曹潔潔，吳 健，趙志平

（常熟理工學院 機械工程學院，江蘇 常熟 215500）

在教育部新工科建設政策指導下，高等學校工科類專業(yè)應以培養(yǎng)具有高素質和多元化的應用型人才為目標，更新教學方法、優(yōu)化教學內容，以提升學生的實踐能力[1]．工程制圖是機械及近機械類（電氣工程、化工等）專業(yè)重要的基礎課程之一[2]．課程利用投影原理、制圖國家標準對工程對象進行畫圖與讀圖實踐，其主要目的是訓練學生以創(chuàng)造性思維為基礎的空間想象和邏輯思維能力，培養(yǎng)學生工程應用必備的認真負責的工作態(tài)度和嚴謹細致的工作作風，為學生學習后續(xù)專業(yè)課程、構建專業(yè)課程體系奠定堅實的基礎．

隨著計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）技術的發(fā)展，三維設計軟件已成為現代設計的重要工具之一[3]．國內許多高校就如何將其融入現代教學實踐進行了有益的探索[4-7]，主要思路是利用三維構形思想，將傳統(tǒng)的形體分析轉化為基于草圖和特征的形體構建．機械專業(yè)工程制圖課程96學時，結合教授三維軟件應用，能夠有效培養(yǎng)學生工程圖學能力和素質．但對于近機械類專業(yè)的教學而言，由于課時少、學時跨度大、學生重視程度不高等問題，傳統(tǒng)教學方法限制了學生空間想象能力和空間思維能力的有效提升．

基本體和組合體章節(jié)是工程制圖課程的重中之重，在課程中起到承上啟下的作用．本文在對近機械專業(yè)工程制圖課程教授初期存在的難點進行剖析的基礎上，提出了基于三維構形設計的教學思想，讓學生直接從三維構形中去探尋二維平面圖形的畫圖讀圖規(guī)律，從而加強空間想象能力和邏輯思維能力的培養(yǎng)；同時利用基于SolidWorks開發(fā)的教學程序組織相關教學活動，激發(fā)學生的創(chuàng)造性并鍛煉動手能力；最后通過教學效果的比對，驗證了該方法的可行性．

1 教學困境

傳統(tǒng)的工程制圖教學方法是利用模型、實物等形象化教學工具，通過教師的語言組織教學．近年來雖然引入了教學方法更靈活的多媒體技術[8]，但其基本思路仍然以點、線、面的投影理論為基礎，分析視圖中具有投影關聯的線段與線框或線框與線框之間的關系，再進行判斷、歸納、組合和想象成立體．

常熟理工學院近機械專業(yè)工程制圖課程16周內總課時為36或48，投影知識和組合體的合計學時只有14或18．在有限的教學時間內，學生既需要掌握點、線、面、體的投影規(guī)律，還需掌握利用形體分析方法來完成組合體畫圖和讀圖．由于課時緊張，課堂練習時間較少，靈活運用理論知識難度大，對近機械類學生的空間想象能力和邏輯思維能力提出了挑戰(zhàn)．經過多年的教學實踐，總結出近機械類專業(yè)工程制圖教學過程中面臨的兩大難點．

1.1 空間想象力較差

（1）坐標系不熟悉．工程專業(yè)學生比較熟悉平面笛卡爾坐標系，而工程制圖是將立體置于空間笛卡爾坐標系中，從平面到空間的變化使得學習的難度劇增．學生對三維坐標系不熟悉，導致容易混淆一些基本概念，如：視角、投影面等．

（2）方位關系不明確．工程制圖要處理立體在三維空間以及二維平面中前后、左右和上下的對應關系．當三維坐標展開為二維平面后，三視圖的相對位置發(fā)生了改變．學生對方位關系不明確，畫圖和讀圖過程中難以對應方位和坐標之間的關系．

1.2 缺乏必要的邏輯思維能力

（1）組合體構成不確定．在進行組合體的畫圖和讀圖時，可以首先將其分解為若干個簡單的基本體，并按照一定的投影關系繪制在指定投影面上．拆分的復雜程度決定了繪制過程的難易程度．學生如果不能合理地拆分組合體，就勢必會增加后續(xù)繪制的難度．

（2）組合體構成邏輯關系模糊．組合體構成的邏輯關系體現在不同基本體的方位關系和連接方式上．如不能準確描述構成邏輯，將影響過渡區(qū)細節(jié)的表達，如：過渡區(qū)有線、無線，實線、虛線，連接面相交、相切等．

