工程制图课程教学改革研究与实践

工程制图是理工类本科生的专业基础课，课程教学正面临着学时日益减少而内容没有减少的矛盾，学生普遍反映该课程学习难度大，做作业耗时且想象不出形体空间结构。如何根据制图课程的特点，有效地结合三维CAD软件来提高教学质量；如何在有限的学时内充分发挥学生的主观能动性，使其有效地掌握本课程的内容并提高对应用能力的培养，一直是现代工程制图教学亟待解决的问题。
自去年我国加入《华盛顿协议》后，工程教育面临新的挑战，学生的工程实践能力和创新能力需要进一步提升。我校作为一所应用型本科院校，以培养一线应用型人才为目标，原有的工程图学教学模式已不能满足“卓越工程师教育培养计划”、“工程教育专业认证质量标准”的实施，也不能满足专业人才培养需求，探索适合新形势下人才培养的图学教学新模式迫在眉睫。
一、三维CAD软件引入实时制图课程
传统的教学模式中教师板书工作量较大，费时费力又不生动。多媒体CAI课件教学以其图文并茂的画面、直观的动态模拟和形象逼真的动画，使得一些抽象难懂的教学内容变得生动形象而具体。但是我们所采用的课堂教学CAI课件都是课前已设计好的，当学生在听课过程中有不同的反映时，课件不能针对学生个体做出相应的改变。
许多三维CAD设计软件如SolidWorks、UG、Pro/E等为工程图学的教学提供了一个很好的平台。在本课程中，教师将三维CAD设计软件与已有的CAI课件有机地结合起来，在课堂上直接进行三维立体建模，这种教学过程紧凑、生动、有趣，更形象地增强学生的空间概念，启发了学生的积极思维，使其加深了理解，同时也激发了学生的兴趣，改进了教学效果；还可使学生对三维设计软件有直观的体验和了解，熟悉操作界面，为后续的课程学习打好基础。
我们将AutoCAD直接融入制图教学中，教学过程中先由教师讲授软件AutoCAD的基本命令和操作方法，再让学生通过绘制图形掌握软件使用方法。其中二维绘图部分的课时分配达到CAD课时的2/3，三维建模达到1/3，并结合课内的习题及自编的上机手册让学生进行练习。实践证明，不管是二维平面绘图还是三维建模，在经过一到两次的上机指导与训练后，学生都能熟练掌握。特别是三维建模，在完成一到两个造型练习之后，绝大多数的学生都具备了独立完成三维实体造型的能力，很有成就感并且兴趣浓厚。
譬如截交线和相贯线是制图教学中的难点，教师利用UG的参数化功能，通过对两回转体直径参数或者轴线相对位置的变化，实时、动态地从任意角度观察对相贯线的影响，参见图一。这一系列的教学过程教师在课堂中只需要几分钟即可完成，而且这些改变可以根据学生的课堂反映和要求随时进行，其灵活性和效果都是提前做成的CAI课件所无法比拟的。如果利用三维绘图软件正确地画出立体，截交线和相贯线将自动产生，通过立体形成的直观展示，使学生意识到截交线和相贯线的形状是由物体的形状、大小和相对位置决定的，所以在标注尺寸时不应对截交线、相贯线直接标尺寸，而应对形成它的立体及其相对位置标注尺寸。

图一两相交圆柱的相贯线随直径变化趋势
在零件图中选择四种典型零件，以UG为平台从每一个零件开始，逐一在课前建好各零件的三维模型，并生成其二维工程图，课堂上详细分析零件的结构特点及表达方法。
在装配图中，只要给出零部件之间的装配约束关系，用UG完成三维装配过程方便简单，教师在课前完成装配，课堂中对装配过程进行播放，实时观察分析各个零件间的装配定位关系，还可在装配环境下直接打开装配模型树中的每一个零件的模型，分析它们的结构，结合装配图进行读图和绘图方面的进一步分析讲解。在整个制图课程中，教师利用三维CAD设计软件建模几乎贯穿教学的全过程，见图二。

图二课程教学与三维设计软件的相互渗透
教学内容加入三维建模并不能改变工程制图课程的性质和内容。在画法几何部分，要重视基本投影知识的学习和空间思维训练；在工程制图部分，要求学生掌握三维造型工具，但三维造型工具并不能完全取代二维的绘图方法，在引入三维建模后，制图课程教学内容仍然以二维为主，三维建模只是帮助学生理解形体的构成。
二、过程考核
随着教育改革的深入，工程图学课程的考核方式也有了一定的改进，学校先行试点对课程实行过程化考核，即降低期末考试的占比，对学生在整个学习过程中的表现进行评估。具体实施过程化考核的时间、地点、内容由任课教师决定，教师必须在每学期的开学前提交本课程的过程考核大纲、任务书、具体实施方案等，学期结束后上交过程考核的总结以及学生过程考核的题目试卷，同时在学院内部进行汇报交流，分析和总结过程化考核中的经验和不足，为今后的工作奠定良好的基础。图三为机械制图课程过程考核成绩分布的比重图。

