首届高校制图教学应用国产软件研讨会

　　随着计算机技术发展，计算机图形学、CAD技术在工程图学中普遍应用，从上世纪80年代中期开始的图学教学改革，至今十几年，已取得不不和成果。国外不少国家如美、日等国也在大力进行教学改革。显然，图学教改与CAD的广泛应用分不开。随着我国入世（WTO）日益临近，在应用CAD软件上如何大力推广应用有自主版权的国产CAD软件是关系到发展民族产业的重要问题。
　　 1、图学教改思路：
　　 1.1 以计算机图形学（CG）为主线的制图课教学改革因为计算机技术是传统制图课程得以新生的关键，只有全面应用CG技术，才能彻底改革制图课教学。具体有以下做法： ① 在制图课最后开设计算机绘图课，以操作商品化通用CAD绘图软件为主。占整个制图课学时1/6~1/8。 ② 将CAD内容贯彻始终，与制图完全融合在一起，各章均介绍相应的CAD内容，并有作业。学时占1/3~1/5。 ③ 另外单独开设计算机绘图课，学时20~40不等，要求参数化绘图，二次开发。不少重点院校已实行。 ④ 在图学课中把几何造型内容与点、线、面，与三视图、组合体等结合。
　　 1.2 以工程设计为主线的制图课教学改革因为制图不能离开设计，制图是表达设计思想的重要工具，也是设计成果的具体化。只有以设计为主线改革制图，才能使制图课教学有生命力，目的性强。由于明确以工程设计为主线，所以制图课教改的专业性就较强。机械制图与机械零件、机械原理、毕业设计等课程紧密结合；建筑制图与房屋建筑学，建筑施工等课程，与土建设计等紧密结合。
　　 1.3 课委会关于本课程教学改革的观点 2000年5月在西安召开的教育部工科制图课程教学指导委员会（课委会），在会议纪要中指出，制图课教改应： ① 要站在培养人才的高度，以系统、协调、全局来考虑课程改革。要拓宽课程内容。要从工程技术、产品生产的发展水平进程，考虑课程的发展。 ② 要把握住高等工程教育的培养目标，培养提高学生的工程意识和创新能力。工程制图要与设计结合，向设计延伸。 ③ 要给CAI以准确定位，认清它在教学过程中起的是辅助作用。当前，仍应大力提倡与鼓励各种类型CAI课件的研制，提高质量。 ④ 要从课程发展、学科发展的角度来规划师资培养。课程内容的纵向、横向都要发展。原有课程的范围一定会突破。教师的学术水平、教学水平应与此适应。本课程教师应在教学实践、科研实践、工程实践中全面培养和提高。
　　 2、图学教改模式
　　 2.1 模块式
　　将本课程按内容分成① 投影原理（以画法几何内容为主），② 制图基础（包括几何作图，剖视剖面，尺寸标诠等），③专业图（机械图、房屋图、水利工程图等），④计算机绘图等4个模块。有的院校还加1个模块，⑤工程图学新技术（包括几何造型，形数结合，几何变换，CG，CAD/CAD，可视化等）。各模块可连在一起进行，也可相对分段进行，视各校具体情况灵活进行。
　　 2.2 两段式
　　将投影原理、制图基础、计算机绘图三个模块在低年级开课，专业图到高年级进行，参数式CAD在毕业设计中进行。这样有利于学以致用，也有利于低年级学生不了解专业的情况下，难于掌握专业图知识的困难。
　　 2.3 融合式
　　将机械制图、机械零件、机械原理融为一体，成为一门课，从机械设计概念入手，然后讲授投影原理，制图基础和计算机绘图，再后，将专业制图与机械原理及设计融合在一起，最后用CAD软件绘制零件图、装配图。把课程名称相应改为：机械设计制图。
　　 3、图学教材建设
　　 3.1 教材类型 ⑤ 《画法几何》与《制图》分开编写和出版，例如大连理工大学编写的《画法几何》、《机械制图》；朱育万主编的《画法几何》、《土建制图》。 ⑥ 《画法几何与工程制图》为名称出版的教材，如河海大学编写的《画法几何及水利工程制图》，华中理工大学，西安交大分别编写、出版的《画法几何及机械制图》。 ⑦ 《工程制图》为名称出版的教材，如华南理工大学朱福坚主编的《建筑制图》，上海同济大学何铭新主编的《机械制图》等。 ⑧ 从《工程图学》、《设计制图》等名称出版的改革力度较大的教材，如上海交大蒋寿伟等编的《现代机械工程图学》，融入计算机图学、软件和概念设计等内容。北京科技大学马香峰等编的《机械设计制图》，将制图、机原、机零、公差、CG等结合在一起。