关于《机械制图》课程引入计算机辅助教学与CAD提高教学效率探讨
摘要：为了解决制图课程传统教学方式、方法存在的弊端，根据当今多媒体技术、计算机辅助教学的发展和教学需求以及计算机技术的广泛应用，探讨关于制图课程引入计算机辅助教学和CAD的构想和做法。
《机械制图》是中等职业技术学校工科学生（特别是机、电类学生）最重要的技术基础课之一；是一门培养学生阅读和绘制工程图样，培养空间想象能力和逻辑思维能力的课程；是对后继专业课的学习有直接影响的与生产实际密切联系的基础课程。由于中职学生大部分都是初中毕业，一入校就学这门课，基础差，又无实际经验，立体几何水平又较低，学生学起来感到很难，不容易掌握，不少学生由此产生畏难、厌学情绪。特别对于那些数学基础较差的学生更是如此。其实大多数学生都能够意识到制图的重要性，在制图课的学习中也花了很多的时间，但效果并不理想。这其中有学生基础差的原因，也有教学方法、教学手段落后的原因。随着科技的发展和进步，出现了计算机多媒体技术，并且得到迅猛的发展，随着计算机辅助教学在各学科中的应用日益普及。对于制图这一学科，引入计算机辅助教学，采用多媒体教学方式是当前的迫切需求。其优点、优势尤为突出。它将图、文、声、动画、视频集于一体，声情并茂，为制图教学创造出最佳的教学效果。另一方面随着计算机的广泛应用和普及，生产实际中对制图的要求也随之发生了很大的变化。图板丁字尺等绘图工具、绘图仪器已经被计算机所取代；手工绘图已经被计算机绘图所取代。因此制图课的教学也必须跟上时代发展的步伐。引入计算机辅助教学，及时调整我们的教学方法、内容，对学生提出新的要求，采用现代化的教学手段，培养出现代企业需要的高素质的劳动者。
一、 引入计算机辅助教学，改进教学方法，提高教学效果。
1、传统教学模式、方法的弊端和不足
制图课程是中等专业学校学生必修的一门专业基础课。其教学的主要目的是：培养学生的画图和读图能力。教学的重点和难点是：培养学生的形象能力和空间想象能力。这门课学习的好坏将直接影响后续专业课的学习及毕业后的就业。教学的原则是：以看图为主，看图与绘图相结合。在教学的全过程中都离不开图形演示。传统的教学模式是：以静态的挂图和幻灯片，陈旧、不易携带的实物教具等帮助学生建立空间概念。因此，存在很多弊端：挂图、幻灯片、模型只能反映结果，不能表达过程的形成与变化。在结果给出之前，教师必须用语言准确、生动、形象地来描述，并且要不断地重复讲述。即便如此，也难以达到较好的教学效果。传统的教学模式与方法难以满足教学上的要求，也难以激发学生的学习兴趣。而计算机辅助教学具有适应性强、应用面广等特点，用来代替各种挂图和实物模型，就能弥补这些不足，从而提高课堂教学的效果。
2、多媒体技术应用到计算机辅助教学是制图教学改革的需要和发展趋势
多媒体技术使计算机实现了有声可视，并且将图、文、声、动画、视频、影视等多种形式融合成一体，产生更生动、形象、逼真的表达效果，扩大了人的感知空间。多媒体技术运用到制图的教学中来培养学生想象能力和空间思维能力就变得容易多了。通过观察物体的空间形状和结构，画出其平面图形（视图），即由空间到平面，再根据平面图形想出物体的空间形状和结构，即由平面到空间。这样反复训练就能很快培养起学生的空间思维能力。要完成这种训练，采用计算机辅助教学完全可以取得事半功倍的效果。利用计算机辅助教学可以画出各种物体的三维图形（采用AutoCAD中的三维实体造型比在黑板上画轴测图要快得多），这些图形可以在空间任意放大、旋转（在黑板和挂图上是不能实现的），我们就能让学生从不同方向观察它的形状结构，根据投影原理画出它的二维图形，这样学生学习起来就很容易理解和掌握，有利于提高学习的积极性，增强学生的自信心，培养对制图的学习兴趣。如果有条件，制图习题集上的练习题可以画出二维平面图和三维立体图进行对照，通过评讲，让学生真正理解和掌握制图的基本原理和基本方法。除了用计算机进行教学外，还应该带学生到车间现场进行参观了解，增加对实际机器零件的感性认识，也有利于空间思维的培养。在制图的教学中，应尽量采用生产中的实际图样让学生进行读图的练习，使理论和实际紧密结合起来，达到学以致用的目的。
