王運巧　劉靜華

[摘 要]北京航空航天大學國際學院留學生班的工程圖學中英文教學改革，是全面整合三維CAD技術的工程圖學國際化教學改革實踐。學生在掌握CAD三維建模、裝配的基礎上，理解工程圖的作用和標準規(guī)定，同時加強草圖練習。在制圖標準介紹中，引入ASME標準中基于模型的數字化定義（MBD）概念，對傳統工程圖中常見表達方法和MBD模型中的替代表達方法進行對比和分析，包括幾何信息定義和非幾何信息定義，視圖表達和尺寸標注，形成了CAD三維建模、裝配、工程圖和徒手草圖并重的教學模式。

[關鍵詞]工程圖學；國際化；CAD；MBD

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）03-0020-04

北京航空航天大學國際學院的工程類留學生，分為中文授課和英文授課兩個班。在2012年以前，留學生工程圖學教學基本和中國學生同步，但教學管理中存在著諸多問題。隨著招生規(guī)模的擴大，2012年學院對留學生教學計劃進行了較大的調整，其中工程圖學課從原來的兩學期94授課學時，減少到一學期54授課學時。同時，學院也給予了主講教師更大的自由，在滿足前后課程銜接要求的基礎上，教師對課程體系、教學內容和授課方法可以進行最大限度的改革。在這樣的背景下，在學校教改項目 “面向留學生的工程圖學教學改革研究”的支持下，課程將三維CAD技術全面融入工程圖學，在工程圖標準階段，大膽引入基于模型的數字化定義概念。通過不斷地摸索和調整，經過兩輪的教學實踐，我們最終形成了CAD三維建模、裝配、工程圖和徒手草圖并重的新的教學模式。

一、國內圖學教學現狀與留學生課程需求間的差異

工程圖學課程是工程類學生的專業(yè)核心課程，傳統的教學內容主要包括畫法幾何和機械制圖兩部分。計算機技術的迅猛發(fā)展對圖學課的沖擊是巨大的，它首先是造成了學時的削減。出于后續(xù)課程要求、業(yè)界對畢業(yè)生工程制圖能力的要求等方面的考慮，課程仍是以投影法為基礎，雖然多數教學改革已減少了點線面部分內容，但投影訓練、視圖表達及國標規(guī)定仍是該課程的核心內容。其次，計算機二維繪圖和三維建模內容也不可避免地占用了部分授課學時。在這種狀況下，即使有現代化教學手段輔助教學，完成教學計劃仍是非常緊張，這也造成了學生在計算機房和制圖教室轉換間的困惑，教學效果不盡如人意。

面向留學生的工程圖學教學上述問題更為突出。相比中國學生，留學生在語言基礎、計算機應用能力上的差異更大。以北航國際學院留學生班為例，學生為一年級工程類學生，不分機類和非機類，課程總學時為54學時，4學分。由于學生對CAD軟件的認知和掌握程度參差不齊，且沒有附加的相關課程作為補充，要在這樣短的學時內讓學生掌握工程設計表達方法，并應用于后續(xù)課程，滿足業(yè)界要求，對現有教學內容和教學模式的改革就必須有更大的突破。

二、重構基于CAD的工程圖學課程體系

重構課程體系，要跳出現有框架的束縛，回歸到工程圖學課程的本質上來?，F階段工程圖學課程的基本任務仍然是培養(yǎng)4個能力：構形、表達、讀圖、制圖。每個能力中既有對二維能力的要求，也有對三維能力的要求。[1]課程的根本目的是培養(yǎng)學生的工程設計表達能力，圍繞這一核心制定教學培養(yǎng)目標，規(guī)劃內容安排，反映業(yè)界需求和現代科技進步。

課程具體內容包括計算機建模、裝配和投影制圖、視圖表達、尺寸標注、草圖繪制、構形訓練。課程的學習目標[2]確定為：用規(guī)定的CAD軟件（Solidworks）進行建模、裝配和投影制圖的能力；培養(yǎng)空間想象力；工程圖表達的國家標準規(guī)范；閱讀工程圖；徒手草圖繪制。課程總體安排見表1。

