淺析機械制圖教學中三維實體造型技術的應用*

劉瑩

（寧夏民族職業(yè)技術學院寧夏吳中751100）

淺析機械制圖教學中三維實體造型技術的應用*

劉瑩

（寧夏民族職業(yè)技術學院寧夏吳中751100）

傳統(tǒng)的教育技術已不能滿足現(xiàn)代機械制圖教學的需要。科技的發(fā)展促進了教育技術的發(fā)展。本文在分析了傳統(tǒng)制圖課教育技術的弊端后，從教學模式、模型庫建設、各章節(jié)難點、授課形式四個方面闡述了將三維實體造型技術應用于機械制圖教學中的方法。

機械制圖；三維實體造型技術；教育技術

圖樣是工程技術界的語言，對于機電類專業(yè)而言，機械制圖是一門非常重要的專業(yè)基礎課，培養(yǎng)學生的識圖和繪圖能力是每一位教師的重要任務。在根據(jù)實體繪制三視圖和根據(jù)三視圖想象實體形狀的練習中，學生的空間想象力起著至關重要的作用。

機械制圖教學傳統(tǒng)教育技術分析

傳統(tǒng)的制圖教學采用掛圖和模型幫助學生直觀、形象地理解物與圖的關系，取得了一定的教學效果，但也有很多弊端。比如，教材不斷更新，實物模型跟不上教材更新的步伐；教師在授課過程中無法隨意切割、拉伸模型來應對題型的變換，制約了授課思路；模型成本高，不便于攜帶；教室后排的學生看不清掛圖；更換掛圖耽誤課堂時間；讓學生拿蘿卜、土豆雕刻模型，課堂秩序容易混亂。截交線和相貫線是提升學生空間想象力的重要教學點，無論雕刻土豆還是捏橡皮泥，由于誤差大都無法把截交線、相貫線的形成及形狀表達清楚，學得好的學生寥寥無幾。

同時，教師講授新課和做習題時，需要在黑板上繪制大量圖形，致使教師體力消耗大，課堂容量小，節(jié)奏松弛。對于學生而言，即使在課堂上聽明白了，在課后做練習有疑問，模型、掛圖、教師都不在，問題得不到及時解決，久而久之，就會失去學習的興趣。

近幾年，教育技術在不斷更新和成熟，比如多媒體課件提高了課堂教學效率，減少了教師的勞動量，較之黑板教學有了很大進步。但是，這些“課件”都是將立體模型以圖片的形式拷貝到PowerPoint里的，無法翻轉和移動模型，學生看不到模型的全貌，難以較好地理解知識。尤其是“三視圖繪制”一節(jié)，課件中給出的組合體圖片，孔是否穿通、是螺紋孔還是光孔、通槽的深度和形體是否前后對稱等信息均無法從圖片中獲取，只能靠教師解釋。同時，由于職業(yè)教育加大了實踐力度，每學期都有實習，加之機械制圖又增加了計算機繪圖章節(jié)，必須留有一定的上機操作時間，致使機械制圖的理論授課時間減少了很多。

由此可見，傳統(tǒng)的教育技術已不能適應現(xiàn)代機械制圖教學，高職制圖教學必須引入新的、先進的技術手段，才能跟上高職教育技術改革的步伐。

三維實體造型技術介紹

隨著科技發(fā)展日新月異，三維實體造型軟件百花齊放，常用的有Solidworks、CAXA、AutoCAD、UG、Pro/Engineer等。這些軟件都具備二維和三維繪圖功能，能完成三維實體造型，能從實體造型生成三視圖和剖視圖，可以繪制有著真實色彩、附于材質、顯示表面特征及光照效果的高保真圖形。其出眾的建模能力和優(yōu)化的設計流程能充分滿足機械、電子、建筑、汽車、航天等特定行業(yè)的設計需要。