由此可见，开展计算机辅助教学既是当今时代教学上的迫切需求，同时也是教学深入改革的需要。
二、 引入CAD的课程内容，提高中职学生的综合素质
随着科学技术的迅猛发展和计算机的广泛应用，生产实际中对制图的要求也随之发生了很大的变化。图板丁字尺等绘图工具、绘图仪器已经被计算机所取代；图纸等技术文件已经放进了计算机磁盘；手工绘图已经被计算机绘图所取代。由此许多中职学校开设了《CAD》这门课，这对于机械制图课程的教学起到了极大的促进作用，彻底改变了传统的教学方法，教学效果明显提高，学生学习兴趣、热情高涨。
1、当前的教学现状
当前，很多学校的《机械制图》与《CAD》是两门独立的课程，分别由两个专业的老师讲授，机械专业老师讲授《机械制图》，计算机老师讲授《CAD》。把这两门有关系的课程割裂开来，增加了学习课时，教学效果还差。各级职业教育管理部门也注意到了这样一些问题，着重提到了一个新名词：课程的综合。就是打破课程的系统性、专业性，强调实用性、够用的原则，减轻学生的学习负担，提高教学效益。这个问题提的很好、很及时。我们职业学校的培养目标是生产一线的中、高级技术工人，要在有限的时间掌握更多的实用技术。在机械制图与CAD教学实践中，应该以培养学生的识图能力和空间想像能力为主，以绘图为手段的教学目标。以往的教学实践中，我们是以CAD绘图能力作为重点进行培养的，结果我们并没有多少学生以绘图为工作，而大多数的学生是在流水线上的操作工，只要会看图就行了。因此，对一些优秀学生提出较高要求，掌握绘图技巧，而对一般学生只要会看图识图就可以了。这样，教学才有很强的针对性，起到事半功倍的效果。所以随着教学和生产的需要《机械制图》与《CAD》这两门课程就结合到一起，成了一门新课：《机械制图与CAD》。
2、《机械制图》与《CAD》的关系
有不少人这样想：有了《CAD》课程还要《机械制图》干什么，直接开《CAD》就可以了。这显然是认识上的偏差，所以，我们有必要搞清它们之间的关系问题。
《机械制图》课程就是研究绘制和阅读机械图样的原理和方法的一门专业基础课。它的目的和任务是：学习正投影的基本理论；掌握阅读和绘制机械图样的基本知识、基本方法、贯彻国家规定等技能；培养对空间想像的能力；好的工作作风和工作态度。而目前我们使用的《CAD》是Autodesk公司开发的一种绘图软件，是当前最流行的计算机辅助设计软件之一。它主要研究的是如何利用各种命令绘制各种图样。对我们职业学校来讲《CAD》可以看做是一种绘图工具：显示器可以看做是图板和图纸；鼠标和键盘可看做是铅笔、直尺和圆规。当然，《CAD》里的工具还要比手工工具丰富的多了。它极大的提高了绘图效率和绘图质量，是手工绘图效率的十至二十倍，是机械设计及制图的一场革命。有许多手工不能绘制的图形，计算机能绘制出来，比如《CAD》三维模型。《CAD》取代了手工制图方法，但并没有取代制图理论和制图的一些标准、规范，相反，它是在机械制图理论、标准下开发出来的绘图软件，并极大的丰富了制图理论，而且，还增加了CAD制图标准。
3、调整教学内容，制定新的教学计划和方案
学校要科学合理地实施素质教育与能力培养的要求，满足社会的需要，必须对课程内容进行改革与调整，改变那些交叉重复、陈旧老化，不符合社会发展要求的课程内容。补充一些新的、企业需要的、对学习提高有用的相关知识。其次，在CAD部分的教学中，应该以基本绘图和基本编辑为重点，学生必需掌握。加上轴测图的画法，和一些简单的三维造型设计，提高学生学习的兴趣。把CAD作为一种工具来使用，教师把它作为辅助教学手段来处理，把看图、识图能力的培养作为重点来进行教学。这样将它们有机地穿插在一起，增加了教学的直观性和趣味性，彻底改变了传统的教学模式，变要我学为我要学，提高了教学效果。下面结合教学实际谈谈《机械制图》教学中应用AutoCAD的部分体会。
