高职机械类专业三维CAD技术与制图课程的融合与延续

何秋梅，陶素连

(广东水利电力职业技术学院机械工程系，广东 广州 510635)

随着现代机械设计与制造技术和计算机的不断融合发展，在制图教学中结合专业特点引入三维CAD技术的教学改革迫在眉睫。现有不少高校都进行了相关的实践探索，发表或出版了相关的论文和教材[1-4]，但基本上都是针对本科院校的，理论性比较强。到目前为止，尚缺少应用性比较强的关于高职院校开展三维CAD技术与制图课程教学模式的分析和论证方面的论文，且缺少考虑三维CAD技术后续专业课程的需要，尚未很好地解决其延续性方面的问题，更没有针对专业特点有效实施教学。机械类专业培养的人才需要具有丰富的创新创意表达能力和严谨的工程技术知识，因此应注重培养学生的工程素养和三维空间的想象能力与创造力。为此，必须对传统的制图课程教学内容进行改革和创新。本文针对高职院校机械类专业的特点，提出构建三维CAD技术与制图课程先融合式后独立式的教学模式，突出培养学生构型思维、创新思维能力和图形表达能力。

1 三维CAD技术与制图课程的新教学模式的提出

工程制图教学中引入三维CAD技术的方式比较多，常见的有分段式、独立式和融合式3种[5-8]。其中，融合式是在制图课程的不同阶段引入相应的三维CAD建模内容，使其贯穿课程教学活动的全过程；分段式是在不同学期设置不同的教学内容，与原有工程图学一起形成一种新的教学体系，尽可能引入三维CAD建模的内容；独立式是将三维CAD技术独立于制图课程之外，作为必修或选修课程纳入课程体系。

融合式的教学有利于培养机械类专业学生的空间设计能力，但三维CAD建模内容的引入必然使得原有的手工绘图和识图训练的时间减少，学生的读图能力会有所下降；分段式和独立式的教学比较灵活和实用，不影响原有的制图教学和绘图训练，又能让学生系统深入学习三维CAD技术，对于学习图形与建模操作技能具有较好的延续性、系统性和完整性。但学习软件操作的课时比较多，且与制图课程教学相隔比较久，容易陷入软件操作学习的层面。

把三维CAD技术引入工程制图教学是图学发展的必然趋势[9]，这就要求创建先进的三维CAD制图教学环境。首先要根据实际情况合理选用三维软件，如UG、CATIA、Creo、SolidWorks、Inventor等，这些软件的三维建模功能都比较强大。如果把制图和三维CAD技术完全整合成一门课，那么教学体系太大，这将影响到二维图形的训练效果。实际上三维CAD技术自身就具有完整性和系统性，因此广东水利电力职业技术学院(以下简称学院)将其设置成“机械制图”和“三维CAD技术”两门课程，形成一个教学包。“三维CAD技术”作为独立的课程，同时又作为制图与机械设计的关联性课程，其教学分两步走——先融合式后独立式：先以制图教学为主线，将制图内容与相关联的三维CAD技术内容进行融合，同步教学；再以三维CAD技术为主线，补充延续性方面的内容，独立教学。

1)先融合式教学。

首先，将“三维CAD技术”中的三维建模、装配、工程图制作方面的内容与制图课程在同一学期同步教学，因为这些内容在两门课程里关联性非常紧密，融合式教学可以起到相互支撑的作用。高职的学生空间想象能力相对比较弱[10]，这种融合式的教学显然有助于学生直观理解零部件(产品)的空间形状、配合关系、工作原理等，提高空间思维能力，并更好地理解二维图形与三维实体之间的转化关系，降低了画图与读图的困难，这对于提高学生的制图学习兴趣和效率大有好处。教学中，考虑到学生学习三维建模与制图这两部分内容要有比较好的连续性和结合关系，使得相关联的内容相互融合、相互渗透，为此将两门课程作为一个教学包尽量安排同一教师授课，保证教学的融合度。每周有制图课教学的同时也有三维CAD技术软件课，课上学生围绕制图内容进行上机操作。在这一阶段，重点加强学生对零部件的表达方案、徒手或尺规绘图的训练。同时，对三维CAD建模与装配、三维与二维图形转换、二维工程图修改、尺寸标注等进行系统训练，使传统教学内容与三维CAD技术相互支撑。以制图教学为主线、三维CAD技术为辅线的融合式教学，可以取得事半功倍的效果，也避免浪费学时、陷入软件操作学习的层面[11]。

2)后独立式教学。

融合式教学结束后，再安排“三维CAD技术”课程的曲面设计、动画制作与机构仿真等的内容进行独立教学，作为延续补充。其中，曲面设计对于现代的工业产品来说，是提升造型艺术创意和体现个性化特色的重要工具；动画制作是展示机械产品内部结构特征和质感的重要手段；机构仿真分析可以快速反映机械产品的工作运动原理，并快捷有效地检验设计是否合理科学，是连接后续的机械设计相关课程的重要纽带。后续的这种独立式教学，重点从机械产品设计角度来提升学生的设计能力和创新思维能力[12]。