筆者將三維實體造型技術應用到制圖教學中，用這些軟件做出的模型精度高、質感好、形象逼真、色彩豐富，極受學生歡迎。在具體演示中，“實體”可以實現(xiàn)任意方向的旋轉、任意截面的剖切，可以清晰地觀察物體的各部分結構。大量的制圖教學實踐證明，三維實體造型技術不僅可完全避免傳統(tǒng)制圖教育技術的弊端，而且能更有效地培養(yǎng)學生的空間想象力，進而提高教學質量。

三維實體造型技術在制圖教學中的應用

（一）建立“體—圖—體”的新型實體化教學模式

傳統(tǒng)教育技術下的制圖教學受教學條件不佳、學生做模困難等客觀因素的影響，只能先從二維圖紙入手想象立體形狀，再從立體形狀繪制二維圖形，即實行“圖—體—圖”的教學模式。這一模式違反了人們對形體的認知規(guī)律，初學者非常難懂，很難在頭腦中建立空間關系。將三維實體造型技術引入制圖教學后，制圖教育技術有了飛躍發(fā)展。基于Solidworks等軟件強大的三維造型功能，我們終于實行了“體-圖-體”的實體化教學模式。

目前，機械行業(yè)的數(shù)控技術已經(jīng)非常成熟，Solidworks等計算機繪圖與加工軟件強大的三維造型功能已弱化了二維圖紙在行業(yè)中的作用。在三維設計過程中，設計者設計的產(chǎn)品可直接與機床連接進行加工。課程改革要求保證課程的培養(yǎng)目標與生產(chǎn)一線“零距離”接觸，因此，機械制圖的課程培養(yǎng)目標應由以往的培養(yǎng)學生的識圖和繪圖能力上升為培養(yǎng)學生很強的空間思維能力和創(chuàng)新性構型能力。

Solidworks軟件具有造型準確、簡便、快速的特點，教師授課時可根據(jù)備課內(nèi)容，現(xiàn)場繪制實體，通過選擇基準面、草圖繪制、拉伸實體、建立參考基準面、拉伸切除等操作建立教學所需的模型。讓學生注意觀察模型的形成過程，逐漸在頭腦中形成三維空間概念，然后由體入手，把原本按照點、線、面、體順序進行的教學改為由體抽取點、線、面，學生就可在三維空間中直接認識和感知空間幾何元素。并且，利用Solidworks軟件里三維模型和二維視圖的相關性，能直接導出二維工程圖紙，包括基本視圖、剖視圖、斜視圖、及軸測圖等，能讓學生非常直觀地看到各視圖的形成過程及視圖間的關系。這種順向思維教學方式學生更易接受。應在學生理解和掌握了由體到圖的形成過程后，再給出三視圖，讓學生想形狀，由圖到體進行空間思維的練習。如果空間問題解決不了，就在教師的引導下，由學生配合，教師用Solidworks繪出實體與圖對照，這樣反復訓練，學生的空間思維能力和構型能力也能迅速提高。

這種基于三維造型軟件的“體—圖—體”的教學模式易于被學生接納，不僅能節(jié)省購買模型、掛圖的資金，還能讓學生全方位觀察機件及其內(nèi)部結構，教學效果非常明顯。

（二）建立機械制圖三維模型庫

機械制圖的教學離不開模型，利用Solidworks制做出的模型完全可以取代實物模型，并且可以根據(jù)教材的更新而修改。教師只需攜帶裝有虛擬模型庫的光盤或U盤即可授課。這種將三維造型軟件應用于機械制圖教學的教育技術，應當成為現(xiàn)代制圖授課教師的必備技能。

結合機械制圖教材和練習冊中的習題，利用Solidworks構建教學模型庫，模型庫可分為基本體、組合體、零件和裝配體四個部分。每個部分可根據(jù)課堂例題和課后練習建立三個庫，即三維模型庫、二維視圖表達庫、動畫模擬仿真庫，三個庫之間相互聯(lián)系、一一對應。在授課過程中，更改三維模型或任一二維視圖的尺寸，會導致三維實體和所有二維視圖自動更新，軟件的先進性能實現(xiàn)模型庫的自我管理，其實用性是傳統(tǒng)教育技術無法比擬的。