（1）CAD在《机械制图》国家标准中的应用
《机械制图》国家标准是机械制图的基础，是现在工艺生产中最基本的技术文件，以前对绘图仪器和工具的使用以及制图的标准要求较高，现在采用计算机绘图，对字体、比例、线型以及图纸幅面等标准可以不做要求了，字体形状和大小可以根据需要随意调整；比例和图线可以调整设置；标题栏和图纸幅面可以选用模板；常用的几何图形的画法，如等分线段，等分圆周，画椭圆等旧的绘图方法已无多大用处，圆弧连接的方法也都不适应现在绘图的需要。教师在教学的过程中可根据实际需要，调整教学内容，增强课程的易学性和实用性。
（2）CAD在《机械制图》画法几何中的应用
画法几何中的点、线、面的投影比较枯燥和抽象，学生们不宜理解和运用所学理论知识。学生在学习投影面的各种平行线（面）、垂直线（面）、及一般位置线（面）的投影特性的过程中普遍感到比较困惑，更不用谈如何应用这些知识进行对形体的线面分析了。这主要是由于图中的点、线、面不象实体一样在生活中能摸得着、看得到具有很强的直观性。在AutoCAD中用坐标方式输入点来绘制空间的点线面，利用“视图”中的“视口”，创建四个视口，分别设为主视，俯视，左视，西南轴测。即可直观地看到空间的点线面及其三面投影。还可采用“绘图”中的“实体”来创建三维模型。在三维模型里利用“修改”中的“实体编辑”中的“着色线”，“着色面”来选取三维模型中相应的线，面便可分析不同位置的线面投影特性。这样就可将抽象的点线面知识融入到直观的三维实体中，把所学知识连贯起来，同时又对学习物体的投影起到促进作用。
（3）CAD在《机械制图》组合体中的应用
组合体视图这部分内容是制图教学的重点和难点，题型多为补出第三视图和补缺线。在讲这部分内容时，常常采用形体分析法和线面分析法，一边分析一边对照实物模型或挂图进行讲解，这时学生必须充分掌握线面的投影特性和基本几何体的投影特征，并且要求学生积极思考，充分想像，在头脑中形成空间点、线、面，才能综合起来想清楚组合体的整体形状和各部分相互的连接关系。而中职学生大部分做不到这一点，如果没有实物形体的对照，学生就很难画出正确的平面三视图。因此在以往的教学中常常用切萝卜、捏橡皮泥的方法来制作实物形体，帮助学生提高空间想像能力。但这种制作方法只对一些简单形体有效果，而对于复杂形体的制作就有一定的难度，有的形体根本制作不出来。而借助AutoCAD进行建模，不管形体有多复杂，数量有多少，都能方便、迅速地进行制作。对于制作后的这些形体，能表达组合体的组合形式，各个面、线的实际形状以及各部分的连接关系；利用还能对局部或整体进行自由缩放，从而使学生看清重点部分或细小结构的形状；还可以通过自由旋转实体，看清楚形体在前后、左右、上下六个方位上表面的连接关系，再使用“三维视图”确定看图方向，逐一分析视图情况，然后画出三视图。对于基础较差的同学，制作一系列由简到繁、由浅入深的零件模型，让他们自己分析各个视图的形状特征，逐步增加他们对视图中线和框的感性认识，通过几次反复运作后，逐步对空间的线面和三视图中的线、框之间的对应关系加深认识，这样就在学生的头脑里架起二维视图和实物模型之间的一座桥梁，通过AutoCAD的三维建模，帮助学生实现从二维到三维的转换，充分发挥了学生的空间想像能力，学生就能应用线面分析法和形体分析法独立分析视图、读懂视图。因此，学生普遍觉得制图课比以前生动了许多，容易了许多，学习兴趣也大大提高了。
（4）CAD在《机械制图》剖视图中的应用
