楊放瓊，云 忠

(中南大學機電工程學院，湖南長沙410083)

工程圖學系列課程二維
——三維雙向式創(chuàng)新教學新體系改革研究＊

楊放瓊，云 忠

(中南大學機電工程學院，湖南長沙410083)

通過引入現(xiàn)代設計理念，在二維教學模式的基礎上，突出三維設計思想，將原有的以計算機三維實體造型為主線的工程圖學課程體系改變?yōu)楹窕A、重創(chuàng)新、強能力的工程制圖二維、三維雙向式創(chuàng)新教學課程新體系。實踐證明:該教學模式已取得了初步成效，具有一定的推廣應用價值。

工程圖學;雙向式;現(xiàn)代設計

一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

目前，隨著制造業(yè)信息化技術的加速，帶來了設計方式的巨大變革。以計算機輔助設計CAD為例，三維CAD設計制造技術的出現(xiàn)，不僅使直接進行三維設計成為可能，更是從真正意義上實現(xiàn)了以產(chǎn)品幾何模型為核心的CAD/CAPP/CAM一體化設計。隨著知識更新的加快，原本是研究生課程的CAX課程群正逐步向本科生課程轉(zhuǎn)移，并融入到機械系列課程的各環(huán)節(jié)。工程圖學課程作為該課程群的最基本單元，必須順應這一潮流的變化。同時，工程圖學課程是工科類學生的一門量大面廣的重要技術基礎課程，也是各高校都十分重視的一門主干課程。而由于傳統(tǒng)的工程制圖教學遠遠不能適應先進制造業(yè)的飛速發(fā)展的需求，工程圖學的教學改革一直是工科院校課程體系改革的主要內(nèi)容;反過來，工程信息化，產(chǎn)品設計數(shù)字化等先進制造技術也為工程圖學的發(fā)展提供了新的契機［1，2］。

目前存在著兩種不同的設計方法:一種是以二維為主、三維為輔的設計方法，這是一種由二維設計向三維設計過渡時期的設計方法;另一種是完全立體化、數(shù)字化的三維設計方法。面對現(xiàn)代工程的需求，國內(nèi)各高校都展開了該方面的研究［3，4］。而中南大學的教學模式可以分為兩個部分，第一部分將二維CAD繪圖與傳統(tǒng)的工程制圖相結(jié)合，并強調(diào)徒手草繪能力的訓練;第二部分將三維實體造型與學生綜合實踐相結(jié)合，采用Pro/E軟件，在二年級機械類學生中進行，著重培養(yǎng)學生的實體造型與創(chuàng)新能力。

國外高校在該課程的改革研究方面的做法是［5］:1)美國的一些高校近年來加強了徒手草圖以及三維建模的教學內(nèi)容。例如，弗吉尼亞州立大學《工程圖學》的教學大綱中，有關二維的內(nèi)容為畫軸測圖、用繪圖軟件畫二維圖;三維內(nèi)容為用Solidworks生成零件實體模;三維—二維的轉(zhuǎn)換內(nèi)容為由實體模型生成二維圖等。美國國家先進制造協(xié)會建議教育界應提高學生的二維讀圖能力以及三維實體造型與形體表達能力。2)根據(jù)1995年12月由日本設計工程學會發(fā)起的“工業(yè)界對大學設計制圖的期望”的147個公司返回的問卷調(diào)查，日本武藏大學的平野重雄和東京大學的鈴木教授提出了他們對二維與三維在工程圖學中關系的看法。他們的結(jié)論是:(1)必須掌握制圖基礎和制圖技能;(2)具備快速表達自己設計思想和圖形的能力;(3)手工繪圖對發(fā)展學生的空間想象能力和創(chuàng)新能力很有用;(4)要把手工繪圖和CAD二者結(jié)合起來，沒有手工繪圖的基礎就不會掌握CAD;(5)三維CAD時代正在快速走來，它使傳統(tǒng)設計與繪圖的思想、內(nèi)容與方法都發(fā)生了變化，現(xiàn)在是討論三維CAD教育的目的與內(nèi)容的最好時候。

