基于AutoCAD三维建模的工程制图教学方法研究

罗玉元

（绍兴文理学院　元培学院，浙江　绍兴312000）

基于AutoCAD三维建模的工程制图教学方法研究

罗玉元

（绍兴文理学院元培学院，浙江绍兴312000）

目前独立学院工程制图教学存在不少问题。在分析问题的基础上，提出了基于AutoCAD三维建模的辅助教学方法。在教学实践中，调整了教学内容和顺序，将工程制图与计算机绘图进行深度融合，交叉应用。实践证明，这种方法能激发学生的学习兴趣、提高教学效率、增强教学效果。

工程制图；三维建模；AutoCAD；教学方法；课程改革

工程制图 （非机械类，不含土木工程，下同）作为工程界的通用语言，是大多数工科专业必修的技术基础课，是培养高级工程技术人才的工程学科入门课程，担负着培养学生空间思维与想象能力、实际动手能力及基本工程素质的重任。

工程制图相对于机械类制图课程，内容相差不多，但学时数只有一半左右，课内难以安排学生在制图室利用模型进行绘图训练。这种状况下，如何才能较好地完成教学任务，实现预定目标，已成为众多院校进行本课程改革的动因［1-5］。

一、工程制图课程教学体系的现状分析

（一）教材内容的安排不符合认知规律

传统的工程制图教学内容侧重于二维手工绘图，画法几何部分所占比例较大。基本上是从空间物体的点线面投射到三个两两垂直相交的平面上的投影图形的分析入手，再通过展开在同一平面上的三个投影之间的关系来建立空间概念。由于学生日常生活中大量接触的都是立体，要将平面上的二维图形与这些立体建立对应的关系，需通过大脑进行 “翻译”。但这一过程违背了认识论从感性认识到理性认识的基本规律，往往给学生造成困惑，需要借助其他手段来辅助认知和加深理解。

随着计算机技术的迅猛发展，多数企业实施了 “甩图板”工程，手工绘图已逐渐淡出加工制造领域，计算机绘图代替手工绘图已经成为一种发展趋势。为适应这一变化，一些教材增加了计算机绘图部分 （主要是二维图绘制，个别教材对三维造型做了简要介绍）［6］，但大多是独立成篇，单独开课，与工程制图内容基本脱节。

此外，针对非机械类学生的工程制图，现有教学体系过于偏重图形学理论和机械图形的表达，缺乏具有专业特色的内容，因而在一定程度上影响了学生的学习兴趣和积极性。

（二）教学条件无法满足要求

在精英教育时代，学生大多是小班上课（一般不超过50人），学生有较多的时间和机会在课堂上与教师交流互动，并且安排了相当多的模型绘图环节来增强学生的空间想象力和识图能力。随着学校扩招，各高等院校特别是独立学院由于师资、教学设施等的限制及教学成本等方面的考虑，现在大多数独立学院的工程制图课程教学班都在80～90人。以绍兴文理学院元培学院为例，需开设制图课程的班级除机械、土木类每年6-8个教学班以外，自动化、电子信息和纺织工程等专业每年也在8-10个教学班。按现有制图教师工作量，不可能实行按自然班授课的小班化教学。相对于机械类制图课程，由于学时数少，学生多，难以课内安排学生在制图室利用模型进行绘图教学。即使课时和制图教室条件允许，模型的种类和数量有限，学生人手一个模型也难以做到。

此外，大多数学校资深的制图教师，对计算机绘图不是特别熟悉，往往将计算机绘图部分交给年轻教师讲授。而对计算机绘图比较熟练的年轻教师，却往往对工程制图内容缺乏深入了解，主要介绍一些基本图形的绘图技巧，不能与工程制图的内容很好地融合，学生缺乏实际工程制图训练。

