工程制圖課程教學改革研究與實踐

工程制圖是理工類本科生的專業基礎課，課程教學正面臨著學時日益減少而內容沒有減少的矛盾，學生普遍反映該課程學習難度大，做作業耗時且想象不出形體空間結構。如何根據制圖課程的特點，有效地結合三維CAD軟件來提高教學質量；如何在有限的學時內充分發揮學生的主觀能動性，使其有效地掌握本課程的內容并提高對應用能力的培養，一直是現代工程制圖教學亟待解決的問題。
自去年我國加入《華盛頓協議》后，工程教育面臨新的挑戰，學生的工程實踐能力和創新能力需要進一步提升。我校作為一所應用型本科院校，以培養一線應用型人才為目標，原有的工程圖學教學模式已不能滿足“卓越工程師教育培養計劃”、“工程教育專業認證質量標準”的實施，也不能滿足專業人才培養需求，探索適合新形勢下人才培養的圖學教學新模式迫在眉睫。
一、三維CAD軟件引入實時制圖課程
傳統的教學模式中教師板書工作量較大，費時費力又不生動。多媒體CAI課件教學以其圖文并茂的畫面、直觀的動態模擬和形象逼真的動畫，使得一些抽象難懂的教學內容變得生動形象而具體。但是我們所采用的課堂教學CAI課件都是課前已設計好的，當學生在聽課過程中有不同的反映時，課件不能針對學生個體做出相應的改變。
許多三維CAD設計軟件如SolidWorks、UG、Pro/E等為工程圖學的教學提供了一個很好的平臺。在本課程中，教師將三維CAD設計軟件與已有的CAI課件有機地結合起來，在課堂上直接進行三維立體建模，這種教學過程緊湊、生動、有趣，更形象地增強學生的空間概念，啟發了學生的積極思維，使其加深了理解，同時也激發了學生的興趣，改進了教學效果；還可使學生對三維設計軟件有直觀的體驗和了解，熟悉操作界面，為后續的課程學習打好基礎。
我們將AutoCAD直接融入制圖教學中，教學過程中先由教師講授軟件AutoCAD的基本命令和操作方法，再讓學生通過繪制圖形掌握軟件使用方法。其中二維繪圖部分的課時分配達到CAD課時的2/3，三維建模達到1/3，并結合課內的習題及自編的上機手冊讓學生進行練習。實踐證明，不管是二維平面繪圖還是三維建模，在經過一到兩次的上機指導與訓練后，學生都能熟練掌握。特別是三維建模，在完成一到兩個造型練習之后，絕大多數的學生都具備了獨立完成三維實體造型的能力，很有成就感并且興趣濃厚。
譬如截交線和相貫線是制圖教學中的難點，教師利用UG的參數化功能，通過對兩回轉體直徑參數或者軸線相對位置的變化，實時、動態地從任意角度觀察對相貫線的影響，參見圖一。這一系列的教學過程教師在課堂中只需要幾分鐘即可完成，而且這些改變可以根據學生的課堂反映和要求隨時進行，其靈活性和效果都是提前做成的CAI課件所無法比擬的。如果利用三維繪圖軟件正確地畫出立體，截交線和相貫線將自動產生，通過立體形成的直觀展示，使學生意識到截交線和相貫線的形狀是由物體的形狀、大小和相對位置決定的，所以在標注尺寸時不應對截交線、相貫線直接標尺寸，而應對形成它的立體及其相對位置標注尺寸。

圖一兩相交圓柱的相貫線隨直徑變化趨勢
在零件圖中選擇四種典型零件，以UG為平臺從每一個零件開始，逐一在課前建好各零件的三維模型，并生成其二維工程圖，課堂上詳細分析零件的結構特點及表達方法。
在裝配圖中，只要給出零部件之間的裝配約束關系，用UG完成三維裝配過程方便簡單，教師在課前完成裝配，課堂中對裝配過程進行播放，實時觀察分析各個零件間的裝配定位關系，還可在裝配環境下直接打開裝配模型樹中的每一個零件的模型，分析它們的結構，結合裝配圖進行讀圖和繪圖方面的進一步分析講解。在整個制圖課程中，教師利用三維CAD設計軟件建模幾乎貫穿教學的全過程，見圖二。

圖二課程教學與三維設計軟件的相互滲透
教學內容加入三維建模并不能改變工程制圖課程的性質和內容。在畫法幾何部分，要重視基本投影知識的學習和空間思維訓練；在工程制圖部分，要求學生掌握三維造型工具，但三維造型工具并不能完全取代二維的繪圖方法，在引入三維建模后，制圖課程教學內容仍然以二維為主，三維建模只是幫助學生理解形體的構成。
二、過程考核
隨著教育改革的深入，工程圖學課程的考核方式也有了一定的改進，學校先行試點對課程實行過程化考核，即降低期末考試的占比，對學生在整個學習過程中的表現進行評估。具體實施過程化考核的時間、地點、內容由任課教師決定，教師必須在每學期的開學前提交本課程的過程考核大綱、任務書、具體實施方案等，學期結束后上交過程考核的總結以及學生過程考核的題目試卷，同時在學院內部進行匯報交流，分析和總結過程化考核中的經驗和不足，為今后的工作奠定良好的基礎。圖三為機械制圖課程過程考核成績分布的比重圖。

