基于三维造型的工程制图教学改革

摘 要：本文通过研究目前工程制图课程教学中存在的三个突出问题,对如何将三维造型引入工程制图的课堂进行了探讨,进一步提出了基于三维造型的工程制图教学改革的四个重点方法,以期能够为“卓越工程师”的工程制图教学改革提供有益的帮助.

关 键 词：三维造型工程制图教学改革卓越工程师

一、工程制图课程教学中存在的突出问题

1.工程制图课程教学与工程设计需要的制图技能存在较严重的脱节问题.

现行的传统工程制图偏重于点、线、面构造形体的教学模式,有利于学生理解和读懂二维图形的来龙去脉,却往往忽视了实体的整体性.工程设计往往从“体”的角度进行技术设计,在制图技能方面主要依据实体的制造工序进行工程测绘、制图、标注和设定技术要求等.现行的工程制图教学内容对体的形成、造型和实体加工等涉及甚少,与工程设计实践存在比较严重的脱节.

2.工程制图（机械类）课程教学中存在教学要求高而学时短、理论学时多而实践学时短、课外耗时多而效率不理想等矛盾.

机械制图是机械行业的技术性文件,被称为工程界的语言.工程制图作为机械类必修的专业基础课程,是后续机械各专业基础课程和专业课程的前续基础课程,该课程的教学效果将严重影响其他机械专业课程的教学效果.减少课程教学学时是不可逆转的教学改革趋势.由于该课程本身具有教学量大、内容抽象复杂、不易被学生接受等特点,现有的学时仅仅能用于理论教学,很难抽出足够多的学时用于实践性训练.该门课程是我国机械类大学生接触的第一门实践性很强的专业课程,只有通过大量的训练才有可能掌握该类课程的基本知识和技能.因此本门课程的课外作业量大（估计是所有理论课程作业量最多的课程之一）,消耗了学生大量的课外时间,而效果却不是很好.

3.工程制图课程内容抽象、不易被接受.

该门课程需要二维与三维之间相互转换,对部分空间思维和形象思维较差的学生而言有较大的难度.大部分学生习惯于长期以来形成的数理逻辑思维及学习方法,对几何图学所需的形象思维及学习方法感到陌生,并且不大适应.每个班级总有部分学生在课程的后半部分对该门课程产生恐惧、厌学甚至放弃的情况.

二、将三维造型引入工程制图教学改革的探讨

清华大学童秉枢教授对三维造型引入工程制图教学改革过程中的几种论调进行了总结对比[1]：（1）有的主张从三维模型入手,直接建立从体到图的教学体系[2]；（2）有的主张坚持工程图学教育的基本内容[3]；（3）有的认为工程制图课程转移到以三维设计为中心是必然趋势,但二维工程图依然必不可少[4].

本文认为应在教学改革实践的基础上,结合应用型本科工程人才培养目标和培养方案,逐步融合式地引入三维建模的方法和技能,在三维造型的教学方面着重介绍三维造型的基本原理（如实体几何构造法、形体集合运算等）、基本方法、造型过程和实体仿真加工过程.通过对简单组合体、较复杂零件、装配体的三维构形与建模演示,促进学生理解体的形成过程、实体加工过程,逐步培养学生的空间思维能力和工程实践意识.

三、基于三维造型的工程制图教学改革重点

1.运用“体”的形象弱化“图”的抽象.

工程制图中“体”与“图”存在某种对应关系,传统的画法几何过于注重“图”的局部（如点、线、面）等,不利于帮助学生建立“体—图”的整体性对应关系.以致部分学生画图和读图时拘泥于“线”,难以形成“体”的真实概念.运用三维造型能帮助学生建立“体”的概念,利用“体”的形象加深理解其对应的“图”.

三维造型是基于特征的实体模型化系统,利用三维造型软件（如PROE软件）等能够提供形象的立体图形及图形的形成过程.比如在工程制图中,截切和相贯的形成过程及形成后的截交线和相贯线非常抽象,不易被学生接受,其二维图形比较难理解.此时可以利用三维图学帮助学生理解和掌握这类抽象的立体.图1为PROE软件生成的截切立体图形,图2为AutoCAD生产的截切平面图学.对初学者而言,图2的图学较为难懂,但通过图1的形象化之后,就比较容易掌握.

图1圆柱体截切的三维图

图2圆柱体截切的二维图

2.利用“三维造型”过程影响“二维图形”的形成过程.

利用三维造型对“体”的造型过程演示,可以强化学生对“图”形成的理解.二维“图”的绘制、阅读和尺寸标注的过程与“体”的造型过程存在高度一致,三维造型的过程演示能帮助学生深入理解二维图形操作的规范步骤.

三维造型软件画图过程是以形体为基本单位操作的,画图过程往往反映了形体的形成过程,能帮助学生理解形体分解的过程和形成的过程.

比如利用三维造型软件绘制组合体,其三维图形的画图步骤能反映出该立体的形成过程.这样学生就能比较容易地理解立体的形体分解方法,并按照形体分解的步骤作图.比如图1中的三维图形的作图步骤为：先画大圆柱体,再画长方形槽,最后画圆孔.学生通过三维造型的步骤就能够掌握该立体的形成过程,也就很容易按照这一过程进行二维图形的绘制,因而容易掌握工程制图中的重要作图方法——形体分析法.

3.将ProE三维模型导入多媒体课件.

结合我校卓越工程师计划的教学内容改革,在现有多媒体课件的基础上,引入“体”的三维造型及其仿真加工,加深学生对“体”与“图”的形成过程的理解,培养学生的工程实践意识和相应的制图技能.利用三维造型的形象特点,弱化“图”的抽象性,培养学生的学习兴趣,提高教学效率.尝试将三维造型用于工程制图教学中,利用ProE软件实现三维造型及仿真加工过程,帮助学生理解造型过程和加工过程,提高学生的学习兴趣和接受效率,从而大大增强本门课程的教学效果.

4.通过三维造型及其仿真加工实现“体”的加工与“图”的形成融为一体.

传统的画法几何侧重于“体”的几何特性,忽略了“体”的加工特性.这容易导致学生从纯粹立体几何的角度学习本门课程,忽略了本门课程具有较强的工程实践性.利用ProE的仿真加工功能模拟生产实践的加工过程,能帮助学生理解“体”的加工过程,培养学生的工程意识,有利于学生从工程设计的角度理解制图知识,从加工实践的角度锤炼制图技能.

比如在图1关于圆柱体截切的图例中,该立体的三维造型过程与工程的实际加工过程相对应,如表1所示.

表1三维造型与加工工序对应表

从上表可以看出,三维造型与零件的加工工序存在紧密的对应关系,因此,通过应用三维造型软件能够帮助学生了解零件的实际加工过程,建立工程概念,增强卓越工程计划所提出的工程实践能力,提高综合知识水平.

四、结语

采用三维造型软件的三维造型和仿真加工功能,并用于多媒体课件的制作过程中,能帮助学生理解立体的空间形状和形成过程,了解零件的加工过程和装配过程,增强教学效果.以上研究是对如何加深学生对工程实践知识的理解、强化学生工程意识、提高学生工程实践能力的探索性尝试.这些研究将会促进理论教学与工程实践的结合,有利于培养具有综合知识和综合能力的“卓越机械工程师”.