綜合目前國內(nèi)外的現(xiàn)狀，特別是我國的國情，各地區(qū)、各行業(yè)間的差異很大，完全改變工程圖的設計模式，用三維取代二維還是不現(xiàn)實的，工程圖學中要正確把握二、三維的關系，既不要保守，也不要冒進?；趯δ壳皣鴥?nèi)外現(xiàn)狀的分析及專家的看法，作者提出了面向現(xiàn)代工程的二維—三維雙向式的工程圖學教學模式，以適應新形勢下機械類人才培養(yǎng)的目標和要求。

二、《工程圖學》系列課程教學新體系的基本內(nèi)容

面向機械類專業(yè)的機械制圖課程包括工程制圖和機械制圖綜合實踐，工程制圖課程以二維為主，包括制圖基本知識和理論、機械圖的繪制、計算機繪圖、徒手繪圖等;而機械制圖綜合實踐課程著重于工程測繪、草圖繪制等動手能力的培養(yǎng)，測繪對象為齒輪減速箱，有求學生繪制所有的零件草圖并拼畫出裝配圖。由于工程制圖課中已涉及到測繪齒輪油泵的內(nèi)容，因此，擬將機械制圖綜合實踐課程內(nèi)容進行改革，以三維構(gòu)型為主，由三維圖生成二維工程圖;而工程圖學課程以二維為主，加入三維實體構(gòu)型初步的內(nèi)容，形成由二維到三維，再由三維到二維的雙向教學，使學生既能掌握由零部件到工程圖的轉(zhuǎn)換，完成設計的過程，又能實現(xiàn)由工程圖到具體的零部件的轉(zhuǎn)換，從而能夠校驗設計過程的合理性，理解設計的過程是一個不斷反復、不斷優(yōu)化的過程，以符合現(xiàn)代工程設計的需要。經(jīng)過幾年的改革實踐，將原有的以計算機三維實體造型為主線的工程圖學課程體系改變?yōu)楹窕A、重創(chuàng)新、強能力的工程制圖二維——三維雙向式創(chuàng)新教學課程新體系。

(一)基于傳統(tǒng)工程圖學課程改革與學生空間思維構(gòu)型能力培養(yǎng)——厚基礎

對大學一年級的學生，重點培養(yǎng)其空間想象能力，讀圖、繪圖能力，計算機二維繪圖能力。針對學生入門難的特點，從三維入手，逐漸建立三維與二維的對應關系，由淺入深、循序漸進，又由于時間關系，以及畢業(yè)設計反饋信息表明，學生二維繪圖能力不太強，因此，計算機三維繪圖為輔，重點培養(yǎng)其二維繪圖、讀圖能力。適當削減復雜相貫、標準件等內(nèi)容，加強構(gòu)型設計、徒手草繪、工程設計能力的培養(yǎng)，特別是增加模型測繪，培養(yǎng)學生掌握零部件的拆裝、結(jié)構(gòu)、測量、公差等概念及其圖形表達、標注的方法。

(二)基于綜合創(chuàng)新實踐課程改革與學生工程設計能力、團隊協(xié)作能力培養(yǎng)——重創(chuàng)新

對大學三年級的學生，重點培養(yǎng)其計算機三維構(gòu)型設計能力和創(chuàng)新能力。采取項目組的形式，學生自由組合進行創(chuàng)意設計，給出開放性的設計主題，由學生自主進行產(chǎn)品開發(fā)前期的調(diào)研，項目的組織管理，以及具體的設計、建模、虛擬設計與裝配工作。每個學生完成各自的零件草圖的繪制以及Pro－E三維造型，并在小組內(nèi)進行虛擬裝配，并生成二維工程圖。使學生在由部件到零件、零件到部件的過程中不斷完善設計方案，實現(xiàn)由二維到三維，再由三維到二維并行的雙向式教學。具體內(nèi)容如圖1所示。