（三）教学方法和手段陈旧单一

为了弥补教学条件的不足，大多数高校都只能在多媒体课件上做文章，采用一些三维图形和动画来辅助教学。这种方法的优点是可以增加课堂信息量，为在有限的学时内完成教学内容提供了帮助。但其缺点是学生被动接受，缺少自己动手的思辨过程，往往是如很多学生课后反映的那样:“上课能看懂，做题就发懵”。因此，这部分内容占据了教学过程中的大量时间，可以分配给实际应用 （如工程图的表达）的学时非常有限，特别是尺寸公差和形位公差的标注等内容基本上是一带而过。而这类学生若后续课程中没有了与其工程制图相关的课程如 《互换性与测量技术》 《机械设计》等，学生学完本课程后，离实际应用的要求相距甚远，对于提高工程素养帮助不大，特别是与应用型本科专业的培养目标不相适应。

鉴于上述原因，学生对本课程的认同度不高，给教学带来较大困难。

二、工程制图教学体系的改革

针对目前工程制图教学体系存在的问题，我们尝试了一些改革方法。

（一）教学内容的调整

在机械类的制图教材方面，一些院校对教学内容进行了较大调整，如参考文献 ［7］引入了AutoCAD和三维 CAD软件 Inventor，参考文献［8］则引入了三维CAD软件Solid Edge。其共同特点都是增加了计算机造型和绘图的内容，将二维与三维交叉融合，加强形体构思能力、空间思维能力和创新能力的培养。对于非机械类的教材，参考文献 ［9］具有新颖、简洁、实用的特色。内容安排上，在投影部分贯彻了以 “体”为主线的内容体系，将截交、相贯归并到组合体部分进行讨论。将AutoCAD作为计算机绘图软件独立成章列入，而且简单介绍了AutoCAD的三维实体建模。

引入AutoCAD作为计算机辅助绘图教学软件，是目前各高校较为普遍的做法。对于非机械类学生而言，想要在有限的学时内再学习一门三维CAD软件，既不现实，也无必要。随着AutoCAD（以下简称CAD）版本的不断改进和完善，其三维实体建模功能已完全能满足基本体及组合体的造型需要。三维建模是以其平面绘图为基础的，学生很容易在平面图绘制的基础上，通过拉伸、旋转、扫略、放样等基本成型方法和切割、交集、差集、并集等实体操作和编辑功能来实现。因此，我们选择参考文献 ［9］作为基本教材，参考文献 ［10］作为辅助教材，将工程制图与计算机绘图融为一体，增强了计算机三维造型和上机的实践环节。总学时为32+32，一半学时安排在多媒体教室，另一半学时安排在机房。制图理论部分主要安排在多媒体教室讲授，计算机绘图与上机实践安排在机房。部分理论课内容放在机房结合计算机绘图练习讲解，学生可以现场验证和消化理论课内容，比单纯空讲理论，更能够消除学生的距离感。学生由被动接受变为主动求证，效果更好。

（二）教学顺序的安排

在教学顺序的安排上，我们没有完全拘泥于参考文献 ［9］的结构体系。每一部分的结构基本按参考文献 ［9］，但同时穿插CAD的相关内容。如工程图的基本规范中的图纸幅面和格式，比例、字体、图线、尺寸标注等，理论课时简单介绍，在计算机绘图实践环节结合基本平面图形的绘制、图层的建立来讲授；在介绍直线与投影面的相对位置时，原教材是先介绍投影面的平行线，后介绍投影面的垂直线和先介绍投影面的垂直面，后介绍投影面的平行面的。学生首先接触到投影面的平行线和投影面的垂直面，会有先入为主的印象。如学生只要发现有一条直线与某投影面平行，就判断为投影面的平行线，容易忽视投影面的垂直线也同时平行另两个投影面；同理，只要发现平面与一个投影面垂直，就立刻判断为投影面的垂直面，容易忽视投影面的平行面与另外两个投影面是垂直的这一事实。因此，将二者的顺序交换一下，学生更容易理解二者的区别。在介绍完CAD的基本操作后，将三维实体造型方法提前讲授，先利用CAD三维造型功能，介绍基本立体的形成，为投影理论基础特别是基本立体的投影做铺垫。

（三）教学方法的创新

将工程制图与计算机绘图结合起来，关键在于教学上的相互融合。仅仅将CAD作为制图课独立的一个附加部分讲授，或者在制图课后单独开设计算机绘图课，一方面学时不允许，另一方面学生不能将二者有机联系在一起。因此，工程制图与计算机绘图合并为一门课程，并且由同一教师讲授，有利于教学内容的合理安排和教学进度的把握。笔者在这方面进行了尝试，取得了较好的效果。

