羅玉元

（紹興文理學院　元培學院，浙江　紹興312000）

基于AutoCAD三維建模的工程制圖教學方法研究

羅玉元

（紹興文理學院元培學院，浙江紹興312000）

目前獨立學院工程制圖教學存在不少問題。在分析問題的基礎上，提出了基于AutoCAD三維建模的輔助教學方法。在教學實踐中，調整了教學內容和順序，將工程制圖與計算機繪圖進行深度融合，交叉應用。實踐證明，這種方法能激發(fā)學生的學習興趣、提高教學效率、增強教學效果。

工程制圖；三維建模；AutoCAD；教學方法；課程改革

工程制圖 （非機械類，不含土木工程，下同）作為工程界的通用語言，是大多數工科專業(yè)必修的技術基礎課，是培養(yǎng)高級工程技術人才的工程學科入門課程，擔負著培養(yǎng)學生空間思維與想象能力、實際動手能力及基本工程素質的重任。

工程制圖相對于機械類制圖課程，內容相差不多，但學時數只有一半左右，課內難以安排學生在制圖室利用模型進行繪圖訓練。這種狀況下，如何才能較好地完成教學任務，實現(xiàn)預定目標，已成為眾多院校進行本課程改革的動因［1-5］。

一、工程制圖課程教學體系的現(xiàn)狀分析

（一）教材內容的安排不符合認知規(guī)律

傳統(tǒng)的工程制圖教學內容側重于二維手工繪圖，畫法幾何部分所占比例較大?；旧鲜菑目臻g物體的點線面投射到三個兩兩垂直相交的平面上的投影圖形的分析入手，再通過展開在同一平面上的三個投影之間的關系來建立空間概念。由于學生日常生活中大量接觸的都是立體，要將平面上的二維圖形與這些立體建立對應的關系，需通過大腦進行 “翻譯”。但這一過程違背了認識論從感性認識到理性認識的基本規(guī)律，往往給學生造成困惑，需要借助其他手段來輔助認知和加深理解。

隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，多數企業(yè)實施了 “甩圖板”工程，手工繪圖已逐漸淡出加工制造領域，計算機繪圖代替手工繪圖已經成為一種發(fā)展趨勢。為適應這一變化，一些教材增加了計算機繪圖部分 （主要是二維圖繪制，個別教材對三維造型做了簡要介紹）［6］，但大多是獨立成篇，單獨開課，與工程制圖內容基本脫節(jié)。

此外，針對非機械類學生的工程制圖，現(xiàn)有教學體系過于偏重圖形學理論和機械圖形的表達，缺乏具有專業(yè)特色的內容，因而在一定程度上影響了學生的學習興趣和積極性。

（二）教學條件無法滿足要求

在精英教育時代，學生大多是小班上課（一般不超過50人），學生有較多的時間和機會在課堂上與教師交流互動，并且安排了相當多的模型繪圖環(huán)節(jié)來增強學生的空間想象力和識圖能力。隨著學校擴招，各高等院校特別是獨立學院由于師資、教學設施等的限制及教學成本等方面的考慮，現(xiàn)在大多數獨立學院的工程制圖課程教學班都在80～90人。以紹興文理學院元培學院為例，需開設制圖課程的班級除機械、土木類每年6-8個教學班以外，自動化、電子信息和紡織工程等專業(yè)每年也在8-10個教學班。按現(xiàn)有制圖教師工作量，不可能實行按自然班授課的小班化教學。相對于機械類制圖課程，由于學時數少，學生多，難以課內安排學生在制圖室利用模型進行繪圖教學。即使課時和制圖教室條件允許，模型的種類和數量有限，學生人手一個模型也難以做到。

此外，大多數學校資深的制圖教師，對計算機繪圖不是特別熟悉，往往將計算機繪圖部分交給年輕教師講授。而對計算機繪圖比較熟練的年輕教師，卻往往對工程制圖內容缺乏深入了解，主要介紹一些基本圖形的繪圖技巧，不能與工程制圖的內容很好地融合，學生缺乏實際工程制圖訓練。

（三）教學方法和手段陳舊單一

為了彌補教學條件的不足，大多數高校都只能在多媒體課件上做文章，采用一些三維圖形和動畫來輔助教學。這種方法的優(yōu)點是可以增加課堂信息量，為在有限的學時內完成教學內容提供了幫助。但其缺點是學生被動接受，缺少自己動手的思辨過程，往往是如很多學生課后反映的那樣:“上課能看懂，做題就發(fā)懵”。因此，這部分內容占據了教學過程中的大量時間，可以分配給實際應用 （如工程圖的表達）的學時非常有限，特別是尺寸公差和形位公差的標注等內容基本上是一帶而過。而這類學生若后續(xù)課程中沒有了與其工程制圖相關的課程如 《互換性與測量技術》 《機械設計》等，學生學完本課程后，離實際應用的要求相距甚遠，對于提高工程素養(yǎng)幫助不大，特別是與應用型本科專業(yè)的培養(yǎng)目標不相適應。