2 融合式阶段的教学设计与教学实践

为了更好地将三维CAD建模有机融合到制图教学中，对两门课程采用统一的教学载体,如平口钳、法兰夹具、减速器、柱塞泵、手压阀和快速阀，这些都是常用的典型机械装置，里面有阶梯轴、端盖、箱体、齿轮、键、销、螺纹联接件、轴承等，种类齐全，既可以让学生充分了解各类机械零部件的特征，又可作为教学载体实施项目教学。一方面，让学生掌握机件常用的表达方法以及标准件、常用件、零件图、装配图等图学知识；另一方面，这些零部件包含了零件设计的基本特征(拉伸、旋转等)、基准特征、工程特征(圆角、孔、筋板、拔模等)和高级特征(扫描、混合等),学生可以掌握各种3D建模方法和标准库的调用、装配、干涉检查、渲染、工程图的制作等三维CAD技术。

为了便于项目教学的组织实施，将大型项目按照零件类型分解成若干个子项目，各子项目之间是层层递进的关系，有明确的工作目标和具体的工作内容，将理论知识按照一定的规律分配、渗透到各工作任务中，其综合了制图与三维CAD技术等内容，涉及面广。

目前，学院机械类专业制图课程是84学时，而三维CAD技术以Creo软件为主，有30学时融合到制图课程中，将三维建模和装配设计、工程图制作的内容穿插到制图中同步教学。为了提高学生的综合应用能力，还另外安排了连续三周的综合实训，其中制图2周、三维CAD技术1周。具体安排见表1。

表1 制图与三维CAD技术融合教学安排表

装配图的识读与测绘是制图课程学习的重点与难点，与后续课程的学习和就业需求息息相关。采用共同的教学载体(例如手压阀)，同步学习三维CAD软件装配体的制作及其剖切、分解、二维装配图的生成方法。图1为由三维软件造型并装配得到的手压阀虚拟装配模型和剖视立体图、分解模型，图2为手压阀由装配模型转换并处理的二维工程图。在融合式的教学过程中，重点训练学生的工程图手绘能力和对图形的表达能力，同时通过三维造型将手工图表达的零部件或装配体转换为二维工程图，以培养学生的图形表达能力。

图1 手压阀三维模型

图2 手压阀装配工程图

教学过程中应注重软件规则与制图国标的融合，三维CAD建模软件中工程图的创建有其自身的算法和规则，有些地方与制图国标不一致，如图线、字体、尺寸样式、纵剖肋板按不剖处理及装配图中实心杆件不剖的规定画法等。因此，必须贯彻执行制图标准，重点培养学生的图形表达能力。

融合式的教学使得制图的教学效果明显改善，而且为后续课程的学习提供了有力的支持。例如在机械设计教学中，师生都可利用已学过的三维CAD建模方法，对相关的结构设计内容进行建模，以便进行工艺性分析、动力学与运动学分析等。这种教学模式的实施，提高了学生后续课程的学习能力，促进了学生实际工作能力和创新能力的培养。

3 独立式阶段的教学设计与教学实践

根据机械类专业的特点，将“三维CAD技术”课程分成实体造型、装配设计、工程图制作、曲面设计、动画制作与机构仿真分析六大模块。其中，实体造型、装配设计与工程图制作三大模块已与制图课程融合进行同步教学，而曲面设计、动画制作与机构仿真分析模块则作为补充的内容在后续单独展开教学，以具有典型特征的工业产品作为教学载体，把水槽、烟斗、把手等作为曲面设计的教学载体，包括了基本特征曲面(填充曲面、拉伸曲面、旋转曲面等)和高级特征曲面(扫描、混合、边界混合曲面等)；把齿轮油泵、牛头刨床作为动画制作、机构仿真分析的教学载体，包括了导杆机构、凸轮机构、齿轮机构和棘轮机构类型，案例典型实用。具体教学内容安排见表2。

高职院校培养的是应用型人才，课程设置以“必需”、“够用”为度，强调实践性和应用性，因此三维CAD技术的Creo软件课程以上机操作指导课为主，共计60学时和2周综合实践，其中一半学时用于与制图课程融合式的教学，另一半学时用于后续独立式的教学。课程最后还设置综合实践项目和拓展性教学项目，主要让学生进行工业产品的创新设计,包括建模、装配、制作工程图、运动仿真等。这些项目工程应用性强，能为学生可持续发展奠定良好的基础。学生通过系统性的训练，创新设计思维能力和综合设计能力显著提高，同时加深了对三维CAD技术应用的认识，为后续课程的学习奠定了坚实的基础。

表2 “三维CAD技术”课程延续性的教学内容安排表

4 结束语

近年来，学院深入开展三维CAD技术与制图课程的融合与延续的教学改革，实践证明，学生在构型、视图表达、读图与绘图等方面能力明显提高。在全国职业技能大赛“工业产品数字化设计与制造” 赛项和“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硕果累累，多次荣获团体一、二等奖，说明该课程大大激发了学生的学习兴趣，有效提升了学生的识图与制图水平，其三维建模能力和创新思维能力也明显得到提高。