融入三維建模的工程圖學(xué)教學(xué)改革與實(shí)踐

【摘要】將三維建模引入工程圖學(xué)教學(xué)中是當(dāng)今圖學(xué)教育的一個(gè)熱點(diǎn)。本文介紹了作者在這方面教學(xué)改革試點(diǎn)的情況。

【關(guān)鍵詞】工程圖學(xué)，三維建模，改革，實(shí)踐

【中圖分類號(hào)】G420 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B 【論文編號(hào)】1009—8097（2007）08—0038—04

一、前言

三維CAD技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用的日益普及，使設(shè)計(jì)和制造的理論和技術(shù)都發(fā)生了巨大變化。三維CAD實(shí)體造型、特征造型軟件已在一些大中型企業(yè)和科研院所應(yīng)用，隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，作為工程設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開發(fā)工具的三維CAD應(yīng)用必將普及。那么，如何將三維CAD技術(shù)融入工程圖學(xué)教學(xué)中來是我國(guó)圖學(xué)界近兩三年來討論的一個(gè)熱點(diǎn)問題，國(guó)內(nèi)一些重點(diǎn)院校相繼開展了這方面的教學(xué)研究[1-4 ]，進(jìn)行了一些教學(xué)試點(diǎn)。自2004年以來，我們?cè)谶@方面進(jìn)行了一些探索，對(duì)工程圖學(xué)的課程體系、內(nèi)容、教學(xué)方法及手段進(jìn)行了改革，并取得了一定成效。

二、教學(xué)改革的基本內(nèi)容與實(shí)施

（一）以三維建模為主線，計(jì)算機(jī)繪圖與傳統(tǒng)教學(xué)兼容并重

將三維建模的原理、方法和技能融入到工程圖學(xué)課程中，形成以三維建模為主線，計(jì)算機(jī)繪圖與傳統(tǒng)教學(xué)兼容并重的教學(xué)體系。在保證原有教學(xué)大綱的基本要求不變的前提下，將總學(xué)時(shí)定為136學(xué)時(shí)，分三個(gè)學(xué)期完成，三個(gè)學(xué)期的學(xué)時(shí)安排分別為40、64、32，其中新增三維建模內(nèi)容18學(xué)時(shí)，三維構(gòu)形與建模實(shí)踐20學(xué)時(shí)，同時(shí)將計(jì)算機(jī)繪圖（講課8學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)18學(xué)時(shí)）融入到相應(yīng)的章節(jié)中，課程主要教學(xué)安排見表1。

針對(duì)大一新生的特點(diǎn)，我們選擇了較簡(jiǎn)單易學(xué)的SolidEdge三維造型軟件作為三維建模工具。在講完截交線、相貫線、平面圖形的繪制后，學(xué)生具備了初步的制圖知識(shí)，再引入三維建模內(nèi)容，介紹了草圖繪制、尺寸與幾何約束、拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠、放樣、除料等生成基本體的方法和技能，學(xué)生通過自己創(chuàng)建基本體，并用各種位置平面去截切，觀察在其表面產(chǎn)生的交線，加深了對(duì)截交線、相貫線這部分內(nèi)容的理解。

在講完組合體讀圖后，引入創(chuàng)建復(fù)雜幾何體的方法，內(nèi)容包括參考平面、圓角、倒角、陣列等特征，學(xué)生在讀懂二視圖后，建立其三維模型，可以更有效地幫助學(xué)生掌握形體分析方法和訓(xùn)練空間想象能力，同時(shí)在上機(jī)實(shí)驗(yàn)中增加了三維構(gòu)形與建模練習(xí)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。圖1為學(xué)生創(chuàng)建的組合體模型。

