应用三维设计软件的混合式教学改革与探索

杨磊 陆俊杰

摘 要：工程图纸是产品设计信息表达与交流的技术语言，它广泛应用于机械、航空、船舶、土木、国防、汽车、化工等领域。工程制图课程是广大工科专业一门必修的基础课。随着计算机在工程领域的深入应用以及在工程教育认证的大背景下，很多课程进行了课程压缩。工程制图教学课时几乎压缩至原来的一半，这将引起课程内容过多、教学方法陈旧、CAD实践课程有待优化等问题。针对这些问题，本文提出应用三维软件强大的建模能力，结合工程制图的课程重点和难点，建立与知识点关联的典型案例的三维模型，通过模型操作、视图剖切展示，线下与学生进行交互式、直观的课程知识点讲授。该方法可以降低学生工程制图课程的学习难度，提高教师的教学效率。同时利用网络教学以及三维软件的建模优势，提出应用三维设计软件线上线下混合式教学改革方案。利用超星学习通网络教学平台的资料、活动、讨论、作业、考试等功能，将三维模型、二维和三维CAD软件操作视频传至网络教学平台，进一步丰富了课程内容，提高了课程与企业需求的契合度，进而有助于人才培养质量的提升。

关键词：工程制图；三维设计软件；混合式教学

中图分类号：G642

一、概述

工程图纸是产品设计信息表达与交流的技术语言，它广泛应用于机械、航空、船舶、土木、国防、汽车、化工等领域。工程制图课程几乎是所有工科专业必修的一门课程。它以画法几何的投影理论为基础，在平面上用图形表示空间几何形体。这门课程的主要目的是培养学生的空间想象和空间分析能力，并掌握形体表达的基本方法，读懂工程图样的初步能力。随着计算机辅助设计（CAD）技术的快速发展及应用，传统的手工制图的模式已基本上被CAD所取代，尤其是三维CAD技术［1］。三维CAD软件融入工程制图教学已有一些教师进行了尝试［24］。三维CAD具有强大的建模造型功能，在产品三维造型设计、运动学分析、结构力学分析、动画制作、数字孪生等方面应用越来越广泛。产品设计图纸已由三维模型转二维工程图的方式逐渐取代二维出图的方式，三维直观而又形象的展示方式已被各大行业所青睐。然而目前，高校的工程制图的上机实践课程还是以二维CAD为主。应用三维设计软件融入工程制图教学过程，可以更为形象地表达三维的物体，帮助学生理解课程中的知识点，还能让学生学到物体三维表达的新技能，激发学生的学习兴趣。这种教学方法将社会发展的需求与课程紧密结合，帮助学生更好地规划后续其他课程的学习。

二、工程制图教学现状及存在问题

（一）工程制图教学内容有待调整

当前工程教育认证的大背景下，大部分课程课时被压缩［5］。目前，高校中工程制图课程已由原来的96课时压缩为32课时制图理论+16课时上机实践。长期以来，工程制图的教学内容以点、线、面的投影理论、立体、组合体、零件图、装配图等内容层层推进。这种方法虽然可以使学生对制图知识体系有一个较全面的认识，但是制图理论知识较为抽象、难懂，容易让学生形成“枯燥、乏味”的印象，产生不良情绪，影响课程教学质量［6］。再者，由于课时的压缩，课程进度加快，学生在短时间内掌握制图理论知识也变得更困难，降低了学生学习积极性。在课程压缩的背景下，工程制图的教学内容也需要调整，课程中的重点要细讲，如投影面平行线、垂直线、投影面平行面、垂直面等的投影特点；非重点部分少讲或不讲，如直线的实长和倾角求法、平面的倾角与实形求法、球及圆环表面点的投影等。

（二）工程制图教学方法有待更新

传统的工程制图教学方式是以教师为主导，借助绘图尺、石膏模、木模等工具，讲授制图理论知识。制图中投影理论较为抽象、晦涩难懂，有些同学在点、线、面的投影中的理论知识基本可以掌握，但应用实际三维物体的投影时就难以理解。因为，三维物体到二维图纸，由二维图纸构建三维模型的过程中需要学生具有一定的空间构想能力，这种能力需要通过不断训练、实践来提高。石膏模、木模在一定程度上能够帮助学生提高空间构想能力，但是这类模型存在制作成本较高、模型种类有限、投影线遮挡不清晰、不宜制作复杂模型等缺点，对学生的帮助有限，稍微复杂点的模型学生就难以构想。