三、完全融合三維CAD的教學模式

經過多年改革實踐，國內院校在將三維CAD融入工程圖學方面基本形成了三種模式[3]： 以三維造型整合課程內容體系；三維造型與二維繪圖并重；基本保持原制圖課內容，單獨介紹三維造型軟件。張京英的論文中提到北理工教改的三種模式時將其形象地稱為“外掛式、分段式和融合式”[4]，并就三維造型技術與工程圖學有效地融合進行了論述，課程安排是在學生學習了用形體分析法讀畫組合體視圖之后引入三維造型設計技術。教學仍以掌握投影制圖為重點，三維造型為輔助工具。

在本項目教學設計中，不論手工繪圖或計算機建模，都是從三維形體入手，整個課程學習都圍繞“形體表達”這一概念，將二維投影圖作為和三維模型同等的表達方法介紹。通過大量高密度的形體構成訓練，讓學生學習徒手繪制形體草圖。在這一階段，學生繪制的圖形是不規(guī)范的，其主要目的是構形練習。構形練習把空間想象、構思形體和表達三者結合起來。這樣既能發(fā)展學生的空間想象力、開拓思維， 又能提高學生的畫圖、讀圖能力， 培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和開發(fā)創(chuàng)造能力。[5]同時引入CAD三維建模技術，可以進一步加強學生對形體構成的理解，讓學生對常見實體構成方法，如拉伸、旋轉、疊加、切割、放樣、抽殼，在Solidworks中進行練習，以體會形體構成過程。

在三維構形練習的基礎上，提出形體表達規(guī)范化和國標的概念。通過讓學生在Solidworks中觀察形體的各個視圖投影，引入Monge的直角投影概念，讓學生了解其存在的歷史必然性，圖學表達的歷史現狀，討論直角投影制圖為何在將來很長時間仍會是形體表達的重要手段。而由三維CAD模型的投影引入二維工程圖，將二維工程圖視為三維模型表達的一部分，可使學生認識到即使在三維數字模型表達的階段，二維投影圖也是重要的表現形式。這一階段進行二維投影訓練、形體尺寸標注練習、國標介紹、視圖表達方法、裝配圖，所有訓練都是和Solidworks三維建模、裝配、投影、工程圖和尺寸標注練習同步進行，這能讓學生對三維到二維的轉換過程有更具體直觀的認識。在相關制圖國標介紹的同時，介紹ASME Y14.41中關于基于模型的定義方法，讓學生了解三維模型表達方法的先進性，同時也讓學生了解其目前存在的局限性，三維模型和二維工程圖互為補充的現狀。

四、課程中的國標介紹和MBD概念

教學圍繞“形體表達”這個核心展開。如何表達工程中的三維形體，投影制圖是其中的一種方法。這種方法自Monge創(chuàng)建投影法以來，已經沿用超過200年。工程圖長期以來一直是唯一的指導生產的技術文件，其形成了一套完整有效的標準。課程介紹了最基本的制圖標準，并針對留學生的具體需求，加強了第一分角和第三分角投影轉換的訓練。

以畫法幾何為基礎的二維工程圖表達，正是以二維準確定義三維，以平面的圖紙表達空間形體乃至加工制造需求。二維工程圖的出現是當時社會的發(fā)展需要，也是與當時的科學技術和生產力水平相適應的。

基于數字模型的定義（Model Based Definition，MBD），是另外一種表達方法。隨著三維建模技術的日趨成熟，以數字模型完整準確定義三維產品成為可能。由于在通常的CAD系統中，所建立的產品數字化模型僅是三維幾何模型，而制造工藝信息還在二維圖紙上。這樣僅依據三維幾何模型往往難以進行產品的生產和檢驗。三維模型雖然包含了二維圖紙所不具備的詳細幾何形狀信息，但三維模型中卻不包括尺寸和公差的標注、表面粗糙度、表面處理方法等僅靠幾何形狀而無法表達的（非幾何）信息，或軟件提供的相關標注工具尚不標準化。這些是學生在用Solidworks建模過程中可以體會到的。