圖三
本課程在每一章節結束后，利用課內20分鐘左右的時間進行過程考核，基本是2～3題的題目量，有繪圖也有選擇題，題目來源于平時習題中出現比較多的一些問題及本章的典型結構，目的是讓學生有一個自我認識，學完本章節以后自己究竟掌握了多少知識，熟練程度如何。同時對于考核成績比較弱的學生逐一進行輔導訂正，直到其掌握為止。到期末時通過比較發現，大部分學生的平時過程考核成績不高，但是最后的期末考試成績都高于他們的過程考核成績。這就說明通過每一次每一章節的過程考核，學生對其越來越重視，并且通過訂正及時掌握了原本還未掌握的知識點。我們隨意抽取了4個不同院系的自然班級進行調查，具體數據參見圖四（a）。同時還對同一班級學生的過程考核與期末考試分數的分布狀態作了比較，其數據見圖四（b），處于不及格和60～69分之間的學生數減少，而80或90分以上的學生數增加，意味著不及格率降低了而優秀率得到了提高，因此過程考核已經由點到面全面鋪開。

（a）

（b）
圖四
三、實踐教學———制圖測繪（根據不同專業2~3周）
以前的實踐教學內容為進行球閥或者齒輪油泵的測繪，徒手繪制草圖，然后根據所測繪的草圖，利用AutoCAD繪圖軟件完成二維零部件工作圖和裝配圖的繪制，實質相當于一次關于零件圖、裝配圖內容的綜合性大作業。
教改后的教學內容增加了零部件三維建模與虛擬裝配，具體測繪步驟如下：
（一）準備階段
把班級學生分成若干個5～6人的小組，仔細閱讀測繪指導書，分析被測對象的作用、工作原理、傳動方式、結構及裝配連接關系等，要求通過團隊合作的方式共同討論、分工協作。
（二）測繪階段
在拆卸部件并對部件的各個零件進行測繪前，先測量一些重要的裝配尺寸，如零件之間相對位置尺寸、運動零件的極限尺寸等，分析被測對象的拆裝順序，畫出其裝配示意圖后小組成員每人至少拆裝一次，通過拆裝弄清機器或部件的裝配關系和工作原理；分析各零件的作用和結構形狀，選用適當的表達方法，徒手畫出各非標零件的草圖視圖；通過測量、計算、查表，標注各零件的尺寸，確定各零件的表面粗糙度、幾何公差等技術要求；根據零件草圖和裝配示意圖繪制裝配圖草圖，包括尺寸、序號和明細表等。
（三）三維建模
小組成員在機房將所有測繪零件分工進行三維實體建模，然后小組成員共享零件模型并各自進行三維實體虛擬裝配，生成表達裝配關系的軸測爆炸圖；還可由三維實體模型直接生成二維工程圖，使學生形象地理解零件的形狀，清晰地了解零部件之間的裝配關系。
（四）結束階段
在測繪的最后環節組織學生進行答辯，答辯內容為測繪過程中涉及的問題，可以是表達方法、尺寸標注、裝配等內容，也可以是計算機二維繪圖或者三維建模中的問題，還可以對一些設計問題做深入探討。
測繪真正鞏固了學生工程圖學課程的全部知識，使學生在實踐教學中了解機器結構和作用，根據零件的使用和加工要求，正確地表達零部件；學會按工作原理和裝配關系合理地標注零部件的尺寸和制訂技術要求，使學生在空間形象思維方面實現了從抽象的幾何形體向實際的機械零件轉變。
四、教學互動模式
在教學中占據主導和引導作用的教師，必須創造一定的互動方式，及時跟學生溝通。在課堂教學中，要適當加入互動、討論等新的教學模式，增強學生學習的主動性，使其配合教師完成相關的討論、思考環節；在課后的師生交流中，可以采用多種形式，如輔導答疑、自習輔導、交流座談、網上交流等，有助于教學相長。
就工程制圖的教學內容而言，學生往往在學習點、線、面等相關內容時覺得簡單，學習熱情比較高，而在學習截交線、相貫線、組合體時突然覺得很難，難以想象出形體的空間結構，參與意識比較差，這時通過多種互動教學模式加以引導和鼓勵，譬如采用木模、橡皮泥或三維設計軟件進行形體構建，調動學生的參與意識，能夠有效地解決課程中出現的難點和重點問題。
對非機械類專業的學生講解制圖理論時要與各專業的需求相結合，進行有針對性的教學，不僅要講授一些經典的實例，還應該注意強化專業意識教育。比如在講授機件的表達方法時，對于電氣類專業可結合電氣元器件引導學生分析其表達方法、繪制相應的電氣電路圖，對于化工及香精香料專業可以結合典型化工設備（塔器、換熱器、反應釜等）繪制相應的化工設備圖及化工工藝流程圖，對于土木工程及城建專業可以結合房屋施工圖繪制建筑施工圖及結構施工圖。這樣不僅可以調動學生的學習興趣，也可以促進學生對制圖知識的消化、吸收和應用。教學實踐表明，在教學過程中引入一些與學生所學專業課程相關的實例，可以加強對學生工程應用能力的培養，使其認識工程制圖課程的重要性，從而引起他們對本課程的重視。
學校與國內外的一些知名企業建立了校企聯合實驗室，如與西門子公司同時開設了各種三維設計軟件的公選課（SolidWorks）和專業選修課（UG），使學生在大學四年中學習三維設計軟件不斷線，還為學生搭建了社團創新設計的平臺，聘請制圖課程主講教師作為相關學生社團的指導教師，從而使學生在課程結束后仍能與教師保持密切的互動聯系。
五、結束語
自2012年我校開始推進工程制圖課程與三維CAD設計軟件相結合的教學改革以來，學生在學習制圖課程的同時，還很好地掌握了一些三維設計軟件，再加上后續開設的專業選修課，有越來越多的學生通過了各類相關認證考試，并在大二大三時積極參加各種競賽，在每年“高教杯”全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽中取得了優異成績；我校學生今年還在“上圖杯”的比賽中突破了個人和團隊一等獎。實踐證明，以創新教育理念為指導，構建工程圖學創新教育新環境，才能培養出高技能創新人才。