近機械專業(yè)教學過程中需處理好上述四個問題，使學生在短時間內掌握制圖的一般規(guī)律，而不必花費大量的學時學各種繪制方法和技巧．基于三維技術中的構形設計思維為快速培養(yǎng)學生的空間想象和邏輯思維能力提供了契機，可有效建立三維形狀與二維圖形的對應關系，從而分析歸納出立體投影的共性特征．

2 三維構形設計

2.1 基本體的三維構形方法

現代構成主義認為一切物體均由圓柱、球和立方體等基本元素按照不同設計目的及準則組合而成[9]．學生從特定角度觀察基本體三維立體形狀，分析生成特征的構建方法，可獲得對應的二維平面圖形，從而建立三維形狀和二維圖形的關系．圖1以圓柱和四棱柱為例展示旋轉和拉伸特征構形思維．

圖1 基于特征方法生成的三維模型

三維構形方法非常靈活，可以激發(fā)學生的創(chuàng)造性思維．圖1（a）為不同草繪平面，通過旋轉或拉伸可生成相同立體；圖1（b）是相同草繪平面通過旋轉或拉伸可生成不同立體．表1列出了基于特征方法生成的典型基本體．在教學過程中，讓學生參照或提出其他構形方法，探討不同視角下的投影規(guī)律，加深對特征方法的理解，提升空間思維想象力．

表1 利用構形方法創(chuàng)建實體過程

2.2 組合體的三維構形方法

形體分析法是組合體畫圖和讀圖的傳統(tǒng)方法，假想將組合體分解為若干個基本體，分析各部分的形狀、位置關系以及各形體連接面之間的關系，以便于畫圖、讀圖和標注尺寸．對于復雜的疊加型或切割型組合體，形體分析法難以適用．而三維構形方法是在二維草圖基礎上，利用拉伸、旋轉、切除等特征方法構建三維形狀，思維過程更多關注于特征方法而非基本形狀．圖2為利用形體分析法和三維構形法生成過程的對比．

圖2 形體分析法和三維構形法分析過程

圖2（a）為形體分析法，底座立方體利用4個基本體挖切形成圓角和孔，側立體經過兩次挖切形成所需圓頂面和孔．整個過程經歷了1次疊加、6次切割．圖2（b）為三維構形法，底座立方體通過將水平草繪平面1次拉伸而成，側立方體則是通過側立草繪平面1次拉伸而成．經對比，三維構形法將需要挖切的特征集中在草繪平面上，最大限度減小了基本體的布爾運算．

三維構形方法在教學過程中，不僅簡化了教師的教學活動，同樣也增加了學生對組合體的理解，將組合體想象成草繪平面和三維立體之間的相互關系，對學生三維空間想象能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有啟發(fā)性．

3 教學實踐方法

在實際教學過程中，如何讓學生更加專注于三維設計思想的分析過程，是實現基于三維構形設計方法教學的關鍵[10]．基于三維構形方法的分析，采用課堂直觀教學和課后形體分析法相結合的教學方法．在課堂直觀教學中，利用VB開發(fā)了基于SolidWork的一系列插件，通過點擊對應的按鈕或者拖動模型，實現對三維模型的各種視角的觀察，從而了解三維立體和二維草圖之間的對應關系．課后形體分析法則利用SolidWorks 3D PDF 功能，將三維模型保存為可實時拖動的PDF，學生無須下載專業(yè)三維軟件，可直接通過電腦觀察立體，從而對三維空間立體有更加直觀的體會．

3.1 基本體實踐教學

基本體的畫圖和讀圖是工程制圖課程中建立三維與二維之間相互轉換關系的首要環(huán)節(jié)，也是鍛煉學生空間想象能力和邏輯推理能力的關鍵．通過分析簡單的幾何形體，學生能夠理解形體在空間中的表現狀態(tài)，從而直觀地了解三維與二維之間的映射關系．常見的基本體主要包括棱柱、棱錐、棱臺、圓柱、圓錐、圓臺和圓環(huán)等．利用VB開發(fā)的基于SolidWorks插件界面如圖3所示．在課堂直觀教學中，通過點擊插件中對應的立體，讓學生觀察對比不同視角下的三維立體特征及投影形狀，快速建立三維形狀和二維圖形之間的相互關系．課后將插件中的典型基本體模型輸出保存為3D PDF格式．學生通過手機APP打開3D PDF，點擊PDF工具欄中的命令即可根據自身需要，調整立體視角（圖4），以便于課后進行更加深入的形體分析．因此，結合課堂直觀教學和課后形體分析法，學生能夠在最短時間內建立二維和三維之間的聯系，從而快速培養(yǎng)學生的空間想象能力．