許多國家因此而制定或正著手制定一些關于MBD的相關標準。其中美國機械工程師協會頒布的數字產品定義規(guī)范（ASME Y14.41 Digital Product Definition Data Practices）是基于模型定義MBD的基本規(guī)范要求的基礎，于2003年被批準為美國國家標準，和其他現行ASME標準（如ASME Y14.5M，尺寸和公差標注）共同使用，其特別定義了關于產品數字化定義或數字化格式的圖樣標準的一些特殊的和附加要求。[6][7]

ASME Y14.41規(guī)范制定始于業(yè)界頂端航空制造業(yè)，以波音公司數年數字化制造經驗為基礎，對于以航空為特色的院校學習更為適合。因此，課程關于MBD的標準介紹基于這一標準。標準支持兩種應用方法[8]：僅使用三維模型的完整產品定義方法，及模型和二維工程圖結合的產品定義方法。標準首先討論這兩種方法的共同要求部分，然后分別敘述兩種方法的各自要求。MBD規(guī)范內容繁雜，雖然和二維工程圖標準對照提出，但要全部在課內介紹仍不現實。另外，對符合MBD規(guī)范的復雜軟件如CATIA的掌握，要學生在54學時的課程內學會也是不可能的。因此，除了MBD概念和ASME Y14.41標準的基本內容介紹外，這部分主要實現的是Solidworks的基礎三維標注練習。在讓學生了解這一新的工程定義的標準同時，也要讓學生認識到目前MBD技術的局限性，例如在三維模型中，關鍵部位的放大圖和剖面圖等傳達設計意圖的手段仍存在不足，缺乏在二維工程圖中靈活而合理地表達方法，而相關標準仍在不斷發(fā)展完善之中。

五、教學實踐中的問題解決

（一）教學方式設計

對教師來說，雖然已經最大程度刪減了點線面投影和圖解法等內容，但要在54學時中讓學生掌握工程圖和三維建模內容，這對教師來說仍是一個巨大的挑戰(zhàn)。要實現教學目標，必須在教學方式、學時安排上采取新的舉措。課程改革在以下幾個方面做了有益的嘗試。

1.三維CAD軟件學習

課程CAD部分要掌握零件建模、裝配建模和工程圖技術。Solidworks提供的建模工具很多，課堂講授不可能一一演示和練習具體操作。而以建模的設計意圖為主，和構形練習結合，能讓學生掌握常見的工程形體生成方法和參數化建模概念，讓學生能知其然并知其所以然，舉一反三，無論是遇到軟件升級或改用其他CAD工具，都能較快掌握。

由于學生來自不同的國家和地區(qū)，其計算機基礎參差不齊。課堂講授除了基本內容外，教師還要對學生要掌握的內容和檢查方式提出明確要求，并定期課上考查。一般來說，課下學生自主學習和向助教答疑的時間遠遠超過課上的教學時間。

2.強調徒手繪圖能力

徒手草圖是工程師迅速捕捉設計意圖，和他人交流討論的最便捷的表達方式。在三維建模越來越受到重視，二維工程圖日漸式微的今天，徒手草圖作為的工程師的快速交流語言，越過尺規(guī)和鼠標屏幕的限制，重新回到圖學教育的前臺，成為工程專業(yè)學生的必備技能。

學生徒手繪圖的基礎和計算機操作技術一樣，因人而異，差別巨大。一些在大學以前就接受過比較規(guī)范的訓練，部分學生這方面的基礎基本為零。徒手繪圖的練習強調“形體表達”的工程性，對筆觸、線條、真實感等不作要求?？梢詫⒋罅康耐绞至Ⅲw圖、平面投影、零件圖表達練習和三維建模結合進行。

3.實例貫穿始終

由于課上學時緊張，我們對講授實例設計采取了反復應用的措施。同一個實例貫穿一系列內容始終：三維和二維、CAD和手工繪圖、零件圖練習和裝配圖練習，都盡量采用同樣的形體，減少學生課上的理解時間。這也需要對實例精心設計，力求具有代表性。如圖1所示的簡單形體，應用于構形練習、徒手立體草圖、二維草圖、剖視表達方法、二維尺寸標注、三維建模、三維尺寸標注等階段。而圖2所示的裝配體，適合其中各零件在尺寸標注、零件工程圖表達、零件建模、裝配建模、裝配圖階段采用。

