學(xué)模式在教學(xué)計(jì)劃安排上具有靈活性與實(shí)用性，卻容易陷入軟件操作學(xué)習(xí)的層面，無(wú)法應(yīng)用三維建模思想輔助畫(huà)圖、看圖以及空間思維能力的提高，而且要求的學(xué)時(shí)較高。主線式教學(xué)模式的引入，對(duì)工程圖學(xué)課程體系來(lái)說(shuō)是一次全新的徹底的改革，是圖學(xué)教育思想、理論和體系的變革，必須在充分準(zhǔn)備和縝密設(shè)計(jì)的前提下進(jìn)行，否則將達(dá)不到相應(yīng)的教學(xué)目標(biāo)。