浅谈3D制图教学中的二维表达

    制图课程是工科院校本科生的一门技术基础课，其量大面广，是开展设计的基本保障。为此，制图课程要培养学生的投影基础，二维工程图的绘制和一定的三维建模能力。随着信息时代的到来，尤其是 CAD/CAM技术的产生，传统制造业已与计算机技术、信息技术紧密结合，各种高中低端 CAD/CAM 软件的产生与普及，如CATIA，PRO/E，SOLIDWORKS，IDEAS 等，工程设计领域正在发生深刻的变化，设计方法已由传统的尺规设计绘图转向计算机辅助设计，设计信息的传递与沟通已由单一的图纸向数字化产品模型方向发展，现代设计突出特点之一便是信息与知识资源共享，已有不少企业在使用三维造型软件从事产品的设计开发工作。传统的二维图样不再是产品设计、制造中所必须、唯一的技术文件。社会将逐步进入到三维造型设计的时代。但我国目前部分高校制图课程的讲授中仍以传统授课为主，讲述面向二维，投影理论及其它知识点多以二维表达为主，强调二维工程图样作为技术交流工具的唯一性和重要性，重视"读"与"画"两方面的综合知识、方法、技能的训练。根据多方面的信息反馈来看，这样的讲授无法满足社会的需求，时代发展的需要。另外，如果在传统制图教学基础上只是简单加上计算机绘图、3D 教学等内容，无疑会增加学时，徒增学生负担，完全不符合教改的大趋势。可喜的是，许多图学教育工作者对此进行了有益的探索，总结出几种有效的教学模式，但作者认为 CG主导式（即以计算机绘图为主线，将传统内容适当、有效穿插进去）比较符合现代设计的发展趋势，而要实现传统内容的有效穿插，最好的方法便是3D 制图教学中有效加强二维表达。
   
    原因有以下几点：
   
    （1） 无论对于二维还是三维表达，投影理论都必不可少。，而 CG 式并不否认、排斥投影理论，这就为 CG 主导式提供了可行的前提条件；
   
    （2） 传统制图教学中的内容主要以二维表达为主，所以 3D 教学中加强二维表达便是新旧知识有机联系的切入点；
   
    （3） 融入式、独立式、分段式等教学模式要么容易使人产生"鸡肋"的感觉（对传统教学内容难以删减取舍），要么会大量增加学时、不能有机融合二者，形成一套知识体系；
   
    （4）既然 CAD/CAM 技术的全面普及是主导、是趋势，那为什么不先一步而上呢？
   
    1 改革教学方式，以 3D CG 式教学为主导
   
    随着我国高等教育规模的不断扩大，教学质量成为人们关注的话题，尽管大学毕业人数在逐年上升，但毕业生够适应工作的能力却有所下降，原因是缺乏解决现实复杂问题的能力。工科学生都系统地学习过机械制图或工程制图，但在工作中却画不出产品设计图样或画出的图样错误百出，亦不能有效利用三维设计软件进行产品设计，这就要求必须加速教改步伐，与时俱进，与时俱变，保持时代的先进性。
   
    传统的二维设计指设计者用两维表达（三视图等）表示零件或机器的生产、加工和装配要求。人们需将二维视图（装配图、零件图）的信息对应转换成零件或机器的加工与装配要求。这便是"两维-→三维"的一般思维过程。在传统手工制图或二维 CAD 环境下，三维信息是产生、留存在设计者的头脑里，设计构思的表达需通过二维图样来实现。产品的三维和二维信息是间接关联。
   
    计算机和信息技术的发展使得" 图"的含义、画图和看图的内涵已发生深刻变化。尤其是三维 CAD /CAM 技术的出现，极大地改变了设计、制造领域原有的理念、过程、方法和手段。目前"三维设计"一般指借助于"三维设计"软件，利用计算机直接用三维立体图表示零件或机器。根据设计者的需要，可对三维模型投影，生成二维图或三维图。设计结果可以显示或打印输出。在三维 CAD 环境，三维数字模型就是产品信息的一种表达形式，可用于设计思想交流和数控加工制造。二维图样的生成可由三维 CAD 软件功能自动完成，二维图样信息和三维模型信息完全统一。与二维模式相比，三维模式更容易引起学生的学习兴趣，有利于激发学生的创新精神。
   
    要想将教改深入进行，首先要选择一种合理的教学模式。其次是重新配置新内容与传统教学基本内容，转移侧重点，使二者有机地融合，教材及作业内容、考试方式也要加以配套改革。为了培养学生的创新能力与工程意识，强化空间思维和构形能力，引入 3D 教学势在必行。在这里需认清 3D 教学的源头是产品结构的性能，以"体"为中心，通过了解机械产品的常规与现代设计过程，建立三维设计概念。它以优良的CAD/CAM 软件为实践对象，并逐步引入三维设计的手段来进行课程体系和教学内容的改革，教学目标应由图示能力向创造性构形能力转移，面向三维立体，将三维 CAD /CAM 技术、计算机图形学与工程图学基本理论紧密结合，强调以体为中心培养学生的创造性构形能力。
   
    作者认为，计算机、尺与规都是工具，它们就像飞机、汽车与自行车一样，有各自的用处与使用场合。它们的存在和消亡都是社会发展进步的结果，是不随人们个人意志而改变的，每种方式的使用都需一定的使用条件，先进性与否也是相比较而言，但随着计算机技术的发展，尺规绘制工程图样必将愈来愈多地被计算机绘图所取代。如果说模型加挂图是制图课程的传统特色和标志，而优秀 CAD/CAM 软件的选用便是 3D 教学中的特色与标志。对于我国，在相当广阔的时域内，二维图形（表达）尚有较大的存在空间。在 3D 教学中有效加强二维表达便是对传统制图优秀内容的一种保留，引入建模及加强二维与三维表达之间的转换，会使知识内容的联系更加紧密，适应了现代设计方法的要求。
   
    2 有效加强二维表达，实现向 3D教学的全面合理过渡
   
    《工程图学辞典》中对工程制图这样描述--工程制图亦称"工程画"，是研究绘制和阅读工程图样的学科。它的主要内容有：绘制工程图样的基本原理；仪器绘图和徒手画图的方法；有关图样画法、尺寸注法、图形符号等的标准和规定；工程的勘察、设计、施工中的各种图样；看图的方法等。上述种种便是工程制图区别于其他课程的标志性内容，也是开展工程制图教学所遵循的基本内容。离开了这些内容，工程制图教学便成了无源之水。