同時，可以把機械制圖模型庫傳輸?shù)叫@網(wǎng)上，當學生課后遇到困難時，可直接通過校園網(wǎng)打開模型庫，找到需要的模型，仔細觀察，得到輔助，從而順利完成課后練習。一般模型庫中都收集了大量典型零部件的三維模型和與之對應的二維工程圖，學生可以將自己對零件的表達方法與庫中對照，找出不同與不足，自己修改，變被動學習為主動思考，提高學習能力和解決問題的能力。

（三）利用Solidworks技術突破各章節(jié)難點

截交線、相貫線在傳統(tǒng)工程制圖教學中，求截交線、相貫線都是用立體表面取點、做輔助面等方法來解決，講解起來學生很難理解空間的相互關系。引入Solidworks后，只需正確繪出體與體的相交或截切，截交線與相貫線會自動生成，學生很容易觀察到。利用旋轉命令從不同角度充分觀察形體的形狀及表面交線，再運用剖面視圖直觀地呈現(xiàn)不同截面上表面交點的位置，教師能很容易地給學生指出截交線與相貫線上的一些特殊點，并講述畫法，可大大節(jié)省教學時間。同時，由于Solidworks建模是一個參數(shù)化的設計過程，當改變立體相交的位置時，可得到各種不同的相貫線，能拓展學生空間想象的思路，進一步提高學生的空間思維能力。

組合體教材給出了兩個很經(jīng)典的組合體實例，即軸承座和V型切割體。筆者在以往的授課中，先拿出木制的軸承座模型讓學生假想把它分開，再一塊一塊地組合起來，講解相接、相切、相交的組合形式，整個過程都在教師的語言描述下完成，沒有任何真實動作。根據(jù)教材要求，畫三視圖時，要依次畫出每個簡單形體的三視圖，由于模型小、已破損，學生不易觀察出每個形體間交線的形狀，給學生傳看模型還易造成課堂秩序混亂。在講V型切割體的三視圖繪制時，只能在黑板上繪制立方體軸測圖，然后一刀一刀地切割，不停地修改，引導學生繪出三視圖，整個過程都在黑板上通過粉筆和教師的描述來完成，直觀性差，事倍功半。自從引入Solidworks軟件教學后，教學效果明顯提高。我在授課時，先讓學生觀看用Solidworks繪制軸承座的過程，形體在疊加、截切時自動生成了交線，交線的形狀一目了然，不需做過多的解釋。在確定主視圖的投影方向時，可以選擇軟件中的顯示變換工具條，顯示方式選擇正視投影、左視投影和俯視投影，讓學生自己觀察哪個投影最能反映物體的形狀特征，即確定為主視圖。在指導學生作圖時，將組成軸承座的底板、圓筒、支撐板、肋板依次選中，讓學生邊觀察邊討論，根據(jù)不同的投影方向，按順序畫出各組成部分的三個視圖。教師對相切、相接、相交處的畫法作重點講解和示范，讓學生將圖形按要求繪制好后，在軟件中打開軸承座的工程圖紙，對照找出自己的錯誤與不足。然后，教師總結易出錯的地方，學生最終完成零件圖的繪制。整堂課下來，教師教得輕松，又能緊緊抓住學生的注意力；學生通過形象逼真、具有質感的模型，既學得輕松，又很快掌握了課堂內(nèi)容，Solidworks讓制圖教學變得輕松而愉快。

零件的表達方法剖視是較難理解的，沒有剖開的模型，學生很難想象其實體形狀。利用Solidworks建模后，先讓學生觀察零件的外部形狀，再用剖切平面把零件模型剖開，觀察其內(nèi)部的結構形狀，學生可以比較和選用不同的剖切方法，畫出不同的三視圖，避免學完剖視后，出現(xiàn)對各種剖切方法不能靈活運用的問題。

