基于全国成图大赛的“工程图学”课程教学改革探索

［摘 要］ 随着三维成图技术的日趋成熟，工程产品的设计回归设计思维的本源，冲击着现行“工程图学”课程教学体系。全国大学生成图大赛融合了现阶段我国制造业界、工程界对工程图样的最新要求，重点考查大学生三维成图技术和图样信息化处理技术的创新应用能力。通过调整教学目标、教学内容、教学方式和考核评价方法等，构建新的“工程图学”课程教学体系，将三维成图技术和图样信息化处理技术完全融入其中。实践证明，“徒手绘图+尺规成图+计算机成图”的新模式符合教与学的规律。

［关键词］ 工程图学；教学改革；创新能力；三维设计；教学模式

［作者简介］ 袁望姣（1969—），女，湖南双峰人，硕士，中南大学机电工程学院副教授，主要从事计算机辅助设计与先进机械设计方法研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）25-0063-04 ［收稿日期］ 2022-09-06

在制造业领域推行数字化、智能化，提升工程产品设计、制造能力与品质，推进信息化与工业化的深度融合，是我国实现从制造业大国向制造业强国转变必须占据的制高点之一［1］。先进的工程产品成图技术，是在工程产品设计过程中借助计算机辅助设计和其他先进设计方法实现工程产品工作原理、空间几何关系、本质安全性能等的模拟研究和优化设计，提高了设计制造的精准度和安全性。利用计算机辅助设计与先进设计方法处理工程产品图样、优化工程产品设计，改变了传统的工程产品设计模式［2］，体现了计算机技术与制造技术的有机融合。

一、大赛要求与我校“工程图学”课程教学问题

“全国大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛”是由原教育部高等学校工程图学课程教学指导委员会等单位联合主办的全国性大型学科竞赛活动［3］。大赛以激励在校大学生学习先进的成图技术和图样信息化处理技术、探索工程图学的发展方向为宗旨，助力应用型创新人才的成长。大赛内容的创新性、成图技术的先进性、与社会需求的融合性、大学生参与的广泛性，推动着我国高校工程图学的教学改革。据统计，2021年度有550多所高校、14万多名大学生参加了比赛［4］。

工程图样作为工程界的技术语言，起源于18世纪末法国人加斯帕尔·蒙日创立的画法几何［5］，我国学者赵学田将其基本原理概括为“长对正，高平齐，宽相等”［6］。画法几何把工程产品复杂的三维关系用简单的二维图样精准地表达出来，方便了相关人员的识图、制图和交流。

现阶段，我校“工程图学”课程教学基本的组织模式是“工程图学基础+专业特需”，依专业的不同要求，教学内容各有侧重。工程图学基础包括基础理论、尺规成图和计算机二维成图等；专业特需则是根据各专业的特点，引进各具专业特色的计算机成图软件和图样信息化处理软件，进行专业性较强的深层次工程图学教育，以实现工程产品的优化设计等。如机械工程、地质工程、采矿工程等专业因追求工程产品系统内部各组成单元间的空间关系，广泛采用SoildWorks、Pro/E、Surpac、3DMine等软件工具构建三维可视化工程产品图形，从而完成相应的课程设计或毕业设计任务。

受课程学时和专业总学时的限制，“工程制图”作为我校工科各专业的专业基础课，现阶段仍以二维成图为主组织教学。机械工程、采矿工程等少数专业在计算机三维成图和工程图样信息化处理技术方面设置了包括课程设计、创新实践等实践性教育环节，以培养学生解决复杂问题的能力。

我校目前开设的“工程图学”课程存在以下问题。一是开课时序与成图大赛不相匹配。每年大赛赛程一般是学校选拔赛在4月中旬，省级预选赛在5月底，全国比赛在7月中下旬。以目前我校机械类专业“工程图学”课程（80学时）为例，在第一、二学期完成“工程图学基础”（含计算机二维成图）的课程教学任务后，到第四学期开设“机械产品测绘与三维设计”和“工程图学综合设计与创新实践”等后续课程，影响了学生参加上半年举行的比赛。二是实验条件不能满足三维成图技术和图样信息化处理技术教学的需要。现有工程图学实验室的硬件（计算机配置、3D打印等）、软件（AutoCAD、SolidWorks、Pro/E和其他三维成图软件）还不具备面向各工科专业学生教授计算机三维成图内容的条件。