剖视图是表达机件的另一种方法，用剖视图表达的形体常常有较多孔、槽等，因而图形中虚线较多、形体也更加复杂。在讲解剖视图时，由于图形中线条的交叉重叠，使学生更难想像出实体形状。而剖视图的形成是假想用剖切面剖开机件的，因此学生很难理解“假想”；弄不清剖视图的形成过程、剖切平面的剖切位置，不知道哪些实体被剖切平面剖切，哪些地方要画剖面线。为此，我们用AutoCAD通过建立各种零件模型后，用“绘图”中的“剖切”的功能，剖出零件，我们可以通过用不同的位置剖切平面对形体进行剖切，分析出剖切位置对剖视图画法的影响，从而加深对剖视图画法的认识：即必须让剖切平面通过更多的孔和槽，再借助于“三维视图”，多方位、多角度地观察剖切视图，这样就很容易分析出剖切以后的实际形状了。另外还可以制成零件模型，生成工程图，然后用“绘图”中的“设置”功能，选择好剖切位置后，立刻生成剖视图或断面图。使用这样的功能，对教师讲课和学生学习有很大的帮助，不用费很多课时就能很好地完成教学任务，达到事半功倍的效果。
(5)CAD在《机械制图》尺寸标注中的应用
尺寸标注对在校的职业学校学生来说又是一个难点，难在对尺寸标注基本原则的理解和应用上。教学中经常发现平面图形的尺寸标注学生容易理解，而三视图的尺寸标注学生就不易理解了。往往是看到两个点，或一条线就直接标注尺寸，错误较多，不能充分理解“同一尺寸只标注一次”，和“交线处不标注尺寸”的基本原则。教学中根据所给三视图，运用AutoCAD中的三维建模功能创建相应的三维实体，在实体中用“标注”中的选项进行尺寸标注，用“视图”中的“视口”，创建四个视口，分别设为主视、俯视、左视、西南轴测。即可在四个视口中同时看到所标注的尺寸这对学生理解和应用“同一尺寸只标注一次”很有好处。另外在三维实体中还可帮助学生分析交线在哪，其是怎样产生的，以及与哪些几何对象有关系。标尺寸时只能标出确定其交线相关位置的尺寸。利用“视口”还可看到交线的三面投影，理解“交线处不标注尺寸”很有启发作用。这样以来学生不仅对三维实体有形状还有了大小的概念。
(6)CAD在《机械制图》零件图中的应用
零件图的识读是我们职业学校学生必需掌握的知识，以后用人单位首先要考察就是这方面的内容。而且，就业后用得最多的也是这些知识，教学内容可以把零件图作成幻灯片从四方面来进行：标题栏;视图；尺寸；技术要求。在CAD中，标题栏有样板文件可以调用；视图可以用CAD三维造模；尺寸可以结合CAD中的尺寸标注样式的设置和尺寸标注命令的使用进行讲解；技术要求应结合表面粗糙度的块的属性设置和文字的输入进行讲授。这样将它们有机地穿插在一起，增加了教学的直观性和趣味性，彻底改变了传统的教学模式，变要我学为我要学，提高了教学效益。
(7) CAD在《机械制图》装配图中的应用
对装配体的教学，教师普遍感到比较困难，因为职业学校的实习比较单一，缺乏实际经验，对装配体的结构、工作原理、零件间的装配、连接关系及主要零件的结构形状都缺少感性认识，只能是教师怎么讲，他们就怎么记，不能独立分析。在教学中仅靠几个教具模型，是远远不能满足教学需要的。因此，充分利用CAD中块的这一功能，把多个三维实体零件装配在一起形成装配体，并对装配体进行模拟装配。学生一方面能通过零件模型看到每一个装配体的真实形状，另一方面，通过装配体能看明白各零件之间的连接关系、动力传动路径，从而分析出各个零件在装配体中的作用等。通过我们在多媒体教室的演示教学，增加了学生的感性认识和对空间物体的认识能力，学生普遍感到学读装配图不再是那种死记硬背、纸上谈兵式的学习，学习积极性也大大提高了。对于老师还没有讲的题目，他们也能试着自己分析了，读图和识图能力有了明显的提高。
总之，CAD极大的丰富了机械制图的教学内容，改变了机械制图的教学方法，是一场制图教学的革命。比如，CAD中三维模型的设计就是制图学中没有的内容，而且，随着计算机技术的不断发展，三面正投影图，由于直观性不强的弱点，将逐渐被三维模型代替。CAD/CAM技术的进步与推广，CAD制图教学也将得到进一步的发展。在一些发达国家，U—G、Pro—E、Solidworks等先进的三维绘图软件的应用已经很普遍。只要设计出了三维零件图，和绘图软件相连的加工设备就能直接生产出产品，极大的提高了生产效率。近几年内，我国也必将得到普及。随着教学设备和教学技术的进步，我们今后的教学也将会大有作为，我们中职学生将会学到更多、更有用的先进技术与技能，提高他们的综合素质