講零件圖時(shí)，在學(xué)生對(duì)零件的工藝結(jié)構(gòu)有了大致地了解以后，引入了孔、抽殼、傾斜、肋板、螺旋、螺紋等零件建模的置放性特征[5]，學(xué)生可利用這些特征來創(chuàng)建零件上一些常見的工藝結(jié)構(gòu)，并引入了三維模型向二維視圖轉(zhuǎn)換的方法、編輯手段和尺寸標(biāo)注等內(nèi)容，大大簡(jiǎn)化了零件圖的繪制。圖2為學(xué)生創(chuàng)建的零件模型。講典型零件的建模時(shí)，強(qiáng)調(diào)采用滿足設(shè)計(jì)要求和工藝要求的建模方式，加強(qiáng)工程意識(shí)培養(yǎng)。如軸類零件的建?？刹捎眯D(zhuǎn)法、拉伸疊加法、除料加工法來實(shí)現(xiàn)，其中除料法與軸類零件的加工工序相符，因此要求學(xué)生采用此方法建摸。

在第三學(xué)期講授的裝配圖部分，引入了模型裝配，使學(xué)生體會(huì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)過程中的協(xié)同性及模擬裝配過程，進(jìn)一步理解裝配圖中零件間的連接、定位及裝配關(guān)系。

（二）優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，奠定創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的知識(shí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

1、降低部分原有教學(xué)內(nèi)容的難度

首先，適當(dāng)降低了畫法幾何部分內(nèi)容的難度，刪減了直觀性差、與繪制和閱讀機(jī)械工程圖樣的聯(lián)系也不緊密的點(diǎn)、線、面及相互位置關(guān)系的定位、定量投影作圖內(nèi)容。其次，降低了相貫線部分的難度，因?yàn)樵谌SCAD中，形體及其位置確定后，相貫線就自然形成了，而較復(fù)雜的相貫線求解對(duì)空間思維能力培養(yǎng)的作用不大。

2、加強(qiáng)軸測(cè)圖、徒手圖訓(xùn)練

徒手繪圖是學(xué)生應(yīng)掌握的基本技能之一，它在交流設(shè)計(jì)思想、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪記錄圖樣時(shí)經(jīng)常使用，而軸測(cè)圖對(duì)設(shè)計(jì)構(gòu)思很有幫助，對(duì)發(fā)展抽象思維所必須的空間想象力、空間構(gòu)思力、空間分析力等能起到催化作用。因此，在教學(xué)環(huán)節(jié)中，加強(qiáng)了對(duì)學(xué)生繪制軸測(cè)圖能力的培養(yǎng)，如加畫二補(bǔ)三的組合體軸測(cè)圖，并鼓勵(lì)學(xué)生自由創(chuàng)意，大膽構(gòu)思。在零件圖、裝配圖部分，由于有了計(jì)算機(jī)繪圖這種現(xiàn)代化的先進(jìn)手段，適當(dāng)削弱了手工儀器繪圖的訓(xùn)練，改畫徒手圖，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)視圖表達(dá)的正確性和尺寸標(biāo)注的合理性，這樣，學(xué)生的徒手繪圖、計(jì)算機(jī)繪圖能力得到了綜合訓(xùn)練與提高。

（三）以多媒體教學(xué)為主，配合傳統(tǒng)的教學(xué)工具，科學(xué)化組織教學(xué)

在教學(xué)中，合理使用多媒體課件，揚(yáng)長(zhǎng)避短，充分發(fā)揮課件生動(dòng)形象的優(yōu)勢(shì)，將教學(xué)中諸多老師難于講解、學(xué)生難于理解的內(nèi)容化繁為簡(jiǎn)，化難為易，化靜為動(dòng)，使講解內(nèi)容淺顯化。當(dāng)畫圖、解題的過程需一步步地詳細(xì)演示時(shí)，就由老師在黑板上邊畫邊講，因?yàn)槔蠋熢诤诎迳袭媹D的示范過程，可以使學(xué)生獲得繪圖過程的體驗(yàn)和感受，其中還可隨時(shí)插入栩栩如生的三維立體圖。課余組織學(xué)生參觀模型室，結(jié)合模型具體講解，學(xué)生感受更直觀。在做零件圖視圖選擇的大作業(yè)練習(xí)時(shí)，采用“討論式”教學(xué)方法，先組織學(xué)生分組討論，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所掌握的知識(shí)進(jìn)行自己的設(shè)計(jì)表達(dá)，得到不同的表達(dá)方案，然后分析比較各種表達(dá)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最后由同學(xué)們自己得出一個(gè)最佳方案。這樣既調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立解決問題及創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力。