二、与大赛相适应的课程教学体系改革设想

工程产品是以三维形态存在的，三维设计也符合人的设计思维逻辑。随着计算机三维成图技术和工程图样信息化处理技术的发展和成熟，三维图样对工程产品特性表述的准确性、图样识别的容易性和交流的方便性得到有效改进，使得三维工程产品图样的应用越来越广泛。以现有的“工程图学”课程教学体系为依托，将三维成图技术与图样信息化处理技术作为通识内容纳入“工程图学”课程教学范畴主要有三种形式。

第一，外挂式引入。保持现行的“工程图学”课程教学体系不变，在现有的学时之外，以必修课程的形式增开三维成图技术与图样信息化处理技术方面的课程，并将之列入课程设计、毕业设计等实践教学环节的训练内容。现阶段中南大学机械类专业与采矿工程专业对三维成图与图样信息化处理技术等知识的引入，就是采用“工程图学基础+专业特需”的模式。这种模式的好处是能够充分体现专业的需求，但基础部分和专业特需部分存在脱节现象。

第二，模块化引入。将“工程图学”的课程教学内容划为画法几何、机械制图、计算机成图3大模块。在总学时保持不变的情况下，在前两个模块中删除画法几何方面的内容，对平面立体、曲面立体及截交、相贯等部分内容也进行了较大的删减，将点、线、面及简单几何体的投影规律和投影特性调整到形体投影中加以简介，尽量压缩学时以组织计算机成图模块教学。这种模式的优点是各模块保持其内容的系统性，便于学生学习与理解。

第三，融入式引入。在计划学时没有较大增量的前提下，依照现行的“工程图学”课程教学体系，以传统的画法几何、机械制图为主线，将计算机二维、三维成图方面的内容按章节完全融入画法几何、机械制图等相应的内容之中，形成“徒手画图+尺规成图+计算机成图”的新模式。这种模式的优点是方便学生循序学习，保证各知识点内容的完整性，便于学生理解和掌握，符合教学规律。

三、融入式“工程图学”课程教学体系的构建

基于计算机技术的工程产品三维数字化成图技术，使得工程产品的设计思维、加工方法发生了颠覆性变革。将计算机三维成图与图样信息化处理技术完全融入现有“工程图学”课程教学体系，并对原有教学内容、实践训练和服务于教学内容的教学条件进行改造，构建新的“工程图学”课程教学体系，才能满足制造业发展对人才的要求。

（一）课程教学体系的构建

构建新的融入式“工程图学”课程教学体系，具体可从以下几个方面实施改革。

1.教学目标的调整。新的“工程图学”课程教学体系旨在培养学生的识图及图样表达、空间想象、工程实践、创新设计，以及计算机辅助设计与优化设计等方面的能力。教学时应引导学生的工程产品设计思维由二维回归到三维。

2.教学内容的调整。着重将以尺规成图为主的训练模式变为徒手绘图、尺规成图和计算机成图相结合的模式。依托AutoCAD、SolidWorks、Pro/E、3DMax等计算机辅助设计软件，将工程产品的三维表述融入相应的工程图学基础课程体系中，加强徒手绘图、计算机三维成图知识的传授与训练。徒手绘图能够方便、快捷地记录设计灵感，表达设计意图，时效性强，应用方便。工程产品的数字化三维模型有利于学生进一步进行工程产品的原理模拟和设计优化。零部件测绘时，先徒手绘装配示意图、二维图形，再通过计算机三维成图技术生成装配模型，完成拆装动画和工作原理演示的仿真设计，并在此基础上进行创新或优化设计，最后根据需要转化为二维工程图。

3.教学方法的调整。建立课内、课外学习相结合的教学模式，并将课外学习情况纳入平时成绩的考核范围，推动建立方便学生自主学习、自主训练的网络课程体系。对于国家标准如《技术制图》和《机械制图》中的有关规定，标准件与常用件、AutoCAD、SolidWorks等软件的操作和命令等内容，可利用在线课堂或微课等网络媒介，引导学生自学。

