从CAD技术的发展趋势看高职工程图学的改革

周红

    ［摘要］文章通过对CAD技术的发展趋势进行分析，提出了目前高职院校工程图学教学内容及课程体系与CAD技术发展的不适应性，并根据三维CAD技术在工程应用的实际情况，指出工程制图应加强计算机三维造型方面的教学，阐述了教学改革的内容，探讨了课程内容和体系改革的新思路。
　　［关键词］CAD技术　工程制图　三维建模　
　　［作者简介］周红（1966- ），女，湖南株洲人，湖南铁道职业技术学院机电系副教授，研究生学历，研究方向为教育管理。（湖南　株洲　412001）
　　［中图分类号］G712　　［文献标识码］A　　［文章编号］1004-3985（2007）03-0111-02

    一、引言
　　工程图学是一门传统的学科，随着计算机软硬件技术的发展，尤其是计算机图形学的发展，CAD（Computer Aided Desigen 计算机辅助设计）技术为这一学科翻开了新的一页。
　　从20世纪50年代至今，计算机辅助设计经历了一个由二维设计到三维设计的发展过程。实践证明，对三维实体进行大量的空间处理需要本质上不同的思维方法和工作方法。这就要求对工程制图的教学内容和教学方法进行改革，以适应CAD技术的发展进程，使学生的学习更有针对性，加强与工作实际的联系。
　　二、三维建模设计是CAD技术的发展方向
　　我国CAD技术起步较晚，其发展过程可分为两个层次，第一层次是建立在以“甩掉图板”为目标的计算机辅助绘图与设计系统之上的，应用国内外开发的一些绘图软件，用计算机来代替传统的手工绘图。近十多年来，随着计算机软硬件的飞速发展，CAD技术也得到迅速普及和发展，利用先进的计算机辅助设计、分析、模拟仿真、加工集成系统，建立全局产品模型，实现无纸化设计、加工，这显示了我国CAD技术应用水平将向更高一个层次发展。
所谓实现无纸化设计、加工，是设计者可以直接在计算机上建立全参数化的三维模型，直观、完整地反映出设计者意图，整个设计过程可以直接在三维模型上讨论、修改、更新，建立起充分而完整的三维模型数据库，并以此为基础，进一步进行应力、应变分析，制件质量的品质分析、空间运动分析、装配干涉分析、NC控制可加工性分析、外观色彩和造型效果评价、商业广告造型与动画生成等。当需要二维图形时，也可直接由三维模型生成高正确率的二维工程图样，这就是计算机辅助设计制造的全过程。由此可见，只有实现三维建模设计，才能实现在设计、制造全过程中数据共享，以真正提高产品的设计质量，缩短设计周期，降低生产成本，提高企业的竞争力。
　　目前，CAD技术已是先进制造技术的重要组成部分，它的发展和应用水平已成为衡量一个国家工业化水平的重要标志之一，尤其是我国加入WTO之后，CAD技术已成为企业进入国际市场的“入场券”。
　　三、现行工程图学教学内容与三维建模的不适应性
　　在传统的工程制图教学内容中，是先介绍形体的三维特征，然后更多的是研究如何用二维图形将三维形体准确地表达出来，即如何用平面的投影规律去解决空间的三维问题。比如求平面与立体的截交线、两立体的相贯线等内容，就是研究在立体表面取点、辅助面等方法来解决截交线、相贯线在二维平面的投影结果。从工程制图的整个教学过程来看，其侧重点是在二维平面上，而在三维立体的形成特征上的描述并不多。
　　但是，在进入了计算机绘图时代，特别是三维CAD设计环境的今天，以上的教学内容需要做相应的调整。主要是因为：（1）设计人员的工作环境是在计算机的三维空间中进行，其实质是通过三维建模来实现的。（2）从设计到加工是以三维数据进行传输交换的，已经淡化了图纸在生产过程中的作用。（3）需要二维投影图时，可将三维模型的其中一维坐标设为零（如需要剖视图时，可设定剖切平面和投影方向），便会产生所需的二维投影图（或剖视图）。