圖3 基于SolidWorks基本體插件

圖4 基本體3D PDF界面

3.2 組合體實踐教學

基本體是組合體畫圖和讀圖的前提，同時也是后續(xù)學習零件圖和裝配圖的基礎．傳統(tǒng)教學方法側重于掌握不同基本體的連接方式以及立體的點線面在投影平面內的投影規(guī)律．本文提出的教學方法則是在課堂直觀教學過程中，打開對應的模型文件，按照順序依次向學生展示若干個基本體的不同特征，從多個視角觀察各個特征的連接關系，培養(yǎng)學生組合體構成的邏輯思維，基于SolidWorks組合體插件如圖5所示．課后同樣基于三維構形方法生成對應的3D PDF，如圖6所示．學生可以自主觀察形體樣式以及不同特征的顯示，進一步強化構成組合體的基本體之間的聯系．通過課堂直觀教學和課后形體分析法，學生能夠快速理解基于三維構形的形體分析方法，更容易掌握組合體的構形思維，進而培養(yǎng)邏輯思維能力．

圖5 基于SolidWorks組合體插件

圖6 組合體3D PDF界面

4 教學效果

基于三維構形的教學方法改革，降低了學生對抽象化知識點理解的難度，創(chuàng)建了交互學習模式，教師授課方式和學生學習方式都得到了改善．基于SolidWorks開發(fā)的插件可以使教師在實際教學過程中根據需要變換和調整模型視角，最大限度將基本體和組合體的投影規(guī)律進行全面展示．學生在課中和課后可以在手機3D PDF軟件中動手操作，實時調整立體模型視角進行觀察和分析．學生親自參與三維構形的實踐，尋找三維構形思維的規(guī)律，可以在短時間內將理論知識吸收、消化并轉化為能力．基于三維構形的教學方法，極大地激發(fā)了學生的學習興趣，提升了學生的自主學習能力．

2018年，我們初步嘗試教學改革對電氣工程及其自動化專業(yè)學生（二年級下學期）講授機械制圖課程中的投影知識、立體投影和組合體3個部分內容．圖7為3個部分授課時間對比圖．其中2017年為傳統(tǒng)授課（78人），2018年開始嘗試采用3D交互授課（65人），2019年針對授課內容開發(fā)對應插件（72人），2020年形成相對完整的教學資料（76人）．表2為針對3個部分內容的測驗成績，主要考查學生對于組合體畫圖和讀圖的能力，測驗總分為100分，其中讀圖10題共40分，畫圖5題共60分．

圖7 對應課程課時變化

表2 2017—2020年單元測試成績分布

從課時變化上看，正投影基本知識的授課時間減少了，分別減少到 11課時（2018），10課時（2019），9課時（2020）．投影基本知識和組合體部分，相較于2017年節(jié)省教學時間35%．從教學效果來看，采用新模式教學后，70分以上比例人數明顯增加，從62%（2017年）上升至76%（2020年），上升比例為22.5%．

教學改革對于近機械類學生三維空間想象能力的提升和構形思維能力的培養(yǎng)有顯著作用，同時為強化學生的實踐動手能力、激發(fā)創(chuàng)造性思維提供了有益的幫助．學生能全方位融入課程，更高效地利用學習時間．

5 總結

工程制圖作為理工科學生必修的一門專業(yè)技術基礎課程，它的重要性和必要性不言而喻，尤其是基本體和組合體部分，學生需要運用投影法和國家制圖標準進行三維立體與二維圖形之間轉換的畫圖和讀圖訓練，無疑是課程的重難點．本文針對近機械類專業(yè)課程特點進行了剖析，提出了基于三維構形設計為核心的工程制圖課程教學改革，并以基本體和組合體為例，將三維特征構形設計思想應用于畫圖和讀圖實踐中，利用基于SolidWorks開發(fā)的教學程序開展交互式教學活動，有效激發(fā)學生學習的積極性和主動性．通過4年的改革實踐，就投影基本知識和組合體章節(jié)而言節(jié)省了35%的教學時間，學生測驗成績70分以上比例提升了22.5%，成果顯著．此外，這種方式能使學生快速掌握理論知識，提升創(chuàng)新能力和工程實踐能力，從而培養(yǎng)更加高素質、多元化且符合時代發(fā)展需求的應用型人才．