三、實(shí)踐效果

（一）教學(xué)效果評(píng)價(jià)

從2004年開始在車動(dòng)學(xué)院的農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)輸兩個(gè)專業(yè)四個(gè)班首次進(jìn)行試點(diǎn)，2005年再次在該專業(yè)的三個(gè)班進(jìn)行試驗(yàn)。這兩個(gè)專業(yè)的學(xué)生高考入學(xué)成績(jī)普遍偏低，往年學(xué)生學(xué)習(xí)工程圖學(xué)課的壓力較大，考試成績(jī)也較低，經(jīng)過幾個(gè)學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐，同學(xué)們普遍感到空間想象能力得到提高，“工圖”課不再可怕，考試成績(jī)高于全年級(jí)平均成績(jī)（見表2、表3），學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握和運(yùn)用能力都有所提高。

（二）學(xué)生評(píng)價(jià)

在課程的問卷調(diào)查中，有97%的同學(xué)認(rèn)為在工程圖學(xué)課程中融入三維建模內(nèi)容對(duì)該課程的學(xué)習(xí)有幫助。學(xué)生寫到：“在課程中加上三維建模使我們以前想象不出來的立體圖真實(shí)地表現(xiàn)出來，可以更真實(shí)地看到什么地方存在交線，什么地方不需要交線，非常直觀，這樣不僅提高了我們的學(xué)習(xí)效率，也增強(qiáng)了我們學(xué)習(xí)這門課的興趣?！薄叭S建模增強(qiáng)了對(duì)實(shí)體的印象，比較容易畫出三視圖，特別是自己動(dòng)手建模后，對(duì)各種結(jié)構(gòu)都非常清楚，對(duì)課程學(xué)習(xí)大有幫助?！薄叭S建模能讓我們更清楚、更直觀地了解零件的結(jié)構(gòu)形狀，對(duì)于我們培養(yǎng)空間想象能力很有幫助?！?/p>

學(xué)生普遍反映這門課內(nèi)容豐富，信息量大，教學(xué)內(nèi)容安排比較合理，在掌握制圖基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)培養(yǎng)了分析問題、解決問題和構(gòu)形及圖形表達(dá)能力。

四、體會(huì)

（一）促進(jìn)學(xué)生能力、素質(zhì)的綜合提高

通過手工儀器繪圖、草圖訓(xùn)練和計(jì)算機(jī)繪圖、形體構(gòu)思、三維造型軟件學(xué)習(xí)等方面的訓(xùn)練，使學(xué)生的空間思維能力、計(jì)算機(jī)繪圖、形體構(gòu)思、計(jì)算機(jī)造型能力有了較明顯的提高，為后續(xù)的CAD、CAE、CAM等現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造技術(shù)課程的學(xué)習(xí)奠定了良好的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。學(xué)生在三維建模過程中，學(xué)習(xí)滿足設(shè)計(jì)和工藝要求的建模方式，有益于工程意識(shí)的培養(yǎng)。

（二）調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率

把三維建模、計(jì)算機(jī)繪圖融入工程圖學(xué)教學(xué)中，增加了學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)興趣和求知欲，提高了學(xué)習(xí)效率。在工程圖學(xué)的課堂教學(xué)中，老師用三維造型軟件進(jìn)行快速三維建模，產(chǎn)生各種不同的構(gòu)形變化，創(chuàng)建各種生動(dòng)逼真的零件模型和裝配模型，學(xué)生的形象思維和發(fā)散思維的積極性在課堂上被充分調(diào)動(dòng)起來，特別受學(xué)生歡迎。很多未進(jìn)行教改試點(diǎn)的班級(jí)的學(xué)生，也對(duì)此表現(xiàn)出了強(qiáng)烈的好奇心和求知欲望。在2005-2006學(xué)年第二學(xué)期，該試驗(yàn)班的選課人數(shù)由第一學(xué)期的97人增至157人。

五、結(jié)束語

教學(xué)實(shí)踐表明，將三維建模融入工程圖學(xué)教學(xué)中，有助于對(duì)學(xué)生的形象思維能力、工程素質(zhì)與創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，試驗(yàn)班的制圖成績(jī)有較大幅度提高，試驗(yàn)效果較好。

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