吴狄

(沈阳工程学院 机械学院，辽宁 沈阳 110136)

基于三维CAD技术的工程制图教学改革研究

吴狄

(沈阳工程学院 机械学院，辽宁 沈阳 110136)

通过分析三维CAD技术发展现状、设计和制造领域发生的巨大变革以及对工程制图课程的影响，提出了现实条件下工程制图课程改革的必要性及改革的具体思路，介绍了基于三维CAD技术的工程制图教学改革的探索与实践的过程与结果。

三维CAD;工程制图;教学改革

我国高校开设CAD教学已有20多年的历史，在教学内容上主要以绘制二维图形为主。但随着计算机性能的提高，原来用于工作站上的各种基于特征造型、参数化、变量化的三维设计软件也都有了微机版本，面对微型计算机的新的三维建模设计软件也出现了井喷式发展。设计从三维开始，更符合人的思维过程，它从根本上颠覆了传统的设计理念，设计发生了革命性的变化。随着三维CAD技术的飞速发展和应用的日益普及，客观上要求对工程图学的课程体系、内容、方法、手段全面改革，以适应现代设计制造、现代信息科技和培养具有创新能力的高素质人材的需要。

一、CAD教学的现状

CAD课程的内容如果仅就图形处理而言应包括二维和三维两个基本部分，但近些年来，国内院校在开设CAD类的课程时基本上只讲二维部分，三维很少涉及，在讲授三维内容时多采用AutoCAD中的实体造型功能。AutoCAD的实体造型部分不是基于特征的三维系统，不具备参数化功能，不能对已经设计的结构进行编辑和修改，不是真正意义上的三维建模系统。国外发达国家的大学已经开始了基于特征造型、参数化的三维设计绘图教学，自2000年开始，美国的22个州的1000多所大学全面使用三维CAD软件Autodesk Inventor，让学生学习使用最先进的CAD软件，为以后的工作打下必要的基础。再如日本AMADA(天田)公司，它是世界第二大生产数控冲床的企业。在该公司工作的有日本东京大学、京都大学和东京工业大学和的毕业生，而这些学校早已不再进行二维CAD的教学，学习的是三维建模软件，有Autodesk Inventor、Solidworks等。

在三维CAD已经日臻成熟的今天，国内高校的工程制图还是以二维CAD占据教学的主导地位，这明显已经落后于时代。因此，从培养高素质人材的需要出发，必须对现有的教学进行系统的改革，这样才能使工程制图教学跟上时代发展的步伐。

二、三维CAD技术特点及其教学应用

1．现代CAD技术为工程设计提供了三维平台

传统的设计过程是基于二维图样平台，设计者头脑中的产品构思是三维物体，但受表达方法和手段的限制，设计产品只能采用投影的方式，表达为二维投影视图。读图时再根据若干二维投影视图，理解它们的含义，在头脑中想象出所表达的三维实体的结构和形状。这种三维物体到二维图样的表达过程和二维图样到三维物体的看图过程是空间到平面、再由平面到空间的思维过程，不是直观的，而是间接的。这不但需要大量的时间和精力，而且有一定的难度，不利于产品设计和制造信息的表达和交流，限制了设计者的创新思维。

三维CAD环境为产品设计和制造信息传递提供了三维平台——三维的数字模型。设计者从三维物体出发想象构思产品，在三维CAD软件支持下，建立数字化的三维几何模型。这种方式使产品信息的表达完整、直观，方便交流。三维CAD环境使设计和制造的概念和过程产生了根本的变革。

2．计算机是完美的空间思维辅助工具

在二维CAD环境，计算机系统只是作为设计者的绘图工具，它将传统的铅笔绘图提高到电子图，实现了图形的电子化，减轻了设计者手工绘图的负担，但是工程设计的基本模式并未发生根本的变化。在传统的设计方式下，设计者头脑中首先要有完整、明确的产品构思，在此基础上，根据正投影理论和表达方法，画出二维设计图样。而在制造产品时，工艺工程师需要根据设计者所绘制的二维工程图，经过读图的过程，将二维投影图转化为三维实体，才能理解产品的三维几何形状和结构。这期间不但需要大量的时间和精力，在现实中还会发生表达错误和理解错误的情况，从而影响产品的设计周期。在零件设计完成以后，要进行实际生产制造，然后进行实际装配，而在这一阶段，往往会发生因设计不合理而发生零件之间的干涉，还要重新改进设计，再进行生产、装配、检验。一些部件的设计往往要经过几次这样的过程，不但使设计制造的周期拉长，而且会造成极大的浪费。功能强大的三维CAD技术，为设计者提供了一个全新的设计环境。三维CAD系统的应用，使计算机不仅是绘图工具，还成为辅助设计者进行空间思维的工具。因为在产品设计的最初阶段，设计者的产品构思往往是概括的、粗略的，某些局部和细节可能是模糊的、未确定的，甚至是有错误的。在产品设计完成以后，CAD系统可以进行计算机的模拟装配，进行干涉的检查，可以对零件的尺寸和结构进行编辑和修改，最后达到设计要求，这一切都是在计算机的三维系统下模拟进行的，没有实际制造的过程，这不但可以缩短设计周期，还可以极大地降低设计和生产成本。