随着计算机技术在工程制图中的成熟应用，尤其是三维CAD具有强大的建模造型功能，可以轻松构建出各种各样复杂的模型，不管模型大小，可以通过自由旋转、移动、缩放等功能全方位展示模型的三维结构，还通过视图剖切功能可以清晰地展示物体的内部结构，具有实体模型无可比拟的优势。这种新型的教学方式可以极大地帮助学生理解课程中的难点和重点，提高空间构想能力，调动学生的学生积极性，同时也能提高教师的教学效率。

（三）CAD实践教学内容有待优化

目前，高校的CAD实践课程还是以二维CAD为主，即用CAD软件直接绘制二维图纸。然而，现在很多企业的二维图纸已采用先三维CAD建模，再导出二维图纸的方式，这种方式在很大程度上提高了出图效率。有的甚至直接由三维CAD模型进行产品生产，如CAM数控加工、3D打印等。但这并不意味着二维CAD绘图完全被取代，由三维CAD导出二维图纸还有些细节问题需要在二维CAD中修改。因此，高校的CAD实践课程应当增加三维建模、装配的内容。这不仅能帮助学生更深入地学习工程制图理论知识，提高学生的学习兴趣和成就感，也更有利于培養符合企业需求的学生。

三、应用三维软件的工程制图教学改革探索

在科技大发展的大环境下，为应对课时缩减及企业需求的变化，在工程制图课程中应用三维软件进行教学改革是势在必行。本文基于工程制图课程的重点和难点，结合知识点有关典型模型，利用三维CAD软件构建三维模型，结合超星学习通平台，构建一套线上线下混合式的教学课程。

（一）三维软件在线下教学中的探索

工程制图中关于点、线、面的投影理论知识相较于立体、组合体的投影，学生比较容易掌握，采用绘图尺绘图、PPT演示进行讲授即可。对于立体章节内容，棱柱、棱锥、圆柱、圆锥等基本体表面上点的投影，利用点的投影规律、面内取点法讲解，学生基本可以掌握。对于平面与立体相交、立体与立体相交、组合体的二维绘制、组合体的读图分析等内容，由于涉及截交线、相贯线、不可见线、空间构形等问题，学生理解上存在困难。针对这部分内容，结合课程知识点，选取相关模型，应用三维CAD软件构建三维模型，授课时通过模型的旋转、平移、缩放等操作，直观清晰地展示模型与知识要点的关系，这种三维交互式的教学方式可以促进学生对制图理论知识的理解和掌握。

右表所示为工程制图中几个重要知识的典型模型和对应的三维模型示例，右表中列举的知识点包括多个平面截切棱柱、多个平面截切圆柱、圆柱外外相贯及内内相贯、组合体画三视图画法、剖视图注意的要点等。右表中序号1的模型为一个正垂面和一个水平面截切六棱柱，两个截平面的形状分析、俯视图中被遮挡的棱线是学生难理解的知识点，通过三维模型可以清晰地展示截平面的形状、视图中的遮挡关系。右表中序号2的模型为一个正垂面和一个侧平面截切空心圆柱，两个截平面与空心圆柱外表面和内表面截切形状分析是该部分的难点，通过三维模型可以清晰地展示出截交线为矩形和椭圆以及内外圆柱的转向轮廓线。下表中序号3的模型为一个水平半空心圆柱和竖直空心圆柱相贯，圆柱外表面直径相同相贯线为平面曲线，圆柱内表面直径不同相贯线为空间曲线，这是学生难以理解的知识点，三维模型可以直观地展现出相贯线的空间形状及投影特点。下表中序号4的模型为叠加型组合体，该组合体包含了平面与曲面相切、平面立体与回转体相交、圆柱相贯等知识点，对于组合体学生容易出现交线多画或漏画、视图遮挡关系不明等错误，三维模型可以帮助学生理解、融合、巩固知识点的综合应用。下表中序号5为组合体剖视的模型，剖视图中易漏的线和已表达清楚的虚线不画等知识点学生理解上存在困难，三维模型可以将剖开后的模型直接展示给学生，一目了然。

以上所举例子只是工程制图中的一部分，在授课时不能直接给学生展示三维模型，先引导学生构想三维模型，然后逐步构建二维与三维的投影关系，最后展示三维模型帮助学生构建和修正之前大脑中模糊或错误的三维模型。在传统的教学中，从二维到三维构想过程难度大，犹如一条难以逾越的鸿沟，从而打击学生学习的积极性。三维CAD构建的模型宛如一条跨越这段鸿沟的桥梁，降低了空间构想难度，提高了学生的学习兴趣，通过长期的训练，学生的空间构想能力将不断提升。

（二）三维软件在线上教学中的探索

网络教学具有打破学习时间和空间上的限制、学习资源更加丰富、教学管理更加方便等优势，但也存在学生学习情况不易掌控、师生交流不及时等问题。如果采用线上线下混合式的教学方式，可以发挥两者的优势，提升学习效率，提高教学质量。