另外，去年5月在西安召开的课委会中审查通过的大连理工大学胡宣鸣主编的非机类《机械制图》教材，将交、并、差、集合、几何造型等内容有结合在画法几何和投影制图中，也颇有改革特色。 ⑨ 高职类和成人高校类教材，从高等教育出版社，高职、高专类教材已完成系列配套，九五期间修订3套，新编3套。其中，去年出版的刘小年等编写的《机械制图》是教育部《高职、高专制图系列课程改革与实践》项目的研究成果，特色是将CAD与制图有机地融合为一体，体系结构较新颖。成人高校教材，1999年高教出版社出版了5套系列教材，可满足机类、非机类、电类、土建类和管理类等专业的需要。
　　 3.2 教材建设中几个问题的处理关系
　　 ① 将传统的画法几何制图内容用现代化技术手段进行改造，使形、数、CAD三者有机结合。 ② 在充分引入CG、CAD内容的同时，强调对学生"三图"能力的培养，即仪器制图，徒手草图，计算机绘图的能力，从教学观点，在重视计算机绘图的前提下，不能偏废其中任何一个能力的培养。在学校里，不应在教学中提"甩图板"的口号。 ③ 教材中制图与CAD关系的处理。主要有二种：目前大多数图学教材把计算机绘图单列一章或单列二章，并放在全书的最后；但也有不少院校的教材将CAD有机融入制图的各章节中。
　　 4、图学教改举例以北京科技大学为例。1982年该校，将制图、机械原理、机械零件结合为一门课，即《机械设计制图》，以培养设计简易机械为主线，培养工程设计能力和创新能力为目标。其中，构形设计是机械设计制图课的核心，并自始至终贯穿到每个教学阶段和不同的设计环节上。另外，将CAD引入教学，用计算机技术更新改造传统课程体系，也是制图课教改的另一个重要特点。北京科技大学将整个教学以设计为主线，按不同内容分成五个教学阶段，并且几乎每个阶段都贯穿CAD内容，如表1所示。表1 教学内容安排阶段划分主要教学内容目的和要求第一阶段：投影法、轴测投影、制图基本知识、三视图 1.掌握投影关系制图入门阶段画法、读三视图、平面立体投影、点、线、 2.建立由平面到空间的思维想象能力（总计26学时）面投影及其相对位置、回转体、截交、相贯、 3培养构形表达能力组合体、机件的表达方法 4.熟悉了解国家标准第二阶段：机械组成与机构运动简图、部件及其图样、 1.建立机械的整体概念机械概论：零件构零件的构形设计、AutoCAD初步 2.熟悉零部件的结构特征及其相互关系形设计及CAD初 3.掌握构形原理步（总计13学时） 4.了解构形过程和方法第三阶段：联接、带传动、齿轮传动、蜗杆传动、轮系 1.结合强度等要求进行零件构形设计零部件及常用机构轴承、轴、读图、CAD及其应用 2.对常用零部件进行工作原理分析的设计和CAD的 3.掌握由强度计算→构形设计→计算机应用（总计31学时）辅助绘图的全过程第四阶段： 1.根据要求进行总体方案设计，（并与方案比 1.巩固、扩充前三个阶段的知识和能力工程设计较论证） 2进一步培养工程意识（总计30学时） 2.选用标准件或设备 3.了解并实践机械工程设计的全过程 3.非标准设计（含机件强度设计和结构设计） 4.熟练掌握CAD绘图技巧 4.计算机绘图（总体图、部件装配图和主要零件图） 5.编写设计说明书第五阶段： 1.用丹麦LEGO公司的颗粒拼装产品，设计自培养学生掌握设计的方法以及在项创新设计动工厂、物流系统等目小组中分工协作的精神，使学生真（利用课余时间， 2.用齿轮、链轮、皮带轮、蜗轮、蜗杆、各种正理解工程的本质，培养学生的工程每组152 ，2周）度不等的轴等机械元件、光感应器、接触感应意识、动手能力、分析能力、综合能器、角度感应器、温度感应器等，通过程序进力、综合精神、创新品质、自学能力行光、电、声音、温度、角度等控制操作等说明： ① 该课程课内外比例1：2。 ② 第一阶段与金工实习同步进行，第二阶段与材料力学同步进行。 ③ 第一、二、三阶段白图完成量A3ⅹ4，计算机绘图量A3ⅹ5。 ④ AutoCAD在第二、三阶段穿插进行。 ⑤ AutoCAD上机15-20小时或更多。 ⑥ 工程设计上机集中进行。 ⑦ 工程设计计算机绘图量A1ⅹ1、A2ⅹ1、A3ⅹ1。 5、国外图学教改我国正在进行的图学教改不是孤立的，为了适应21世纪科技发展，国外不少院校也都在进行图学课程的教改，以美、日为例。 