三維造型設(shè)計(jì)與工程圖學(xué)的有效融合

張京英， 羅會(huì)甫， 張 彤， 焦永和

（北京理工大學(xué)，北京 100081）

三維造型設(shè)計(jì)與工程圖學(xué)的有效融合

張京英， 羅會(huì)甫， 張 彤， 焦永和

（北京理工大學(xué)，北京 100081）

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的普及和飛速發(fā)展以及制造業(yè)對(duì)二維計(jì)算機(jī)繪圖以及三維設(shè)計(jì)造型技術(shù)日益增長(zhǎng)的需求，在工程圖學(xué)教學(xué)中有效地融入二維計(jì)算機(jī)繪圖以及三維設(shè)計(jì)造型技術(shù)已顯得尤為重要。論文介紹了北京理工大學(xué)在工程圖學(xué)和三維造型創(chuàng)新設(shè)計(jì)方面“外掛式、分段式和融合式”三種模式的教學(xué)改革實(shí)踐，并著重對(duì)如何將三維造型設(shè)計(jì)與工程圖學(xué)有效地融合進(jìn)行了論述。

工程圖學(xué)；三維；教學(xué)改革；Inventor軟件

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的普及和飛速發(fā)展以及制造業(yè)對(duì)二維計(jì)算機(jī)繪圖以及三維設(shè)計(jì)造型技術(shù)日益增長(zhǎng)的需求，在工程圖學(xué)教學(xué)中有效地融入二維計(jì)算機(jī)繪圖以及三維設(shè)計(jì)造型技術(shù)已顯得尤為重要。工程圖學(xué)課程指導(dǎo)委員會(huì)在修訂的教學(xué)基本要求報(bào)批稿中已將“應(yīng)用繪圖軟件繪制工程圖樣及進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)的能力”并列地列入工程圖學(xué)課程任務(wù)中；此外還將計(jì)算機(jī)造型技術(shù)的基本原理和計(jì)算機(jī)造型操作技術(shù)列為工程圖學(xué)的基礎(chǔ)。

經(jīng)過多年的教學(xué)改革實(shí)踐，在工程圖學(xué)教學(xué)中有效地融入二維計(jì)算機(jī)繪圖已經(jīng)取得了很多經(jīng)驗(yàn)和成果，而如何有效地融入三維造型技術(shù)是值得我們認(rèn)真研究和探討的問題[1]。經(jīng)過近幾年我校在教學(xué)實(shí)踐中的嘗試和摸索，總結(jié)出一些認(rèn)識(shí)和體會(huì)。以下將結(jié)合本校多學(xué)時(shí)機(jī)械制圖教學(xué)中所采用的不同教學(xué)模式進(jìn)行對(duì)比和論述，并重點(diǎn)論述融合式教學(xué)模式。

1 三種教學(xué)模式

我校在引入三維造型設(shè)計(jì)時(shí)采用過三種不同的教學(xué)模式，我們稱之為“外掛式、分段式[2]和融合式”。不同的教學(xué)模式都取得了很好的成果，但也各有利弊。以下分別進(jìn)行論述和對(duì)比：

1.1 外掛式——以開設(shè)三維創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)選修課的形式

在引入三維造型設(shè)計(jì)的初期，我們以開設(shè)三維創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)選修課（32學(xué)時(shí)）的形式進(jìn)行。在對(duì)課程的定位上，我們沒有簡(jiǎn)單地把這門課定位為一門工具課，而是期望通過這門課的學(xué)習(xí)，在學(xué)生掌握三維造型設(shè)計(jì)技術(shù)的同時(shí)，還能培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、觀察能力，鼓勵(lì)學(xué)生承擔(dān)更多更復(fù)雜的任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生的相互協(xié)作精神。引導(dǎo)學(xué)生對(duì)自己的客觀評(píng)價(jià)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，鍛煉自己分析問題和解決問題的能力。

在授課形式的安排上，采用集中講授和分組練習(xí)穿插進(jìn)行的方式。在練習(xí)時(shí)，兩位老師現(xiàn)場(chǎng)答疑，在答疑過程中，杜絕“手把手”輔導(dǎo)的現(xiàn)象，而是提醒學(xué)生該問題是哪一種類型的問題，引導(dǎo)學(xué)生向特定的方向?qū)ふ医鉀Q的辦法。學(xué)生雖然一開始不太適應(yīng)老師杜絕“手把手”的輔導(dǎo)方式，但是對(duì)其多次耐心引導(dǎo)后，開始體會(huì)老師的良苦用心，逐漸培養(yǎng)了自己解決問題的能力。事實(shí)證明，這種答疑方式比“手把手”需要更多的耐心和知識(shí)，對(duì)學(xué)生的幫助也更大。當(dāng)遇到共性問題時(shí)再集中講授。通過分組分工的部件設(shè)計(jì)和裝配，鍛煉學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中的配合協(xié)調(diào)能力和在分工協(xié)作過程中的組織能力。