超星旗下的学习通平台集成了活动、资料、通知、作业、考试、讨论等功能，教师可以根据课程进度上传相应的资料，如PPT、三维模型、模型操作动画等，学生可以课后在平台上浏览PPT、观看动画、下载模型查看等深入学习课程知识。如果学习通平台能够实现三维模型在网页上进行旋转、平移、缩放等功能，这种交互方式更能添加工程制图线上教学的沉浸感。教师可以通过学习通平台布置作业、课堂过程考核测试、讨论问题等教学活动。根据学生作业情况，找出

较难、易错的题目，构建三维模型课上讲解或上传学习通平台，帮助学生答疑解惑。学生有问题，便可通过平台向教师求助。

利用网格教学平台，学生与教师的交流可以不受时间和空间的限制。应用三维软件可以解决大部分工程制图中的问题，通过网格教学平台将解题思路和三维模型发布，可以帮助教师给学生答疑解惑的效率。利用平台的讨论、分组任务、活动等功能，能调动学生的学习兴趣。

（三）三维软件在CAD实践教学中的探索

目前，高校的CAD实践课程还是以二维CAD为主，包括软件的基本操作、绘图命令、标注、图块、零件图等。企业在结构设计、运动分析、产品展示、动画制作等方面对三维CAD都有需求，因此在CAD实践课程中融入三维CAD的入门教学，有助于学生后续课程规划、学习新技能、提高求职竞争力。虽然CAD实践只有16课时，但是内容相对简单，大部分学生掌握得较快，可以压缩出2至4个课时讲解三维CAD的入门课程。二维CAD课程内容的授课时长需要相应调整，对于二维CAD中软件的基本操作、绘图命令，教师可以录好教学视频，发布到网络教学平台，线下课程则缩减软件基本操作、绘图命令练习时间，软件操作和命令在零件图部分加强训练和熟悉。压缩出的课时用于讲解三维CAD的入门，内容包括草图设计、三维特征命令、修改命令、简单的装配等。三维CAD中草图设计的内容与二维CAD大同小异，可以快速讲解。三维CAD教学内容全部录制视频，发布到网络教学平台。线下课程则以几个三维建模案例进行教学。这种教学方案利用了线上线下混合式教学的优势，将软件操作、绘图命令等内容移至线上，提高了线下课堂的利用率，添加了三维CAD课程内容，不仅丰富了课程内容，更提高了课程与企业需求的契合度，提高了人才培养质量。

结语

本文阐述了工程制图教学课时压缩、课程内容有待调整、教学方法有待更新、CAD实践课程有待优化的现状，针对这些现状，本文提出应用三维软件强大的建模能力，结合工程制图的课程重点和难点，建立与知识点关联的典型案例的三维模型，通过模型旋转、平移、缩放、视图剖切等操作，线下与学生进行交互式、直观的课程知识点讲授。该方法可以降低学生工程制图课程的学习难度，提高教师的教学效率。随着网络教学的发展，线上线下混合式教学的优势不断显现。利用超星学习通网络教学平台的资料、活动、讨论、作业、考试等功能，将三维模型，二维和三维CAD软件操作视频传至网络教学平台，进一步丰富了课程内容，提高了课程与企业需求的契合度，有助于人才培养质量的提升。

参考文献：

［1］袁恩先.融合三维CAD技术的“工程制图”课程教学改革探讨［J］.化工时刊，2022，36（9）：5052.

［2］刘晶.工程制图课程与三维CAD软件并行开设的教学效果研究［J］.化工高等教育，2020，37（4）：4.

［3］张月，杨建，徐东涛，等.基于SolidWorks的画法几何及［J］.中国冶金教育，2022（5）：3738.

［4］李杞超，张洪军.“工程制图”课程与“CAD技术”课程融合研究［J］.黑龙江教育，2023（2）：2931.

［5］曾威，孙文，孙艳萍，等.工程教育认证背景下面向工程实践的“工程制图”课程教学改革［J］.科技资讯，2022，20（23）：4.

［6］孙艳萍，鲍泽富，曾威，等.以工程应用为导向的“工程制图”课程教学改革［J］.西部素质教育，2021，7（11）：3.

基金项目：上海市教委2022年度上海高校青年教师培养资助计划项目——ZZ202212036

作者简介：杨磊（1987— ），男，江西上饶人，博士，讲师，研究方向：结构冲击力学、智能制造。

*通訊作者：陆俊杰（1990— ），男，上海人，博士，讲师，研究方向：转子动力学、工程摩擦学、智能制造。