引言
随着传统制造业和高新产业的深度融合，产品的生命周期缩短，迭代升级的速度加快，传统手工设计方法已经无法适应现代工业发展的需求。CAD/CAM在制造业中被广泛应用，成为行业发展的重点技术[1]。它集设计、仿真、制造为一体，具备虚拟仿真可视化，产品更新升级管理，数据资源共享等强大功能，在产品设计、加工制造、产品营销、产品质量等方面都带来了质的飞跃。基于CAD/CAM技术的发展，当今工程师能够在整个产品生命周期中以3D方式开展工作，大大提高了工作效率。
二维CAD与三维建模是CAD/CAM产品化的关键技术之一，经过多个发展阶段而逐渐发展成型，作为CAD/CAM技术在制造业中最广泛的应用，具备强大的设计能力。在机械设计和制造过程中，工程师在工作初期会对产品有一个初始的设想。这个设想最早是通过绘制二维平面图来表达的，比较抽象和专业，只有相关专业技术人员才能读懂。但随着三维建模技术的不断发展，三维立体技术成为现实。工程师可以将设想的产品转变成可视化的立体模型，还可以通过三维建模技术实现模拟装配和模拟运转，让产品的功能在设计时就能很好的展现。3D模型不仅便于技术人员对产品的结构特征进行全面的检查，也可以在营销过程中为客户提供直观的视觉体验。通过二维CAD图与三维模型的组合，实现了对产品设计参数全方面的管理，为设计和制造过程节约了大量的资源和时间，大大加快了创新速度，提升了机械生产力。二维CAD绘图与三维建模技术也成为技术人员必须具备的专业技能。
一．二维CAD与三维建模课程的共同点
1.在技工院校机械专业课程体系中的重要地位
技工院校是培养高技能人才的重要阵地，人社部提出技工院校要以工作任务为导向，面向市场，专业设置对接产业发展，课程设置对接岗位能力，促进人才培养供给侧和产业需求侧全方位对接[2]。二维CAD与三维建模是目前制造类企业进行机械产品设计开发和加工制造的必备工具，作为未来的技术型人才，技工院校学生必须掌握二维CAD与三维建模技术这两项基本操作技能。因此，二维CAD与三维建模课程在技工院校机械类专业课程设置中是不可或缺的重要组成部分，被列为技工院校机械专业学生必修的专业基础课。
2.课程的特点
这两门课都属于实践性较强的技术类课程。二维CAD与三维建模课程是由由传统手工机械制图与现代信息技术相结合，融入了公差与配合、机械基础、机械制造基础、金属材料及热处理等多门课程知识，是这些专业理论课程的补充和延续，具有很强的应用性和融合性。这两门课都对学生的专业基础有一定的要求。无论是二维的CAD绘图还是三维的产品建模，都是完成工程技术部门的重要技术文件的重要工具，都是用于机械制造业中的设计表达和技术思想交流，所以都必须遵守国际上共同的技术规范。两门课程主要都是研究绘制和阅读产品造型设计图的基本方法，都需要学习和贯彻产品造型设计国家标准和有关规定。在教学中应以常见的机械零件作为典型任务，提升学生设计绘图和建模的基本技能，同时注意培养学生的创新及创意表达的能力。
二．二维CAD与三维建模课程整合的必要性
1. 课程结构不合理
技工院校机械专业教学中突出操作实践，多数专业类课程基本都是以项目任务方式展开，操作实践课程的结构是否合理会严重影响对学生综合实践能力的培养。二维CAD与三维建模课程作为技工院校机械专业技术主要基础课程。它们有相似的教学目标，主要都是为了培养学生利用图样对产品进行表达的能力。两门课程的项目任务之间多数是相互依赖、紧密联系的。从课程结构上看两门课应该属于相互补充的关系，而不是承接的前后关系，不应该分割成两门完全独立的课程。
以笔者所在院校开设的中望机械CAD课程与中望3D建模课程为例。中望机械CAD课程主要是通过在计算机上对中望机械CAD软件中绘图、修改、注释等模块命令的讲解，让学生熟练操作基本命令，并在具体项目任务的开展中让学生掌握各类常见零件（如轴类、盘类、拨叉类、箱体类零件等）的零件图和装配图的绘制方法和绘图技巧。根据任务的难易程度可分为大致两个层次：课程的前期阶段，学习任务比较简单，要求学生能够按照给定的机械图样转化为二维CAD电子文档，大部分学生都能“依葫芦画瓢”顺利完成任务。课程的后期阶段，项目任务会要求按照给定的装配图拆画零件图，或者按照给定零件的部分视图，补画缺失的视图，形成完整的零件图。这类任务需要在二维平面图形与三维模型之间来回切换，对很多技校学生而言难度很大。很多学生机械制图的基础没打好，空间想象能力较差。