3．基于三维CAD的工程制图教学是教学改革的必然趋势

工程制图课程是工科专业一门重要的技术基础课，作为工程界的语言，本课程具有较强的实践性。它的教学质量如何不但直接影响到学生对后续课程的学习，而且可能会决定学生毕业以后能否胜任对口的技术工作。

随着科学技术的快速发展、新兴学科的增加以及社会对人才知识结构需求的变化，设计领域正面临着一场革命性的巨变。如何迎接好这样一场巨变，使高等教育能够适应时代的发展，使课程教学不至于落后，是每一所高校面临的重要课题。传统的教学方法要求有充足的教学时数作为基础，这与现实严重不符。目前的情况是，工程制图课的学时在不断缩减。以沈阳工程学院为例，机械本科工程制图课为80学时，一般的非机类专业工程制图课为56、48、32学时不等。其次，传统的教学模式已经不能适合时代的发展。目前已经完成了普及CAD技术的第一阶段，即图形的电子化，而我国大部分高校工程制图教学仍以二维CAD教学为主，这显然与当前科技飞速发展的形势严重不符。尽管我国的科技发展与发达国家尚有差距，但是，只要及时地跟上时代发展的脚步，才能与时代同步。

三、教学改革方案及其实施效果

1．改革方案的具体设计

纵观我国高校的工程制图教材，一般可以分为几部分:投影基础，包含画法几何与立体的投影;构型设计，包括组合体的构型等;表达方法，包括组合体的表达方法，零件和装配体的表达等;制图规范，包括《技术制图》《机械制图》、图样画法、尺寸注法等;专业图样的绘制与阅读，绘制和阅读与本专业相关的工程图样。

鉴于教学时数不足的实际情况，可以确定改革的基本方针为:保证必要内容的教学时数，减少构型内容的教学时数，删除不必要的教学内容。从三维开始学习，从根本上改变了传统的教学内容和模式，是教学改革的最终目的;加入了三维CAD建模内容，是教学改革的核心;从课程体系上确定设计从三维开始的设计理念，是教学改革的切入点。基本思路是:面向三维CAD技术，加强形体构形能力和形体表达能力的培养，加强创新能力和工程意识的培养。

（1）面向三维CAD组织教学内容。把三维CAD技术引入工程制图教学，将实体建模概念引入教学，加强对三维形体的想象、构形、分析、表达能力、三维形体和二维图形相互转化能力的培养。具体教学安排见表1。

表1 工程制图课程教学安排

（2）以“实体”为中心。从三维实体入手，在制定改革的教学日历中，不再进行单独的画法几何内容的教学，而在进行“实体”的教学过程中，拿出“体”上的点、线、面进行分析，这样，对点、线、面的理解和认识要比单独讲解该内容更直观，更易于理解。在教学中，利用三维软件，进行实践性教学。由于软件简单易学，学生很容易就可以掌握常见的建模过程。复杂的截交、相贯等，在三维系统中变得容易理解。由学生自己完成建模，更能增加学生的学习兴趣，提高学习效果。

（3）加强徒手轴测图训练。在交流设计思想、现场测绘时，徒手草图是一种有效的方式。但是随着教学时数的减少，这种内容一般已经不再讲解。其实徒手作图对于理解零件的结构和表达是十分有益的，鉴于此，可以增加这一部分的训练。具体做法是:在进行三维建模前，先进行徒手绘制轴测图，尽管可能会出现错误，然后再进行三维建模。这样做的好处是，对自己徒手图的错误，有一个直观、深刻的认识。