4.分組合作，培養(yǎng)團隊精神

課程開始幾周后，班級內的學生彼此相對熟悉，從零件表達方式開始，可將學生分成3-4人的小組，這樣便于課上討論問題，課下完成作業(yè)，在CAD學習方面也可以互相幫助，在裝配建模部分實現分工合作，提高學習效率，增強學生的合作意識和團隊精神。

（二）教學形式和考核方式

教學全部安排在學校的CAD中心機房進行，2學時和4學時交替。同時，學生每次課也必須攜帶基本繪圖工具。課堂上除講授外，還進行快速徒手草圖的練習和讀圖建模練習，教師隨時檢查學生操作和完成進度。尺規(guī)繪圖都安排在課下完成。

考核方式為平時作業(yè)結合計算機建模上機考查，以及期末閉卷筆試三個部分，三部分基本是3∶3∶4的比例。

（三）教學改革實踐效果及仍待解決的問題

新的工程圖學教學課程在北航國際學院留學生中文班和英文班各經歷了兩輪完整的實踐，期間對二維和三維表達比例、內容設計、學時安排、考核方式都不斷調整，最終形成了如表1所示的較為完整的教學體系。學生經過本課程的學習，掌握了規(guī)范的工程圖基本表達方法，三維CAD建模和裝配技術；教師實現了既定的教學目標，滿足了后續(xù)課程的要求，取得了滿意的教學效果。

實踐也凸顯了新的教學模式仍存在一些未能解決的問題。首先是由于受到學生基礎和學時的限制，講授實例和作業(yè)設計都相對簡單，學生對更復雜形體的掌握不夠，未能更多地體現航空特色。另外，構形訓練從三維入手，從三維到二維的轉換練習較多，而從二維投影重構三維形體的讀圖能力培養(yǎng)不夠。這些問題的解決一方面有賴于培養(yǎng)計劃調整、學時安排改進和學生基礎的提高，另一方面也需要進一步考慮調整教學模式、重新設計教學內容，優(yōu)化與整合教學環(huán)境和資源，將教學改革繼續(xù)推進。

六、總結

在數字模型定義方法日益成熟并逐漸標準化的今天，工程圖學課程內容體系應如何變化，應如何正確處理投影理論、二維表達與三維數字模型之間的關系，如何加強學生的徒手草圖交流能力，貫徹最新制圖標準，很多圖學教師都在教學改革中多方努力，以求回答這些問題。借助北航國際學院留學生教學給予的改革空間，希望本文提出的全面整合三維CAD技術的工程圖學教學實踐經驗，能成為各位教師取得更大突破的他山之石。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 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）：130-135.

[2] 羅會甫，焦永和.基于參數化造型設計及表達的工程制圖國際化教學實踐[J].圖學學報，2013（2）：136-140.

[3] 焦永和，張彤，陳軍，董國耀.第7次普通高等學校圖學教育現狀的調查與研究[J].工程圖學學報，2009（3）：169-172.

[4] 張京英，羅會甫，張彤，焦永和.三維造型設計與工程圖學的有效融合[J].工程圖學學報，2010（6）：151-154.

[5] 陳錦昌，陳亮，張瑞秋，陳熾坤.基于構型設計的工程制圖課程中設計環(huán)節(jié)的探索[J].工程圖學學報，2013（1）：105-110.

[6] 范玉青，梅中義，陶劍.大型飛機數字化制造工程[M].北京：航空工業(yè)出版社，2011：312-354.

[7] 巫鵬偉，盧鵠，于勇，周秋忠，范玉青.工程師的新語言——基于模型的定義[J].航空制造技術，2010（21）：68-71.

[8] ASME Y14.41-2003， Digital Product Definition Data Prac？鄄tices [S].

[責任編輯：陳 明]