要先在大脑中想象着将二维平面图形按投影规律还原成三维模型特征后，再将三维模型进行投影从而补充出缺失部分的视图，没有实体可以参照，整个过程依赖于他们的空间想象，对于技工院校的学生而言这类任务的难度相当大。另外，技工院校学生的学习的主动性普遍不够，自主学习能力也比较低，在学不懂的情况下更容易丧失学习兴趣。但是，如果能结合中望3D建模课程中实体建模部分与工程图部分的内容来理解，就可以很大程度的降低这类任务的难度。采用中望3D建模软件，先将二维平面图形按投影规律还原，利用3D造型、编辑等命令将三维立体模型真实而直接地呈现出来，学生通过软件能够直观地观察模型的结构特征，再通过软件中自带的导出工程图的功能，将三维模型转换成二维平面工程图，以齿轮支撑座模型转换二维工程图为例，如图1。 这种二维图样和三维模型之间的可视化的转换有利于帮助学生理解二维和三维的投影的关系，提升空间想象能力，更有效地解决了学生在足学习CAD课程中遇到的难题。另一方面，中望3D建模课程所设置的项目任务中包含了许多与二维CAD课程任务相似的零件结构，例如拨叉、减速器等零件，在两门课程中都作为典型项目任务来讲解，部分内容不可避免的重复。由此可见，两门课程是相互渗透的、相互补充的。两门课程的整合是化繁为简的结果，并不是简单的“一加一”式的拼凑，符合教学改革的方向和思路。
图1 模型转换二维工程图
2.不符合现代企业产品设计流程
二维CAD与三维建模课程分开单独授课与现代企业在实际生产中产品设计的流程也不符合。目前，企业在工业机械产品的设计生产上主要是采用3D方式展开。一般流程是先利用实体造型和曲面建模等方式可以得到丰富的产品结构，设计和制造人员可以直观清晰的了解产品的各项特征，再利用3D建模在装配产品零件时，及时捕捉各个零部件特征，针对有装配关系的零部件做出约束情况判断，通过检查可以有效避免设计出不匹配的零部件。将确定的产品结构模型导出编辑二维CAD图，注明各项参数与技术要求，便于数据管理与存档。再将3D模型直接导入数控机床加工生产，整个过程便捷高效。随着3D技术技术的发展，目前，3D建模技术造不但具备外型和装配设计、结构分析、数控加工等功能，还与CAE技术相结合。对重要产品的3D模型进行工程数值分析，获得复杂产品结构的强度、弹塑性、热传导等各项性能，从而优化产品的设计[3]。在更高级的生产运用中，3D建模还可以与逆向工程技术相结合，特别是在金属模具等小批量的产品零件的设计制造上，更突显出其快捷方便的优势。3D建模技术在很大程度上加速了企业在产品造型和系列化方面的设计能力帮助企业降低产品开发成本与风险，大大缩短新产品的设计开发周期，促进企业进行产品更新换代，提高企业市场竞争力。
技工教育有其独特性，是以培养高技能人才为主要目标的职业教育，必须与企业需求衔接。根据国家有关部门的调查报告显示我国技能型人才短缺现象严重，不仅人才储备不足，结构也不合理。技工教育必须以企业对技能型人才的需求为导向，加大教学改革力度，在教学中，无论是教学内容还是教学方式都要围绕培养具备一定理论知识，又能动手操作的实用性技能人才而进行，才能有助于缓解技能型人才紧缺与制造业发展之间的矛盾。单就从二维CAD与三维建模课程的教学安排这个细节上看，目前是二维CAD课安排在二年级的上学期，三维建模课安排在二年级的下学期，每门课大约安排100课时左右，由不同的教师按照各自的教学进度独立的进行讲授。将这两门课程完成割离，分为前后两个阶段，这是延用了十多年的模式，但是，随着信息技术的发展，3D建模技术逐渐成熟，社会环境和企业需求变了。根据笔者对这两门课多年的课程教学和竞赛辅导经验，深刻体会到这种长久延用下来的模式存在的问题。它不仅影响教学效率的提高，而且影响学生将来就业时与企业工作模式的顺利衔接，不符合为企业培养技能型人才的需求，也不符合技工院校教学改革的方向。
三．二维CAD与三维建模课程整合的思路
分析以上二维CAD与三维建模课程的教学现状可以发现，完全割裂的两门课的教学过程存在诸多问题。如果能将这两门课程的教学过程进行整合，不仅可以提高学生的学习效率达到理想的教学效果，也符合技工院校教学改革的要求和企业所需要的人才培养方向。
课程整合需要用辩证的、整体的观点来考虑各门课程教学目标、教学设计、教学评价等要素。要将原来完全分裂的课程有机地联系起来,将原来各门课程的教学手段、教学内容等要素相互渗透、相互补充。所以对二维CAD与三维建模课程进行整合不是简单的“加法”式整合，不能仅仅将两门课放置在相对集中地时间内，安排同一个老师负责讲授就叫“整合”。而是要通过项目任务的开展让学生学会将三维建模与二维CAD知识串联起来，相互“渗透”，将三维建模作为“主线”，以二维CAD作为“副线”，在三维模型中无法表达确切的地方可在二维CAD中用文字描述清楚，两者共同把产品的结构特征、尺寸参数和技术要求等所有的零件信息和设计意图表达清楚。
