从教材看国内外工程图学教学理念的差异

北京理工大学机械与车辆工程学院  焦永和

摘  要  介绍了美国一本经典制图教材的主要内容，以及一所有代表性学校的制图课程的教学过程与授课方式。从教材内容、教学过程分析美国部分高校在工程图学教学理念、课程设置、教学内容、教学方式、考核方式等方面与我国高校的差异。希望对国内同行从事教学改革时有所帮助。

关键词：工程制图，图学教育

0        引言

双语教学是近年来国内高校的教学改革热点之一，目前在不少高校中已经有多门课程开展了双语教学，制图课也不例外。在开展双语教学过程中，选用什么教材是关键问题之一。此外，随着我国对外科学技术交流的日益增多，高等学校工程教育与国际接轨也有很高的呼声。在这一背景下，笔者较多地关注了美国的工程图学教材内容与体系，以及在美国部分高校中工程图学的教学实施情况。在此把两国在本科生工程图学教育方面的一些差异，以及由此反映出来的教学理念方面的差异的研究结果提供给广大同行，供致力于我国工程制图本科教育改革的教师参考。

1       美国工程制图典型教材简介

美国与工程图学相关的教材种类繁多。大体上可以分为以下几类：（1）基本上保留了传统内容，适当增加了具有现代特色的CAD等内容；（2）在传统的制图教学内容中比较多地加入了设计方面的内容；（3）以现代设计手段（如三维CAD等）为主，穿插介绍制图内容。

下面以美国 Prentice Hall 出版社近年出版的德州大学James H. Earle 编著的《工程设计图学》第十一版（Engineering Design Graphics, 11/e）为例，介绍美国的工程制图教材，并分析由此反映出来的在教学理念方面和我国的差异。

1.1  教材内容简介

该教材共有38章，各章具体内容如下：

第一章工程与技术  绪论、介绍工程图学、科技发展的重大事件、工程领域、航天工程、农业工程、化学工程、土木工程、电子工程、工业工程、矿业工程、核工业工程、石油工程等方面的图形问题。

第二章设计过程  设计问题的类型、设计过程、图形学与设计、设计问题应用等。

第三章问题标识  举例说明标识过程、设计工单、规划设计活动等。

第四章初步概念  个体与团队方式、活动规划、草图与注释、设计草图、快速设计、背景信息、意见调查等。

第五章精确表达  物理属性、画法几何应用、精确表达的考虑、标准部件等。

第六章设计分析  图形与分析、分析的类型。

第七章作出决定  决定的类型、报告的类型、报告的组织、报告的书写。

第八章补充  工作图、明细与技术要求、装配图、其它考虑、专利图、专利研究等。

第九章设计问题  个体研究、团队研究、问题选择、问题定义、团队活动时间表、产品设计等。

第十章绘图工具  图形媒体、绘图设备、线条、度量、图形表达、产品设计等。

第十一章文字书写  书写工具、指导、哥特字体、计算机书写文字等。

第十二章几何构型  多边形、圆、几何实体、构造多边形、角度与分角线、线段等分、三点定圆弧、平行线、切线、圆锥曲线、螺旋线等。

第十三章徒手图  形体描述、徒手图技术、徒手绘制六面视图、徒手绘制三面视图、徒手绘制立体图形、轴测图等。

第十四章仪器绘制正投影图  正投影、线型种类、六面视图、三面视图、视图的布置、计算机生成视图、曲线绘制、填充、第一角投影等。

第十五章辅助视图初步  折叠线规则、由顶视图生成辅助视图、由前视图生成辅助视图、局部视图等。

第十六章剖视图  剖切基础、剖切符号、部件的剖视图、全剖视图、半剖视图、旋转剖视图、移出剖视图、辅助剖视图等。

第十七章螺纹、紧固件与弹簧  螺纹术语、英制系统规定、英制螺纹标注、米制螺纹标注、螺纹画法、螺栓与螺母、螺纹紧固件种类、销子、管螺纹、键、铆钉、弹簧及其画法。

第十八章齿轮与凸轮  直齿轮、齿轮传动比、直齿轮的画法、圆锥齿轮、圆锥齿轮的画法、蜗轮蜗杆、蜗轮蜗杆的画法、凸轮、平面凸轮设计等。

第十九章材料及其处理  普通金属材料、金属材料的性质、金属成形、切削加工操作、表面粗糙度、塑料及其他材料等。

第二十章尺寸标注  术语、度量单位、英制与米制转换、米制单位、数字与符号、计算机标注尺寸、尺寸标注规则、弯曲的对称部件、尺寸位置、轮廓尺寸、加工的孔、倒角、键槽、滚花、轴颈与沉孔、锥度、其他注释等。