5.1 美国的图学课程改革美国国家自然科学基金会资助的工程教育综合改革项目，由康乃尔大学、斯坦福大学、加州伯克利大学等8所院校承担，举以下3所学校。 ① 美国普渡大学工程学院有1个《21世纪工程课程开发》的教学研究项目，内容有技术开发、课程开发、教学平台建设等3个方面。课程教学讲授从概会设计到产品生产的全过程。该校工程学院有6个计算机实验室，每个实验室有30台微机供学生上机做作业，如表2所示：表2 普渡大学部分工程设计课程编号名称学分 ME196 计算机工程应用导论（含计算机绘图） 3 ME262 机械设计1（内含CAD） 3 ME372 机械设计2（内含CAD） 3 ME330 动力学建模与分析 3 ME450 CAE导论 3 ME462 工程设计（机械工程中设计问题） 4 ME472 振动分析 3 ME491 工程设计课题 2 ME551 有限元分析 3 ME560 运动学 3 ME562 高级动力学 3 ME563 机械振动 3 ME573 交互式计算机图形学 3 ME697 课题实践 3 ME698 硕士论文不定 ② 美国斯坦福大学机械工程与设计有关的课程，如表3所示：表3 斯坦福大学部分工程设计课程编号名称内容学分 101 Visual Thinking 示意图、正投影、透视、三维素描、创意 3 103D 工程制图正投影、尺寸、剖切、零件图、装配图 1 103 制造与设计锻、铸、焊、机加工、讲课与实验 4 99 机械分解对比新老产品，拆装，研究功能，写出报告 3 109 模型快艇CAD CAD设计、下料、制造、试航、调试 4 112 机械系统设计设计原型、用图形、文字、语言交流、设计评估 4 113 机械工程设计分组完成工业界实际项目 3 115 系列设计 A 人的作用 3 B 功能表达 3 C 设计草图 1 116 高级产品设计 A 构形 B 构思 C 实现各3 D 草图设计 1 191 课题解决工程问题或实验研究 1～5 ③ 美国奥斯汀德州大学工程设计制图课，在低年级开设该课，将实体建模作为该课程核心，每周教学环节包括：讲课，手绘草图，计算机绘图等3个环节。整个课程分为5个部分，即计算机绘图及设计概论，实体建模，工程分析与制造，建立设计文档，大作业。具体如表4所示：表4 Austin德州大学的工程设计制图课程的安排及计算机实验编号名称说明 1 二维线条画二维直线，改变线型，文本操作 2 二维基本图形绘图、编辑，二维变换 3 二维框图相切，三点画圆，样条，曲线 4 实体模型的可视变化装入，改变三维视点，消隐，渲染 5 实体造型1 基体，布尔操作，三维变换 6 实体造型2 拉伸，旋转，三维编辑操作 7 实体模型分析1 更改体素，模型再设计，物性分析 8 实体模型分析2 反求工程，有限元分析 9 快速成型制造特征建模，三维实体成型制造 10 实体模型的投影多视图布置，可见轮廓编辑，视图生成 11 实体模型剖切截切操作，剖视图生成 12 尺寸标注注尺寸的工程图 13-14 设计课题建模，渲染，分析，装配，工程图生成 5.2 日本的图学课程改革 1999年7月在我国甘肃敦煌召开的第4届中日图学教育研讨会上，日本武藏大学的平野教授，东京大学的铃木教授作了题为"设计与制图相结合"的报告。他们认为，制图教学应当与设计结合起来，不应只教学生绘图，还应教学生设计图纸，能绘制生产性图纸。制图与设计融合是制图课的1个发展方向。日本学者还认为，计算机绘图是制图现代化的体现，CAD不仅是一种绘图工具和手段，还是创意和思维的工具。但手工制图（主要指徒手绘草图）是培养学生思维和绘图的能力，也是更好掌握CAD的一个必要基础，不应取消。
　　 6、CAD在图学教改中的地位和作用
　　 6.1 CAD是图学教改动力之一图学课程教学改革，国内外学者提出以设计为主线，与专业结合，那么，运用计算机辅助设计（CAD）这个现代化工具是必不可少的。早在90年代初期，国家科委、教委、建设部、机械部、电子工业部等9个部委联合发文，要求各高等院校在教学中运用CAD比率达到80~90%。90年代中期，对生产单位（工厂、设计院等）以提出大力应用CAD，"甩图板"。目前，几乎都用CAD出图。毕业生就业中CAD能力，也常常作为招聘条件之一。社会对CAD的要求，是图学教学改革的主要动力之一。随着CAD的发展，图学课程的改革也将进一步深入。