裝配體由于學生缺少實踐經(jīng)驗，對裝配體了解甚少，教師怎么講，學生就怎么記，難以獨立分析問題。筆者利用Solidworks中的動畫功能，展示裝配體中零部件的裝配關系及裝配體的結構和工作原理，讓學生了解裝配體的裝、拆順序和零件間的動力傳遞路徑，從而可使學生直觀地快速掌握裝配體的知識。由于Solidworks具備高品質的渲染功能并自帶材質庫，提供定義好的金屬、木材、石材、塑料

等材質紋理，可以為整個零件、單個特征、單個表面添加材質，制做出的動畫仿真效果極佳，能達到與拆卸實物一樣的教學效果。

（四）完善了傳統(tǒng)的授課形式

如要將三維造型軟件應用到機械制圖課堂上，授課地點應選在多媒體教室而不是計算機房。我們的教學重點是利用三維實體造型軟件輔助教學培養(yǎng)學生的空間思維能力和零件表達能力，而不是學習Solidworks軟件的使用。所以，制圖授課教師在教學時一定要調配得當，重點突出，否則會出現(xiàn)本末倒置、主次不分、教學重點模糊等問題。

教師在利用三維軟件教學時，要充分發(fā)揮自身的主導作用，不能讓學生只是觀看模型演示，要讓學生參與其中，分析問題、解決問題，把傳統(tǒng)的教師單向灌輸改為互動式教學。教師要充分讓學生動腦、動口、動手，還要給學生獨立思考機會?？傊S實體造型軟件能讓教師和學生在輕松愉快的環(huán)境下共同完成教學任務。

[1]謝忠佑，張雅雯，蔡建安.Solidworks完全實例教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[2]高玉芬，卜桂玲.機械制圖[M].大連：大連理工大學出版社，2007.

[3]武海華.機械制圖與CAD[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2007，（8）.

（本欄責任編輯：謝良才）

哈爾濱把新生代農(nóng)民工納入職業(yè)教育招生范圍

圍繞經(jīng)濟社會發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結構調整，哈爾濱把新生代農(nóng)民工以及初中后未接受高中教育的社會青年、城鎮(zhèn)待業(yè)轉崗人員納入職業(yè)教育招生范圍，進一步擴大職業(yè)教育特別是農(nóng)村中職學校的招生規(guī)模。

哈爾濱市教育部門采取了春秋兩季招生、注冊制備案等靈活的招生辦法，深入開展農(nóng)村職業(yè)教育和城鄉(xiāng)職業(yè)教育對接工作，擴大聯(lián)合辦學的覆蓋面，在中職學校管理思路、辦學條件和模式等方面實現(xiàn)實質對接。未來2年內(nèi)，哈爾濱計劃使城鄉(xiāng)職業(yè)教育對接覆蓋面達到100%。

擴大招生范圍的同時，哈爾濱繼續(xù)優(yōu)化職業(yè)教育資源配置，推行打破部門、行業(yè)和學校類型的限制，積極搭建學校與企業(yè)聯(lián)系的平臺，引導企業(yè)主動接收職業(yè)學校學生實習和教師實踐。通過把企業(yè)崗位能力標準引進學校，把學生實踐環(huán)節(jié)學習放在企業(yè)，實行“訂單式培養(yǎng)”、“彈性學制”等靈活辦學模式，縮小學生職業(yè)能力與社會崗位要求的差距。

（新華網(wǎng)）

G712

A

1672-5727（2010）09-0154-02

劉瑩（1975—），女，寧夏民族職業(yè)技術學院講師，主要從事機械制圖課程的教學與研究。

*本文系寧夏回族自治區(qū)教改立項課題《高職教育教學中教育技術的應用研究》（課題編號：寧教高【2008】293號）部分研究成果