第二十一章公差  公差标注、配合零件、公差术语、英制：基孔制、基轴制、圆孔配合、米制：公差单位、普通公差、几何公差、形位公差、表面纹理等。

第二十二章焊接  焊接过程、焊接接口、焊接符号、符号应用、铜焊、钎焊等。

第二十三章工作图  作为法律文件的工作图、尺寸与单位、工作图的详细布置、其他信息的标注、图纸审查、装配图、徒手工作图、锻件铸件的工作图等。

第二十四章工程图的复制 计算机复制工程图、复制类型、工程图传送等。

第二十五章三维图形  斜投影图、斜投影理论、轴测图、技术说明、计算机绘制轴测图、轴测投影、透视投影、三维造型、人物图形等。

第二十六章点、直线与平面  点、直线和平面的投影、平行、垂直等。

第二十七章画法几何中的辅助面初步  线段的实长、直线与投影面的夹角、倾斜直线、直线的方位与走向、平面与直线、倾斜平面、平面的相交、应用问题：等高线地图、矿脉应用等。

第二十八章辅助面续  直线的中心投影、二面角、平面的实形、点到直线的最短距离、两直线间的最短距离、直线与平面的夹角等。

第二十九章旋转法  直线的实长、平面的实形、平面间的夹角、距离确定等。

第三十章矢量图  定义、共面矢量与合力、非共面矢量与合力、力平衡、共面桁架、非共面矢量、特殊情况、组合的平行非共面力等。

第三十一章相交与展开  直线与平面相交、棱锥相交、平面截切棱锥与圆柱、平面截切圆锥、圆锥与棱柱相贯、展开原理、正四棱锥的展开、斜棱柱的展开、正圆柱与斜圆柱的展开、圆锥的展开、转换接头的展开等。

第三十二章各类图形  饼图、直方图、直线坐标图、对数坐标图、简图、计算机绘制各类图形等。

第三十三章图解  图形比例调整、全局比例、图形调整：三个变量、平行比例图形：线性比例等。

第三十四章经验公式与计算  线性公式、幂公式、指数公式、图形计算、图形微分、图形积分等。

第三十五章管路图  焊接的无缝钢管、铸铁管、铜管、其他管、管接头、管路安装、带螺纹的管路安装、带法蓝的管路安装、焊接管路安装、管路开关、在正投影视图上的安装、管路系统立体图、带尺寸的轴测图、管路容器、计算机绘管路图等。

第三十六章电子电汽图  图形的种类、示意图的连接符号、图形符号、接线头、部件分离、参考标识、数字功能单元、部件功能识别、印刷线路、简化符号、安装图等。

第三十七章AutoCAD二维计算机绘图。

第三十八章三维造型  AutoCAD三维造型功能。

1.2  教材内容的分析及特点

粗略来分，这本教材的第二章至第九章介绍各类工程设计的一般过程及方法；第十章至第二十五章介绍工程制图的基本内容；第二十六章至第三十一章介绍画法几何的内容；第三十二章至第三十四章介绍其他各类图形及相关问题；第三十五章至第三十六章介绍专业图；最后两章介绍计算机绘图及三维造型问题。

与我国的制图教材相比，美国的这本《工程设计图学》具有以下鲜明特色：

1，教材内容十分全面，包含了设计、图学、数学、力学、材料、加工、公差及计算机绘图等各学科的内容。

2，教材内容并不按学科自成体系。

3，十分注重实际应用问题，教材内容的介绍大多围绕实际应用问题展开。

4，教材的编写方式都是以工程问题为背景的。

5，每章后面都有与本章内容相关的实际应用问题。

2       美国工程制图授课方式简介

美国的工程制图课程在授课过程中，十分注重实际操作能力的培养。理论教学的课内学时相对比较少，而在课后安排比较多的练习环节。在课程结束时，通常会要求学生完成一个实际的设计项目。

以下是美国加州大学伯克利分校“工程制图”课程介绍。

课程简介：

（1）       介绍工程设计图学。复习制造基础。三维可视化与空间推理。工程草图。

（2）      正投影基础及应用。

（3）      参数化特征实体造型。地形图，轮廓，挖切与填充。几何尺寸与公差。

（4）      三维几何形体的二维表达。

（5）      本课程将介绍与强调作为主要图形分析与设计工具的CAD应用，并将要求完成一个设计项目。

该课程共26讲，各方面内容所占的讲次如下：

概述（1讲）；草图（1讲）；绘图（3讲）；制造技术与连接（3讲）；正投影（2讲）；剖视图（3讲）；地理应用（2讲）；实体造型与装配（8讲）；工作图、结构图、形位公差（3讲）。

每讲课程用两个学时，课后安排3个学时的实际练习。实际练习的内容有手工作业、计算机绘图和计算机三维造型等。

在实际练习之后，还留适当的作业。课后一共有11个作业（从作业3至作业13）：

作业3－画给定物体的轴测草图；作业4－说明给定零件的加工步骤；作业5－用AutoCAD绘制给定物体的各个视图；作业6－绘制给定零件的工程图样；作业7－根据正投影图绘制轴测图；作业8－用AutoCAD绘制轴测图、绘制公路的挖切与填充图；作业9－用计算机构造给定零件的三维模型；作业10－三维参数化造型；作业11－复杂零件的三维造型；作业12－三维装配；作业13－工程图改错、根据给定条件设计一个门，并用AutoCAD构造其三维模型。