以图1所示的圆弧连接为例，图a为圆弧与两圆同时内切或外切，图b为圆弧与两圆一个内切一个外切。几何作图中直线与圆弧或圆弧与圆弧的连接部分，手工绘图寻找连接圆弧圆心的作图方法比较繁琐，但掌握其原理是非常必要的。而用计算机绘图却比较简单。在计算机绘图阶段先不介绍绘图技巧，以画圆的基本指令 （圆心、半径），采用手工作图的方法确定连接弧的圆心，在CAD环境中完成。然后再通过画圆命令行输入 “T”参数 （切点、切点、半径）和切点捕捉功能实现，学生可深刻体会计算机绘图的优越性。

为让学生更好地理解立体与平面的关系，我们把CAD的三维立体建模方法提前引入。在介绍物体的截交线时，以三维立体造型为实例讲解，可以达到事半功倍的效果。

如图2所示的圆锥被不同位置截面截切时的截面形状，经教师演示讲解后，学生通过自己建模，向三视图的方向观察立体的平面图形，可以验证并加深理解。图3所示的圆锥与圆柱不同位置相交时的相贯线变化，学生可以在现场实时验证。

在以往的教学中发现，学生将平面图形与所表达的实际立体建立联系比较困难，试图自己画轴测图来验证，但往往不得要领。如图4a所示的实体，在给出主视图和俯视图的情况下，学生补画左视图时出错的比例较大。因此可以让学生通过自己建模，向三视图的方向观察立体的平面图形来对比。由于CAD三维图形用二维线框表达时，可见与不可见轮廓都以实线表示，容易造成错觉，通过实体的三维操作如剖切成图4b所示的结构，再以 “三维隐藏视觉样式”显示后，可得到图5所示的平面图形。通过外观和剖切后的轮廓线对照，即可比较容易地正确画出不剖的左视图 （将右半部分相对左半部分多出的实线用虚线对称添加到左半部分即可）。通过多次反复，学生容易将实体与平面图形建立起一一对应的联系。

三、结论

将计算机三维绘图与工程制图进行相互融合与渗透，可以弥补教学条件的不足，激发学生的主观能动性和学习积极性。既能促进学生对工程图学理论的理解与掌握，同时又能有针对性地学习计算机绘图技巧，密切与工程实际的联系，能在较少的学时内完成较多的教学内容，提高教学效率和教学质量，值得大力推广。

［1］王建华，李晓民，杨莉，等.由三维建模入手的工程制图课教学改革实践 ［J］.工程图学学报，2008，29（6）：124-126.

［2］韩月梅.非机械类 《工程制图》课程改革的研究与探索 ［J］.大连大学学报，2009（6）：126-128.

［3］肖旭霖.工程制图与计算机绘图融合教学的探索［J］.农产品加工 （下），2013（1）：72-75.

［4］吕德芳.三维CAD与机械制图教学改革 ［J］.武昌理工学院学报，2015，10（3）：97-98.

［5］吴擎，杨扬，夏俊芳，等.三维CAD动态建模辅助工程制图教学的方法 ［J］.大学教育，2015（9）：161-162.

［6］高俊亭，毕万全，马全明.工程制图 ［M］.北京：高等教育出版社，2008：186-264.

［7］大连理工大学工程图学教研室.机械制图 ［M］.北京：高等教育出版社，2007：28-84.

［8］续丹.3D机械制图 ［M］.北京：机械工业出版社. 2002：1-3.

［9］王成刚，张佑林，赵奇平.工程图学简明教程［M］.武汉：武汉理工大学出版社，2009.

［10］姜勇，王辉辉，马国金.AutoCAD2010中文版机械制图培训教程 ［M］.北京：人民邮电出版社，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

（责任编辑王海雷）

2016-03-14

罗玉元 （1957-），男，湖南衡阳人，硕士 （博士研究生），高级工程师，副教授，主要研究方向为机电 （液）一体化。