笔者在多年辅导学生参加职业院校技能竞赛及对二维CAD与三维建模课程讲授的实践中，对二维CAD与三维建模课程整合有了深刻地体会。
1. 软件方面
AutoCAD软件是大多数技工院校最早开始使用的设计软件，它的二维平面模块具有强大的绘图、编辑、尺寸标注等多种绘图功能，但是它的三维造型功能较差，操作复杂、费时费力且生成三维的效果图差，所以只能作为二维CAD部分的软件支持。整合后的课程可以选用的二维CAD软件还有中望CAD，CAXA电子图板等。而3D建模部分可以选择的软件资源更多，近年来市面上有很多功能强大的3D建模软件，常见的有SolidWorks、Pro/Engineer、CAXA制造工程师，UG，中望3D等多款软件，都可以作为整合后3D建模部分的软件支持。但是建议整合后的课程最好选用同一家公司的二维绘图和三维软件，以保证软件界面环境不会变化太多，基本功能的操作难易程度也不会相差太大。
2.课程任务
课程任务也要进行适当的删减，并将类似的任务进行合并整理。从二维CAD与三维建模课程中筛选出培养学生绘图和建模能力所必需的知识和相应操作内容，将他们重新组合，循序渐进，形成一个以培养综合能力为主，突出技能和岗位要求的体系。根据技工院校职业教育的特点，教师在教学设计时应突出直接明了的特点，明确每个步骤的内容，去掉那些关联不大或不实用的部分，将两门课程中繁冗的理论知识进行简化，模拟企业设计流程开展任务，可适当添加实际可操作的内容，引导学生主动学习[4]。重点关注两个部分：
一是基本技能部分的内容。这部分内容对后面任务难点的攻克具有重要意义，要求学生熟练掌握软件中一般产品设计的常用功能，具备绘制常见零件二维CAD与三维模型的能力。展开来看，二维CAD绘图部分要使学生掌握绘制和编辑零件图的方法，学会绘制各种各样的三视图、剖视图、向视图等，并在工程图纸中完成对图框、图层的设置和对各种尺寸、形位公差、基准、粗糙度等进行标注和修改。还要让学生掌握绘制和编辑装配图的方法与步骤，可以完成装配图中配合尺寸的标注、零件图序号和明细栏的注写。三维建模部分主要是让学生掌握实体建模（基础造型、特征造型、基础编辑）、曲面造型（曲面构建、曲面编辑）、装配设计（装配管理、组件装配、装配动画）、工程图(视图布局、剖视图、局部视图、尺寸标注、图表）等操作技能。
二是重点训练部分的内容。这部分内容是提升学生的综合应用能力。要让学生掌握典型零件从三维建模、装配到转换、编辑二维零件图和装配图的一整套的设计基本流程，以齿轮支撑座的设计为例，如图2。具体来说包括常见典型零件（箱体、拨叉、端盖、底座）的计算机三维建模、三维模型组装、机构组装、检查装配干涉情况、零件结构优化、零件模型转换成二维工程图、机构模型转换成二维工程图、绘制和编辑二维零件图和装配图，打印或虚拟打印二维图纸[5]。课程中间还要融入工匠精神和职业素养的内容。
图2 齿轮支撑座设计基本流程
课程整合后要求由一位专业教师讲授这门课程，因为教学内容较多，涉及知识面广，在授课过程中一定要注意知识的前后衔接和逻辑关系。整合后的课程教学最好由具备信息技术知识和计算机绘图能力的教师来担任。授课教师应对二维CAD和三维建模软件非常熟悉，才能根据整合后的课程内容理出重难点并选取合理的教学方法。
模拟企业实际工作流程，优化整合多门专业课程，是技工院校推行一体化教学改革的必然趋势，二维CAD与三维建模课程整合以后还可能与零部件测绘、公差与配合等专业课程再进一步整合。虽然在具体的实施过程中可能会遇到很多问题需要解决，但是作为一种新的探索，对培养高技能人才，提高技工院校教学教育质量具有积极意义。
[1] 黄蓓蕾.CAD/CAM技术在现代工业中的应用与发展[A].中国高新技术企业.2011(27):59-61
[2] 陶佐英 王栋.技工院校高级人人才培养模式研究[A].现代职业教育.2018(03):211
[3] 刘文群 任鹏宇.CAE分析优化产品结构在设计中的应用.煤矿机械.2010(10):211-212
[4]林群.整合技工学校机械类专业基础课程教学的探讨.职业教育研究.2013(12):134-136
[5]蒲娟.基于世界技能大赛和先进成图大赛的机械制图应用能力分析.科技视界. 2019(09):66-67