4.课程考核体系调整。在新的“工程图学”课程教学体系中，对学生学习效果的考核兼顾线上和线下，对徒手成图、尺规成图、计算机二维和三维成图等进行全方位考查，从基本知识、基本技能、综合能力和创新能力等方面对学生做出公平、公正的评价。

5.实验室条件改善。将计算机三维成图技术融入工程图学教育，引发了“工程图学”课程教学体系的变革和设计产品思维的调整。但目前的课程教学条件，如实验室的计算机、三维数字模型的输出与3D打印机、SolidWorks和Pro/E以及3DMax等三维图形成图软件，都有待于建设。

（二）改革试点

选取了机械类2021级2个班与冶金材料类2021级2个班进行将计算机三维成图融入课程的教学改革，力求将现代设计方法和设计手段贯穿教学全过程，以培养学生的空间想象能力、绘图能力、计算机三维造型设计能力和二维工程图的读图和表达能力。在实践环节，学生经历了尺规绘图、徒手绘图、SolidWorks三维成图生成二维工程图的全过程训练。因教学内容和培养目标的改变，则必须精心组织教学过程，改进教学方法和手段。

教师准备了充足的网络教学资料，制作了包括教学课件、微课视频、典型例题、模型库、作业库等在内的线上线下资源供学生随时随地学习。在学校可视化信息平台上传了教学课件，建立了作业库，开启了在线随堂测试，以了解和掌握学生的学习情况和学习效果，引导学生自主学习并培养其综合运用所学知识解决问题的能力。

在课程讲授时，适时应用SolidWorks建立三维模型，还用动画演示弥补了以前的不足，使得教学更直观、生动。基于SolidWorks的计算机三维成图技术的“工程图学”课程教学体系，如表1所示。

（三）实践案例

进行相贯线相关教学时，传统的教学方式是进行PPT演示，学生处于被动接受状态，学习效果欠佳。而采用计算机三维建模技术，可以让学生主动介入，直观显示内、外形体，并利用SolidWorks的剖切功能在窗口实时查看。通过修改尺寸，还可观察圆柱直径发生变化时相贯线形状的变化。

进行装配体相关内容的教学时，可应用SolidWorks的机械配合，完成齿轮啮合的工作原理演示；还可利用单击软件屏幕左下角的运动算例按钮进入运动模块，添加马达，制作齿轮油泵运转的动画。利用压缩或更改透明度，可随时观察装配体内部结构。利用爆炸分解功能，可实现齿轮油泵拆装在课堂上进行动画演示。

结语

基于三维图样的工程产品设计符合人的认知过程，是工程产品优化设计的基础。将计算机三维成图技术和谐融入现行的“工程图学”课程教学体系，不仅导致授课内容、授课方式和考核方式等方面的变革，更促使了工程产品设计思维的回归。因此，以成图大赛为推手，顺应快速发展的先进制造业需求，构建徒手成图、尺规成图和计算机成图三者紧密结合的新工程图学课程体系，可全面提升大学生的识图与图样表达能力、计算机成图能力、创新能力和实践能力，培养出满足当代社会信息化与工业化融合发展需要的创新人才。

参考文献

［1］国务院关于印发《中国制造2025》的通知：国发〔2015〕28号［A/OL］.（2015-05-19）［2022-08-03］.https：//www.gov.cn/zhengce/content/2015-05/19/content_9784.htm.

［2］张海娟，谈利斌.计算机技术发展给工程图学教学带来的巨大变革［J］.科技视界，2017（8）：157+146.

［3］毛文颜.我国工程图学的历史演变和未来发展研究［J］.考试周刊，2012（44）：162-163.

［4］刘克明.赵学田对中国图学学科建设的贡献［J］.图学学报，2016，37（4）：443-450.

［5］李怀健，王剑平，张琪，等.基于成图与建模创新大赛的思考［J］.图学学报，2013，34（3）：134-137.