鑒于上述原因，學生對本課程的認同度不高，給教學帶來較大困難。

二、工程制圖教學體系的改革

針對目前工程制圖教學體系存在的問題，我們嘗試了一些改革方法。

（一）教學內容的調整

在機械類的制圖教材方面，一些院校對教學內容進行了較大調整，如參考文獻 ［7］引入了AutoCAD和三維 CAD軟件 Inventor，參考文獻［8］則引入了三維CAD軟件Solid Edge。其共同特點都是增加了計算機造型和繪圖的內容，將二維與三維交叉融合，加強形體構思能力、空間思維能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。對于非機械類的教材，參考文獻 ［9］具有新穎、簡潔、實用的特色。內容安排上，在投影部分貫徹了以 “體”為主線的內容體系，將截交、相貫歸并到組合體部分進行討論。將AutoCAD作為計算機繪圖軟件獨立成章列入，而且簡單介紹了AutoCAD的三維實體建模。

引入AutoCAD作為計算機輔助繪圖教學軟件，是目前各高校較為普遍的做法。對于非機械類學生而言，想要在有限的學時內再學習一門三維CAD軟件，既不現(xiàn)實，也無必要。隨著AutoCAD（以下簡稱CAD）版本的不斷改進和完善，其三維實體建模功能已完全能滿足基本體及組合體的造型需要。三維建模是以其平面繪圖為基礎的，學生很容易在平面圖繪制的基礎上，通過拉伸、旋轉、掃略、放樣等基本成型方法和切割、交集、差集、并集等實體操作和編輯功能來實現(xiàn)。因此，我們選擇參考文獻 ［9］作為基本教材，參考文獻 ［10］作為輔助教材，將工程制圖與計算機繪圖融為一體，增強了計算機三維造型和上機的實踐環(huán)節(jié)?？倢W時為32+32，一半學時安排在多媒體教室，另一半學時安排在機房。制圖理論部分主要安排在多媒體教室講授，計算機繪圖與上機實踐安排在機房。部分理論課內容放在機房結合計算機繪圖練習講解，學生可以現(xiàn)場驗證和消化理論課內容，比單純空講理論，更能夠消除學生的距離感。學生由被動接受變?yōu)橹鲃忧笞C，效果更好。

（二）教學順序的安排

在教學順序的安排上，我們沒有完全拘泥于參考文獻 ［9］的結構體系。每一部分的結構基本按參考文獻 ［9］，但同時穿插CAD的相關內容。如工程圖的基本規(guī)范中的圖紙幅面和格式，比例、字體、圖線、尺寸標注等，理論課時簡單介紹，在計算機繪圖實踐環(huán)節(jié)結合基本平面圖形的繪制、圖層的建立來講授；在介紹直線與投影面的相對位置時，原教材是先介紹投影面的平行線，后介紹投影面的垂直線和先介紹投影面的垂直面，后介紹投影面的平行面的。學生首先接觸到投影面的平行線和投影面的垂直面，會有先入為主的印象。如學生只要發(fā)現(xiàn)有一條直線與某投影面平行，就判斷為投影面的平行線，容易忽視投影面的垂直線也同時平行另兩個投影面；同理，只要發(fā)現(xiàn)平面與一個投影面垂直，就立刻判斷為投影面的垂直面，容易忽視投影面的平行面與另外兩個投影面是垂直的這一事實。因此，將二者的順序交換一下，學生更容易理解二者的區(qū)別。在介紹完CAD的基本操作后，將三維實體造型方法提前講授，先利用CAD三維造型功能，介紹基本立體的形成，為投影理論基礎特別是基本立體的投影做鋪墊。

（三）教學方法的創(chuàng)新

將工程制圖與計算機繪圖結合起來，關鍵在于教學上的相互融合。僅僅將CAD作為制圖課獨立的一個附加部分講授，或者在制圖課后單獨開設計算機繪圖課，一方面學時不允許，另一方面學生不能將二者有機聯(lián)系在一起。因此，工程制圖與計算機繪圖合并為一門課程，并且由同一教師講授，有利于教學內容的合理安排和教學進度的把握。筆者在這方面進行了嘗試，取得了較好的效果。