图三
本课程在每一章节结束后，利用课内20分钟左右的时间进行过程考核，基本是2～3题的题目量，有绘图也有选择题，题目来源于平时习题中出现比较多的一些问题及本章的典型结构，目的是让学生有一个自我认识，学完本章节以后自己究竟掌握了多少知识，熟练程度如何。同时对于考核成绩比较弱的学生逐一进行辅导订正，直到其掌握为止。到期末时通过比较发现，大部分学生的平时过程考核成绩不高，但是最后的期末考试成绩都高于他们的过程考核成绩。这就说明通过每一次每一章节的过程考核，学生对其越来越重视，并且通过订正及时掌握了原本还未掌握的知识点。我们随意抽取了4个不同院系的自然班级进行调查，具体数据参见图四（a）。同时还对同一班级学生的过程考核与期末考试分数的分布状态作了比较，其数据见图四（b），处于不及格和60～69分之间的学生数减少，而80或90分以上的学生数增加，意味着不及格率降低了而优秀率得到了提高，因此过程考核已经由点到面全面铺开。

（a）

（b）
图四
三、实践教学———制图测绘（根据不同专业2~3周）
以前的实践教学内容为进行球阀或者齿轮油泵的测绘，徒手绘制草图，然后根据所测绘的草图，利用AutoCAD绘图软件完成二维零部件工作图和装配图的绘制，实质相当于一次关于零件图、装配图内容的综合性大作业。
教改后的教学内容增加了零部件三维建模与虚拟装配，具体测绘步骤如下：
（一）准备阶段
把班级学生分成若干个5～6人的小组，仔细阅读测绘指导书，分析被测对象的作用、工作原理、传动方式、结构及装配连接关系等，要求通过团队合作的方式共同讨论、分工协作。
（二）测绘阶段
在拆卸部件并对部件的各个零件进行测绘前，先测量一些重要的装配尺寸，如零件之间相对位置尺寸、运动零件的极限尺寸等，分析被测对象的拆装顺序，画出其装配示意图后小组成员每人至少拆装一次，通过拆装弄清机器或部件的装配关系和工作原理；分析各零件的作用和结构形状，选用适当的表达方法，徒手画出各非标零件的草图视图；通过测量、计算、查表，标注各零件的尺寸，确定各零件的表面粗糙度、几何公差等技术要求；根据零件草图和装配示意图绘制装配图草图，包括尺寸、序号和明细表等。
（三）三维建模
小组成员在机房将所有测绘零件分工进行三维实体建模，然后小组成员共享零件模型并各自进行三维实体虚拟装配，生成表达装配关系的轴测爆炸图；还可由三维实体模型直接生成二维工程图，使学生形象地理解零件的形状，清晰地了解零部件之间的装配关系。
（四）结束阶段
在测绘的最后环节组织学生进行答辩，答辩内容为测绘过程中涉及的问题，可以是表达方法、尺寸标注、装配等内容，也可以是计算机二维绘图或者三维建模中的问题，还可以对一些设计问题做深入探讨。
测绘真正巩固了学生工程图学课程的全部知识，使学生在实践教学中了解机器结构和作用，根据零件的使用和加工要求，正确地表达零部件；学会按工作原理和装配关系合理地标注零部件的尺寸和制订技术要求，使学生在空间形象思维方面实现了从抽象的几何形体向实际的机械零件转变。
四、教学互动模式
在教学中占据主导和引导作用的教师，必须创造一定的互动方式，及时跟学生沟通。在课堂教学中，要适当加入互动、讨论等新的教学模式，增强学生学习的主动性，使其配合教师完成相关的讨论、思考环节；在课后的师生交流中，可以采用多种形式，如辅导答疑、自习辅导、交流座谈、网上交流等，有助于教学相长。
就工程制图的教学内容而言，学生往往在学习点、线、面等相关内容时觉得简单，学习热情比较高，而在学习截交线、相贯线、组合体时突然觉得很难，难以想象出形体的空间结构，参与意识比较差，这时通过多种互动教学模式加以引导和鼓励，譬如采用木模、橡皮泥或三维设计软件进行形体构建，调动学生的参与意识，能够有效地解决课程中出现的难点和重点问题。
对非机械类专业的学生讲解制图理论时要与各专业的需求相结合，进行有针对性的教学，不仅要讲授一些经典的实例，还应该注意强化专业意识教育。比如在讲授机件的表达方法时，对于电气类专业可结合电气元器件引导学生分析其表达方法、绘制相应的电气电路图，对于化工及香精香料专业可以结合典型化工设备（塔器、换热器、反应釜等）绘制相应的化工设备图及化工工艺流程图，对于土木工程及城建专业可以结合房屋施工图绘制建筑施工图及结构施工图。这样不仅可以调动学生的学习兴趣，也可以促进学生对制图知识的消化、吸收和应用。教学实践表明，在教学过程中引入一些与学生所学专业课程相关的实例，可以加强对学生工程应用能力的培养，使其认识工程制图课程的重要性，从而引起他们对本课程的重视。
学校与国内外的一些知名企业建立了校企联合实验室，如与西门子公司同时开设了各种三维设计软件的公选课（SolidWorks）和专业选修课（UG），使学生在大学四年中学习三维设计软件不断线，还为学生搭建了社团创新设计的平台，聘请制图课程主讲教师作为相关学生社团的指导教师，从而使学生在课程结束后仍能与教师保持密切的互动联系。
五、结束语
自2012年我校开始推进工程制图课程与三维CAD设计软件相结合的教学改革以来，学生在学习制图课程的同时，还很好地掌握了一些三维设计软件，再加上后续开设的专业选修课，有越来越多的学生通过了各类相关认证考试，并在大二大三时积极参加各种竞赛，在每年“高教杯”全国大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛中取得了优异成绩；我校学生今年还在“上图杯”的比赛中突破了个人和团队一等奖。实践证明，以创新教育理念为指导，构建工程图学创新教育新环境，才能培养出高技能创新人才。