（4）增减教学内容以适应发展的需要。降低相贯线内容的难度，只讲授相贯线的概念、近似画法、变化趋势。在三维软件中，直接建模就可以得到相贯线的二维表达。删减画法几何部分，删去二维CAD部分，减少组合体的教学时数，增加三维CAD内容，主要采用上机实践教学方式。以此为依据，制定新的教学日历(见表2)。对于教学时数比较少的专业班级，则采用在不改变教学时数的情况下，对教学日历进行必要的调节，在实例中全部采用三维图组织教学，从“体”到几何元素，尽最大可能实现“让三维主导教学”。

表2 新的教学日历变化情况

2．改革方案的实施结果

为检验教学改革的成果，在2012～2013学年第一学期，以沈阳工程学院11级的一个本科班作为试点，这里称为改革班，对比对象为11级的另一个本科班，称为比对班，我们进行了第一次改革实验。

首先选择比较适合的三维建模软件。近几年来，由于三维CAD技术和计算机技术的飞速发展，三维CAD软件有很多种可供选择，目前流行的三维CAD软件主要有Solidworks、UG、Pro－E、Solid Edge等。经过比对，确定美国软件Soled Edge作为首选，原因如下:①软件出身名门，是Unigraphics Solutions公司的旗下产品，与大名鼎鼎的UG有相同的血统;②该软件在三维建模软件中，功能较强;③软件简单易学;④已经开设过多年公选课，具有一定的教学经验，学生也有很多选择学习，在学生中有一定的影响。在学院系部和教研室的支持下，对教学日历进行了修订，删减了原有的画法几何内容，对相贯线的内容进行了删减，这样做的理由不仅是改革的需要，也符合新的国家标准的要求。

在教学中增加实践性教学环节，是改革的主线，主要是解决学生读图方面的困扰，经过一个学期的实践，可以感觉到学生在实体读图方面的确有了很大的提高。

以最能体现三维建模作用的期末考题的第三题和第四题为例，具体说明(见表3)。第三题是组合体的视图表达，满分是20分;第四题是组合体的剖视图，满分是20分。

表3 改革班与对比班第一次成绩比对

由表3可以看出，改革班两个题的平均分数和满分人数均有较大的提高。两道题的得分率分别提高了7.4%和5.35%;满分人数分别提高7.8%和29.3%。

在2013～2014学年的第一学期的期末考试中，又进行了第二次比对实验(见表4)。

表4 改革班与对比班第二次成绩比对

可以看出，两个题的相关指标有所提高，两道题的得分率分别提高了13.2%和10.63%。由于空间思维能力的提高，学生对于其他问题的理解能力也得到了加强。

有一点应当说明，由于教学的安排有一定的难处，改革班没能找到实际情况完全对等的专业班级，故其中的一些数据难免尚存在一些偏差。

面对三维CAD技术的迅猛发展，传统的工程制图教学模式已经不能满足现实的需要，工程制图教学的改革已经极为迫切，特别是对于新升本科院校，要办出自己的特色，首先是保证不能落后。将三维建模融入工程制图的教学中，加强了对学生创新能力和工程意识的培养，对于适应社会发展和科技发展的需要，有极其重要的意义。通过实践检验，证明了这一改革思路是正确的，方法是可行的，有推广的意义。

［1］胡青泥，戴恒震，高菲，等．面向三维CAD/CAM技术的机械制图教学研究［J］．工程图学学报，2002(1):137－138．

［2］郑盛梓，姚涵珍，周桂英，等．面向三维CAD技术的工程制图教学研究［J］．东华大学学报:自然科学版，2005(4): 154－155．

［3］窦忠强，张苏华，庞永军．高校的CAD教学应从三维开始［J］．工程图学学报，2001(4):112－113．

Based on the Engineering Drawings of the 3 d CAD Technology Teaching Reform Research

WU Di
(Faculty of Mechanics，Shenyang Institute of Engineering，Shenyang 110136，China)

Through the analysis of development of 3D CAD，great revolution of designing and manufacturing and influence on engineering graphics courses，the paper puts forward the necessity of engineering cartography curriculum reform under the condition of reality and concrete thought of reform，and introduce the progress and result of the exploration and practice of teaching reform for engineering graphics base on 3D CAD．

3D CAD;engineering graphics;teaching reform

G642.0

A

1672－9617(2014)03－0408－04

(责任编辑 祁刚 校对 伯灵)

2014－04－21

吴狄(1955－)，男，沈阳人，副教授。