以圖1所示的圓弧連接為例，圖a為圓弧與兩圓同時內切或外切，圖b為圓弧與兩圓一個內切一個外切。幾何作圖中直線與圓弧或圓弧與圓弧的連接部分，手工繪圖尋找連接圓弧圓心的作圖方法比較繁瑣，但掌握其原理是非常必要的。而用計算機繪圖卻比較簡單。在計算機繪圖階段先不介紹繪圖技巧，以畫圓的基本指令 （圓心、半徑），采用手工作圖的方法確定連接弧的圓心，在CAD環(huán)境中完成。然后再通過畫圓命令行輸入 “T”參數 （切點、切點、半徑）和切點捕捉功能實現(xiàn)，學生可深刻體會計算機繪圖的優(yōu)越性。

為讓學生更好地理解立體與平面的關系，我們把CAD的三維立體建模方法提前引入。在介紹物體的截交線時，以三維立體造型為實例講解，可以達到事半功倍的效果。

如圖2所示的圓錐被不同位置截面截切時的截面形狀，經教師演示講解后，學生通過自己建模，向三視圖的方向觀察立體的平面圖形，可以驗證并加深理解。圖3所示的圓錐與圓柱不同位置相交時的相貫線變化，學生可以在現(xiàn)場實時驗證。

在以往的教學中發(fā)現(xiàn)，學生將平面圖形與所表達的實際立體建立聯(lián)系比較困難，試圖自己畫軸測圖來驗證，但往往不得要領。如圖4a所示的實體，在給出主視圖和俯視圖的情況下，學生補畫左視圖時出錯的比例較大。因此可以讓學生通過自己建模，向三視圖的方向觀察立體的平面圖形來對比。由于CAD三維圖形用二維線框表達時，可見與不可見輪廓都以實線表示，容易造成錯覺，通過實體的三維操作如剖切成圖4b所示的結構，再以 “三維隱藏視覺樣式”顯示后，可得到圖5所示的平面圖形。通過外觀和剖切后的輪廓線對照，即可比較容易地正確畫出不剖的左視圖 （將右半部分相對左半部分多出的實線用虛線對稱添加到左半部分即可）。通過多次反復，學生容易將實體與平面圖形建立起一一對應的聯(lián)系。

三、結論

將計算機三維繪圖與工程制圖進行相互融合與滲透，可以彌補教學條件的不足，激發(fā)學生的主觀能動性和學習積極性。既能促進學生對工程圖學理論的理解與掌握，同時又能有針對性地學習計算機繪圖技巧，密切與工程實際的聯(lián)系，能在較少的學時內完成較多的教學內容，提高教學效率和教學質量，值得大力推廣。

［1］王建華，李曉民，楊莉，等.由三維建模入手的工程制圖課教學改革實踐 ［J］.工程圖學學報，2008，29（6）：124-126.

［2］韓月梅.非機械類 《工程制圖》課程改革的研究與探索 ［J］.大連大學學報，2009（6）：126-128.

［3］肖旭霖.工程制圖與計算機繪圖融合教學的探索［J］.農產品加工 （下），2013（1）：72-75.

［4］呂德芳.三維CAD與機械制圖教學改革 ［J］.武昌理工學院學報，2015，10（3）：97-98.

［5］吳擎，楊揚，夏俊芳，等.三維CAD動態(tài)建模輔助工程制圖教學的方法 ［J］.大學教育，2015（9）：161-162.

［6］高俊亭，畢萬全，馬全明.工程制圖 ［M］.北京：高等教育出版社，2008：186-264.

［7］大連理工大學工程圖學教研室.機械制圖 ［M］.北京：高等教育出版社，2007：28-84.

［8］續(xù)丹.3D機械制圖 ［M］.北京：機械工業(yè)出版社. 2002：1-3.

［9］王成剛，張佑林，趙奇平.工程圖學簡明教程［M］.武漢：武漢理工大學出版社，2009.

［10］姜勇，王輝輝，馬國金.AutoCAD2010中文版機械制圖培訓教程 ［M］.北京：人民郵電出版社，2011.

Study of Teaching Modes for Engineering Graphics Based on 3D Modeling of AutoCAD

Luo Yuyuan
（Yuanpei College，Shaoxing University，Shaoxing，Zhejiang 312000）

The engineering drawing teaching situation in independent colleges is analyzed；the existence of the relative problems is pointed out.On this basis，a novel teaching mode based on AutoCAD three-dimensional（3D）modeling is put forward.In the practice of teaching，the teaching content and sequence have been adjusted，and the engineering drawing and computer graphics are integrated and cross-applied.Practice has proved that this mode helps arouse the students’interest in learning，improve teaching efficiency and finally enhance teaching effectiveness.

Engineering Graphics；3D modeling；AutoCAD；teaching method；curriculum reform

G642.3

A

1008-293X（2016）10-0033-04

10.16169/j.issn.1008-293x.j.2016.10.008

（責任編輯王海雷）

2016-03-14

羅玉元 （1957-），男，湖南衡陽人，碩士 （博士研究生），高級工程師，副教授，主要研究方向為機電 （液）一體化。