　　 6.2 当前CAD技术的发展回顾历史，CAD支撑环境大致走过了以下历程：第一代CAD系统出现于60年代，主要是二维绘图环境。第二代CAD系统始于70年代，主要是二维交互绘图及三维几何造型环境。第三代CAD系统始于80年代中期，出现了特征建模、基于约束的参数化和变量化建模的环境，这种系统有内部统一的数据库，做到了CAD/CAM的信息集成。新一代CAD系统，作者将它称做第四代CAD系统。它是现代CAD技术的集中体现，是实现异地、数字化产品设计的综合环境支持系统，但目前尚无成熟的商品化系统。
　　 6.3 CAD基础软件的开发和应用 CAD基础软件有前期的力学及有限元分析软件等，如ADINA，Super SAD等；有后期的绘图软件，如AutoCAD,MicroStation等。作为工程图学学会，主要关心的是后期的CAD软件开发和应用。"八五"期间，我国自主版权的CAD基础软件开发有较大发展，如高华CAD（清华大学、华中理工大学联合开发），开目CAD（华中理工大学开发），山凯图CAD（华中理工大学开发），中国CAD（深圳乔钠森科技有限公司开发），PICAD（中国科学院北京软件工程研制中心开发），PK，PM CAD系列软件（中国建筑科学院建筑结构研究所CAD工程部开发，该软件占有国内建筑工程CAD软件的最大市场）。目前，国产CAD基础软件逐渐被用户购买和接受应用，应该大力提倡自力更生，走中国人自己的路。但是，当今CAD市场无论是二维或三维，仍然是国外（主要是美国）的CAD基础软件在中国唱主角。
　　 7、图学专家呼吁CAD开发走中国人自己的道路这里主要介绍中国工程图学学会理事长、北京航空航天大学教授、国内外知名CAD专家唐荣锡的观点，这些观点是唐教授给本文作者一封信中表述的，其主要观点就是CAD开发要走中国人自己的道路，要疏远AutoCAD。主要观点如下：
　　 7.1 CAD的引入根本改变了现代产品的设计方法，工程图学是表达产品设计构思的工具，CAD以三维几何建模的主要手段，由此传统意义下的工程图学内涵相应要作质的变化。
　　 7.2 既然传统的纸介质工程图要发展成电子图档，标准化的紧迫性就以空前尖锐的形式提出"中国计算机用户"1998年5月25日以大字标题"急件！关于电子文件……谁主沉浮？"发出紧急呼吁，提出"想一步到位，一劳永逸，结果却是适得其反"的警告。原因很简单，就是"标准72变"。我以前非常崇敬STEP标准，紧跟紧追，中国标准化所翻译STEP标准，评审会我每次必到，从实践中我越来越感到，此路不通，必须打起精神，走自己的路，争取主动。
　　 7.3 标准化应该贯穿到所有产品，即无所不包。来信所提武汉水利电力大学与长江水利委员会设计院联合研制的《水工建筑物由廊道式CAD软件LDG 1.0》是用AutoCAD 12.0支撑，DOS 5.0操作系统。AutoCAD是不是万岁永存？微软已经明确宣布，新的Windows版不再支持DOS、STEP的战略思想是对的，即要从根本上解决产品设计数据的长期保存，不受计算机硬件、系统软件和应用软件的影响，原因很简单，工程图画在纸上，不管怎样，大家都能看见，电子图档放在光盘、磁盘上，一不注意就根本读不出来。
　　 7.4 长江日报报道"用中国人的思维开发国产CAD"，华中工大打出一张软件王牌《计算机辅助设计与制造》1998.6刊载专访"极目楚天舒--记武汉开目集成公司总经理陈卓宁"，文中提出"要作就作大公司"，实现以亿元跨世纪的目标。我们就是要公开与AutoCAD较量，让国产软件在国内唱主角，再走向世界。开目CAD并未用STEP标准，必要时不难配上STEP应用协议接口，但是开目需要公开软件的文件格式和基本函数功能，以便于用户作应用开发，也便于与其他国产CAD软件集成，共享各个企业的产品设计资源。 AutoCAD当初以低价、开放、普及为旗帜，为CAD和计算机动画技术迅速进入千家万户立下了不朽的功绩，今天它以二进制代码dwg和网上dwj格式作为标准，不再公开文件格式，而且它引入了ACIS三维几何平台，三维几何操作函数也不再对外开放，我们要接过它们的旗帜，以其人之道还治其人之身。