　　工程制图应加强三维建模方面的教学，增加三维造型的内容。二维图形在生产过程中的地位已经大为降低，部分行业已经完全不需要图纸来进行交流。为此，工程制图应侧重于由三维到二维的投影规律、特点的介绍，同时加强二维投影图的读图训练。如对截交线、相贯线的研究，可着重于其投影的结果，至于如何求截交线、相贯线的投影过程等内容则可以减少，甚至删去。
　　四、对CAD与《机械制图》课程改革的设想
　　改革设想主要包括两大部分：课程教学方式与教学内容的改革。
　　教学方式的改革：传统的教学方式在课堂上以黑板板书、挂图、模型的授课形式进行，局限性较大，这是因为挂图、模型所展现的图形都是静态的，二维和三维之间的转换无法形象地表现出来，会使师生双方对教学内容感到枯燥和乏味，直接影响到最终的教学效果。应采用计算机辅助教学手段（CAI），它可以在单位时间内提供较多的信息量以克服传统教学方式在学时方面的不足，并能克服传统教学方式在图形的直观感、立体感和动态感等方面的不足，对教师而言能减少很多重复性的劳动。
　　教学内容的改革：目前许多高校已把工程图学与计算机绘图结合起来进行教学，这也是图形学的发展趋势。同时工程制图应加强三维建模方面的教学，增加三维造型的内容。具体地说，工程图学中的投影法知识、组合体的读图、机件的表达方法、零件图、装配图等内容，利用多媒体课件讲述。多媒体课件三维形体的动画很形象直观，容易增强学生空间想象和空间构形能力。让学生用三维实体造型的方法自制实体模型，为分析形体、想象形体、培养空间思维能力开辟一条新途径。这可大大地激发学生的学习兴趣，有利于创新意识的培养。
　　按照这一思路在我院机电系模具专业进行改革。《机械制图》课程在模具专业开100个课时，分两学期上完，CAD开30课时，一共130课时。《机械制图》和CAD糅合在一起，教学内容和体系可以按“简单几何体建模———投影原理———零件体建模———装配体建模”进行。具体的内容如下：（1） CAD基础知识（绘图环境的设置、绘图命令、编辑命令）；（2）CAD三维造型基础；（3）机械制图的投影原理、国家标准；（4）基本体和带切口的基本体的投影；（5）组合体的三视图和三维建模；（6）标准件和常用件识读；（7）徒手绘图的训练；（8）零件体建模；（9）装配体建模。
　　通过这样的教学方式和教学内容的改革，学生能徒手绘制中等复杂程度的零件图、轴测图，灵活应用计算机三维造型工具进行空间构思，从而形成良好的空间思维、形象思维、创造性思维能力。
　　五、工程图学教育的发展方向
　　紧紧围绕CAD三维建模设计要求，突出培养学生的空间想象能力、空间分析能力以及在计算机上的三维建模能力，这是工程图学教育的发展方向。我们培养的人才要满足技术市场的需求，则必须要培养学生掌握全新的三维建模理念，这不仅仅是课程内容的改变，而且是培养目标的改变。考虑到CAD三维建模设计全面进入企业还有一定的距离，在近期内，我们培养的人才仍需要具有双重能力，既具有二维设计能力（对二维工程图的画图和读图能力）又具有三维设计能力。因此，教学内容和体系可以按“简单几何体建模———投影原理———零件体建模———装配体建模”进行，整个教学内容的全过程都在某种绘图软件下进行（如：AutoCAD2OOO、SoldwokeS、Pro/Engineer2000），这样从一开始让学生就建立的是有颜色、形状、尺寸、位置等关联概念的三维实体，在此基础上再学投影原理，就会易学易懂。其次让学生掌握在三维实体上用形体的关键尺寸和约束尺寸来对形体特征进行修改。这样在设计配凑部件时，各形体之间就不会出现装配干涉现象。这样的教学模式是符合三维建模设计要求的。

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