4、加强计算机绘图能力的培养和训练
“职业教育要培养同二十一世纪我国社会主义现代化建设要求相适应的、具备综合职业能力和全面素质的、直接在生产、服务、技术和管理第一线工作的应用性人才”，这决定了我们教学的指导思想是以岗位能力为本位。计算机绘图能力的培养和训练正是满足了这样一种思想。计算机绘图是企业需要的一种技能。工矿企业很多技术图样（新产品的设计，老设备的改造，旧的技术图样的磁盘保存等等）都需要在计算机上完成。现在计算机绘图软件有很多种，每种都有它的特点，但主要内容是一致的，包括平面图形的绘制和三维实体的绘制以及尺寸和技术要求的标注。学生重点掌握1-2种绘图软件，达到非常熟练的程度，在以后的课程设计和毕业设计中，能将所有的零件图和装配图用计算机绘制出来。要达到这样一种能力，在制图课的教学中就必须安排足够多的时间上机教学和练习。AutoCAD中平面图形的绘制需要20多学时，实体造型需要20多学时，这些学时可以安排在制图课的总学时中，制图的理论知识可以融合在上机的训练中，例如，绘图的基本知识与AutoCAD绘图环境放在一起介绍；投影原理结合AutoCAD的基本绘图命令（含点、线、面、圆等）来介绍；截交线、相贯线、组合体等内容和实体造型中的拉伸结合起来，通过拉伸增料和旋转增料可以得到各种基本体的三维实体，通过拉伸增料、拉伸除料及旋转除料可以得到叠加式组合体和切割式组合体，同时可以从多个方向来观察它的投影，得到三视图；图形的尺寸注法融入AutoCAD尺寸标注的设置中；标准件和常用件融入块和属性的操作中；这样既可以减少理论课的学时，又有利于学生理解和掌握制图的基本理论，培养起较强的空间思维能力，收到好的教学效果，提高教学效率，增强了学生的动手能力。通过足够的上机训练，学生计算机绘图的能力和画图技巧就可以达到一般企业对制图人才的要求。
总之，通过使用AutoCAD应用于《机械制图》教学中，学生找到了二维平面和三维立体之间相对应关系，在培养空间想象能力上起到关键性作用，学生的学习兴趣和学习热情都得到很大的提高。
三、增强教师的专业素养，提高教师的实际操作技能
“教师要给学生一碗水，自己应有一桶水。”要把制图课讲得生动形象，把抽象的理论变成直观，让枯燥的条文变得有趣，除了有很好的口才和表达能力以外，还必须具有机械专业的相关知识，如金属工艺学、机械制造工艺学、机械零件与机械原理、公差配合与技术测量等，这些知识在制图中的零件结构、表面质量、加工方法、材料选择、技术要求、连接装配关系等方面都要用到。只有具备这些知识才能应用自如地举出生产中的典型例子，让制图与实际结合起来。作为教师还必须以当代最先进的知识智能装备自己，不断调整不适应社会需要的落后的知识结构。随着计算机的飞速发展，计算机绘图已经取代了传统的手工绘图，制图课教师除了有较强的理论外，还必须熟练地掌握和应用几种计算机绘图软件，以便采用计算机辅助教学以及对学生进行计算机绘图的训练和指导，培养学生的绘图技能和绘图技巧。此外，教师还应具备加工、装配和测量等方面的实际操作技能。
总之，制图课作为各类中职工科院校普遍开设的一门技术基础课，在提高教学效率方面，教师必须不断充实自己及时吸取本学科及相关学科的最新知识，把握教学改革的动向，增强教学的预见性，这样才能培养出适应社会发展的高素质人才。
参考文献：
1、《机械制图》，中国劳动社会保障出版社。第四版
2、《AutoCAD实用教程》，邱志惠，西安电子科技大学出版社
3、《PowerPoint2002案例教程》李辉，海军出版社