　　 7.5国内的二维绘图软件自主开发已很活跃，而三维几何软件则有较大困难，于是一个较普遍的对策是引进国外平台，即ACIS、Parasolid和CAS，CADE，也考虑MDT。根据国内形势，很多单位已觉得力不从心，难以自己开发真正可靠、实用、先进的三维曲面实体和特征造型系统。清华的高华和浙大大天还在坚持做几何平台，国家投资，北航制造工作系毕业的几位博士、硕士完全靠个人力量在开发龙腾CAD，想从Solidworks的国内市场中夺取份额，于是一个现实的问题是，我们还要不要打出自主开发三维CAD软件的旗号？我在稿件中认为，必须坚持自力更生的旗帜，主要理由是： ①CAD标准化要落实在好的CAD软件上，我们不自主开发CAD软件，不想主宰市场，一切有关CAD标准化的政策、法令都是空谈。 ②我国的CAD应用工程正在开始启动，建筑CAD已经有了较巩固的阵地，配管CAD PDSoft也很成功，虽然它用AutoCAD R12平台，但不难转自主平台，在工程设计领域，国外软件的品种少，功能上不能完全适合国情，价格高，如果真要普及CAD，作到100%的覆盖率，100%的普及率，必然有极其繁重的软件开发要做，在这些领域，ACIS、Parasolid和cas、cade的优势已不明显，因为工程设计领域的产品几何简单，二维施工图的需求量大，行业的特殊规范多，国外的现有商品软件难发挥其优势。 ③机械CAD的国外软件有压倒优势，我国飞机厂必须用CATIA，UGⅡ，因为我们转包生产的对方--波音、麦道、欧洲空中客车公司应用这些软件，暂时，国产二维绘图软件正在发展壮大，很多公司先用国外平台迅速推出三维软件，这是正确的，。但要注意：我们所以能在今天很快熟悉国外平台进入二次开发，重要一点是从70年代中期起，我们就开始了研究孔斯曲面Bezier曲面、NURBS、实体造型、数控加工编程、特征造型、参数化设计等有自己的较深厚的技术积累。当时国外也在从无到有地研究开发这些技术，公开技术文献很多。而现在，当竞争越益尖锐时，没有人再发表论文透露自己的核心技术了，Pro/Engineer的变量化特征造型的核心机理是什么？I-DEAS软件中的VGX技术是什么？连SDRC公司自己的产品介绍也含糊其辞，Purdue大学的Hoffmann教授立项研究Pro/E的机理，试图为生成或特征造型作出严密的形式化定义。我们如果放弃自主开发，不再认真研究CAD的前沿难题，若干年后，即使在二次开发上我们也将越益跟不上国际发展步伐。对照MDT的这一发展成长过程，即使我们引用国外几何平台，也决不可低估工作的难度，也决不应该重复国外现有软件的典型操作步骤和功能，必须用心研究我国用户的需求，真正形成我们自己软件的特色和优势。 ④产品的创新设计必然要求CAD工具相应提供技术上的支持，设计部门和企业主管必须介入结合产品特点的CAD软件功能开发。
　　 7.6 CAD技术的发展提出了产品全局信息模型的新概念，即产品的数字模型要统筹产品全生产期的使用需要，包括市场宣传、生产准备、制造、装配、维修服务等，在工程设计领域，包括建筑CAD、电厂CAD、石化CAD、公路桥桥梁CAD等，还有很多新课题有待开拓。
　　 7.7 我们工程图学会介入三维建模，是自己找出路，占上这个位置后灵活性大，有广阔的活动空间，从教学计划的修订角度看，制图课有纳入产品设计或现代设计学体系的趋势。CAD/CAE/CAM/PDM等内容也是这一体系中的一个重要组成，制图课老师对几何建模和计算机图形学以熟悉程度，目前可能要优于原来教机械设计或专业设计课的老师，同时，制图老师要更多介入各种专业CAD软件的应用开发，更多接受各种软件开发任务。
　　 8、结束语综上所述，关于工程图学课程教改，我的观点主要是：以工程设计、创意为主线，将工程制图与有关专业技术基础课如机械零件、机械原理、房屋建筑学等有机结合，融合成系列课程，并参与课程设计、毕业设计。教学中以构形设计、创意设计为核心，培养空间→平面→空间的三维构形，并具有一定的制图标准知识和专业生产知识，在整个教学过程中大力应用CAD技术，使学生具有徒手绘图和CAD绘图的能力，能设计绘制较简易的机械产品或建筑构件。