圖1 綜合創(chuàng)新實踐課程體系

(三)基于畢業(yè)設計的綜合運用能力的拓展——強能力

對大學四年級的學生，重點培養(yǎng)其綜合運用能力。副教授以上的老師結(jié)合自己的科研課題，利用三維建模技術、可視化技術、虛擬現(xiàn)實技術等指導畢業(yè)設計，形成了一個可以不斷反饋、不斷改進教學效果的良性循環(huán)課程體系。

三、具體實施

(一)采取的具體措施

1.自由分組和開放式選題

通過自由分組和開放式課題選擇，促使學生獨立思考、觀察生活、積極收集信息、相互討論，博采眾家之長，有利于培養(yǎng)互幫互助、協(xié)同合作精神。

2.項目設計

要求在一定時期內(nèi)完成相應的設計項目，撰寫中英文說明，促使學生熟練掌握Pro/Engineer，AutoCAD等計算機輔助設計軟件;通過文獻檢索、中英文閱讀以及歸納總結(jié)，不斷提高自學能力。

3.公開答辯

通過公開的設計答辯環(huán)節(jié)讓學生將自己設計的作品展示在老師和同學面前，并回答老師和同學的提問，進而提高他們的學習能力，增強自我認識、自我體驗、自我評價的能力;同時讓老師更全面地了解學生和診斷自身教學中存在的問題，以便幫助、督促學生更快地進步［6］。

(二)實施效果

學生們在教師的指導下，采用 Pro/ENGINEER、Inventor、Solidworks等設計工具，對機械產(chǎn)品、日常用品等進行了三維數(shù)字建模設計，極大地促進了三維設計方法在我校的推廣及應用。2006年7月9日，由湖南省高等院校機械設計研究會和湖南省高等院校機械原理教學研究會主辦，中南大學機電學院承辦的“山河智能杯”第二屆湖南省大學生機械創(chuàng)新設計大賽成功舉行。2008年劉舜堯老師指導的“福娃爬桿清潔除冰智能機器人”學生創(chuàng)新作品獲國家級一等獎;2006年云忠老師指導的學生作品獲第二屆大學生機械創(chuàng)新設計大賽國家一等獎1項、省級二等獎2項;2009年，中南大學機電專業(yè)被劃為全國第一批創(chuàng)新型高級工程人才試驗班(4+1+1)，體現(xiàn)了我院在探索創(chuàng)新型高級工程技術人才培養(yǎng)道路上“敢為人先”的改革精神。

四、結(jié)語

1.引入現(xiàn)代設計方法與理念，即設計過程為部件—零件—部件間不斷完善、不斷優(yōu)化的過程，從設計對象的整體出發(fā)，將傳統(tǒng)的零件—部件的教學順序改為部件—零件—部件，將傳統(tǒng)獨立的機件表達方法融入零部件圖樣表達之中，實現(xiàn)從三維到二維，再從二維到三維的雙向教學。

2.突破了傳統(tǒng)教學模式，加強課程的綜合性、實踐性，實現(xiàn)工程圖學與機械工程訓練基礎等相關課程的銜接與整體優(yōu)化。

［1］馬彩祝，謝 堅.畫法幾何，何去何從［J］.工程圖學學報［J］.2008，29(6):144－148.

［2］袁寶民，閆成新.面向現(xiàn)代工程中兩種設計方法的工程制圖教學改革［J］.工程圖學學報，2006，(4):138－143.

［3］焦永和，張彤，陳軍，等.第7次普通高等學校圖學教育現(xiàn)狀的調(diào)查與研究［J］.工程圖學學報，2009，(3):068－072.

［4］童秉樞，易素君，徐曉慧.工程圖學中引入三維幾何建模的情況綜述與思考［J］.工程圖學學報，2005，(4):131－135.

［5］舒宏，胡清泥，高菲.中日機械制圖教材的比較及對教學改革的啟示［J］.工程圖學學報2005，(1):166－171.

［6］云忠，王艾倫.基于創(chuàng)新大賽的機械工程拓展型人才培養(yǎng)模式的研究與實踐［J］.高等教育研究學報，2010，(9):116 －120.

2011－05－03

湖南省高校教學改革研究項目(湘教通［2010］243號)

楊放瓊(1966－)，女，湖南長沙人，副教授，博士。