3       我国与美国部分高校在工程制图课程教学方面的差异

下面从教学理念、课程设置方式、教材选用、教学内容与学时分配、学生作业内容与方式、授课人数与作业批改方式等几个方面对美国该课程的教学情况加以介绍。

3.1 教学理念

与我国相比，美国工科院校培养的学生有三大特点，一是知识体系比较新，现代科学技术的发展状况能够比较及时地反映在教材中；二是动手能力很强，在课程进行过程中，学生有很多实际动手训练的机会；三是解决实际问题的能力强，在各门课程中通常会要求学生完成一个或多个设计项目。

我国工科院校中的课程内容相对来说更新较慢，80年代甚至更早出版的教材仍在使用的情况并不少见。学生的动手能力也相对较弱，很多高校在大规模扩招之后，试验设备的台套数不足以保证学生有足够的机会动手训练。理论教学较多，学生解决实际问题的训练相对较少，导致学生解决实际问题的能力不强。

也就是说美国的高校在教学理念方面更注重现代科学技术的发展、更注重培养学生的动手能力及解决实际问题的能力。

3.2 课程设置

美国高校课程的设置方式相对灵活，一般系里的教授委员会即有权决定课程的设置。近20年来，在美国的不少高校中，“退休课程”多达数百门。课程的内容也更新很快，能够紧跟时代的发展，并能够打破学科界限，围绕解决实际问题展开。

而我国高校中近20年来，“退休”的课程屈指可数，导致这一情况有两个原因：一是观念问题，部分教师不太注重将科学技术的最新发展及时体现在课程中；二是体制问题，一门课程的“退休”必将导致一批教师工作的再分配，甚至失业，实际操作起来难度很大。此外，我国高校中的课程大多以学科自成体系，不能围绕解决实际问题综合各学科展开教学，这也是导致学生解决实际问题能力不强的一个重要因素。

3.3  教材选用

在美国的大学里，大部分课程不指定专用教材，上课前教师提供几本教学参考书，上课时发给学生讲义，讲义中的一些重点内容往往是空白，教师重点讲授这些内容，然后由学生自己填补这些空白。教师在讲义上留下空白的目的一是为了让学生加深对这些内容的印象，二是敦促学生按时上课。

我国工程制图课程的教材有很多种，教师一般都会为学生指定专用教材。这样做的好处是便于学生预习和复习，另外我国大部分学校也没有足够的经济能力为每一位学生提供一份讲义。

3.4  制图课程教学内容与学时分配

加州大学伯克利分校机械类工程制图课程授课学时为52学时，分为26讲。每讲后，学生有3学时的课内练习，总计78学时。课程的总学时数为104学时，与我国高校机械类的制图课程学时大体相当。从内容上看包括了：草图、绘图、制造技术与连接、正投影、剖视图、地理应用、实体造型与装配、工作图、结构图、形位公差等。

我国高校机械类的制图课程的教学内容大体上可以分为投影理论与机械工程图样两大部分。与上述内容相比，少了制造技术、地理应用及实体造型与装配等，出入并不很大。但是在学时分配方面有不小的差别。

在制图课程的教学具体内容上，存在如下差异：

（1）     中国采用的是第一角投影，美国是第三角投影。

（2）     截交线和相贯线这部分内容是工程制图课程学习的一个难点，我们往往会花较多的学时来讲解这部分内容。但美国大学机械类工程制图课程的教学内容中没有这部分内容，对此有待我们思考。

（3）目前我国高校的机械制图课程中大多包含计算机绘图，主要介绍如何用AutoCAD二维软件绘制工程图样。美国的课程中则主要介绍用计算机构造三维形体的内容。

（4）美国的高校更加注重徒手绘图能力的培养。徒手绘图在许多方面是仪器绘图和计算机绘图所不能替代的，是现代设计技术人员必备的构思设计的一种能力。随着计算机辅助设计绘图技术的日益普及和完善，尺规图最终将会被计算机绘图所取代，徒手绘图的方法和技能将显得更加重要。我国的高校中也比较注重学生这方面能力的培养，只是相比较而言，所占的学时比重仍不够大。

3.5  考核方式的差异

伯克利的机械制图课程的考核有由部分组成：笔试、平时作业、最后的设计项目，其中设计项目所占的比重相对比较大。这样有利于促使学生用比较多的时间去完成课后布置的设计项目，从而有利于对学生设计能力的培养。

在我国大多数高校中，机械制图课程的考核由两部分组成：笔试、平时作业。学生只要被动地学好大纲中规定的教学内容，并在期末考试中取得高分，就能得到好的成绩。这样显然不利于调动学生的主动性，也不利于学生设计能力的培养。

4        小结

我国各高校的教学改革已经进行了多年，制图课程的教师也一直进行着各种各样的教学改革探索。在此将美国高校的制图教材及授课方式介绍给大家，并分析比较两国在机械制图课程教学及教学理念方面的一些差异，供大家参考。希望能够对致力于机械制图课程教学改革的教师们有所帮助。

参 考 文 献

[1]  James H. Earle, Engineering Design Graphics, 11/e, Prentice Hall

[2]  D.K.Lieu, Syllabus of  E28-Basic Engineering Design Graphics, UC Berkeley, USA