我校三維創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)選修課得到了學(xué)生的好評(píng)。由于選課有人數(shù)限制，因此能夠很好地貫徹素質(zhì)教育的理念，收到很好的效果。但也正是由于受選課人數(shù)的限制，只有少數(shù)學(xué)生能夠成功選上該課，還有相當(dāng)多的學(xué)生不能如愿。因此，我們考慮在第二階段逐漸擴(kuò)了大三維造型設(shè)計(jì)技術(shù)在制圖課中的應(yīng)用，在多學(xué)時(shí)機(jī)械制圖教學(xué)中全面引入三維造型設(shè)計(jì)技術(shù)。

1.2 分段式——在多學(xué)時(shí)機(jī)械制圖教學(xué)之后加入一周的三維造型設(shè)計(jì)技術(shù)

在引入三維造型設(shè)計(jì)技術(shù)的前期，我們先將二維計(jì)算機(jī)繪圖（使用AutoCAD軟件）在機(jī)械制圖的教學(xué)中完成，這樣便可以在設(shè)置在小學(xué)期實(shí)踐周中的“機(jī)械 CAD(1)”的課程中介紹Autodesk公司的Inventor軟件，進(jìn)行三維創(chuàng)新設(shè)計(jì)訓(xùn)練（一周時(shí)間）。

考慮到機(jī)械類學(xué)生的二維草圖繪制能力較強(qiáng)，在教學(xué)中把重點(diǎn)放在掌握三維造型設(shè)計(jì)的基本思路和造型設(shè)計(jì)方面，鍛煉學(xué)生使用參數(shù)化三維造型軟件進(jìn)行零件設(shè)計(jì)、部件裝配、產(chǎn)品渲染、產(chǎn)品展示等的能力。

這種教學(xué)模式使三維造型設(shè)計(jì)技術(shù)在機(jī)械類多學(xué)時(shí)課的學(xué)生中得到了全面的推廣和普及，為其在后續(xù)課程乃至今后的社會(huì)實(shí)踐中奠定了三維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

1.3 融合式——在機(jī)械制圖課教學(xué)過程中有效地融入三維造型設(shè)計(jì)技術(shù)

隨著三維教學(xué)實(shí)踐的不斷展開和深入，我們也在思考：能否將三維造型設(shè)計(jì)更有效地與工程圖學(xué)緊密地結(jié)合起來，使得先進(jìn)的計(jì)算機(jī)三維造型技術(shù)與傳統(tǒng)的二維工程制圖相輔相成，相互促進(jìn)，相得益彰呢？于是，我們進(jìn)入了三維造型設(shè)計(jì)教學(xué)改革的第三個(gè)階段，也是第三種模式：在機(jī)械制圖課中有效地融入三維造型設(shè)計(jì)技術(shù)。下面重點(diǎn)論述融合式教學(xué)實(shí)踐和體會(huì)。

2 融合式教學(xué)模式

在教學(xué)改革的實(shí)踐中我們逐步體會(huì)到：二維工程制圖和三維造型設(shè)計(jì)在內(nèi)容和方法體系上有很大的一致性、相融性。三維造型設(shè)計(jì)在高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)軟硬件的支持下，為我們提供了更強(qiáng)有力的手段。但是在現(xiàn)階段，三維造型的教學(xué)不會(huì)也不應(yīng)該取代二維，而是應(yīng)該和二維更有效地相融合。因此，我們?cè)噲D探索一種能將二者更有效地融合起來的教學(xué)方法和途徑。仍以多學(xué)時(shí)機(jī)械制圖教學(xué)為例進(jìn)行實(shí)踐，將三維造型設(shè)計(jì)直接引入制圖課的教學(xué)過程中。

2.1 基本思路

無論是工程制圖還是三維創(chuàng)新設(shè)計(jì)，我們的定位都是對(duì)學(xué)生的素質(zhì)培養(yǎng)，而不是把它們當(dāng)成工具[3]。從二者的內(nèi)容體系和方法論結(jié)構(gòu)上，有著很大的一致性。工程制圖要使用平面圖形表達(dá)三維立體，對(duì)三維立體采用了分解與綜合（形體分析）、分類（平面及曲面立體）、從特殊到一般（特殊位置的點(diǎn)、線、面到一般位置的點(diǎn)、線、面，基本體到組合體）等常用的分析問題和解決問題的方法。在表示法這部分內(nèi)容中，根據(jù)要表達(dá)機(jī)件的內(nèi)外形結(jié)構(gòu)特征采用了具體問題具體分析、靈活機(jī)動(dòng)的處理方法。在視圖的讀畫過程中貫徹抓主要矛盾（抓特征視圖、抓主要結(jié)構(gòu)）的方法。將這些方法貫徹到教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生的分析問題和解決問題的能力。

在三維創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，三維造型軟件的設(shè)計(jì)本身和工程制圖一樣，對(duì)組合體采用了分解、分類和歸納的方法，然后設(shè)計(jì)相應(yīng)的功能。在使用三維造型軟件構(gòu)思立體模型的時(shí)候，同樣要遵循相應(yīng)的方法。

2.2 軟件的選用

目前，參數(shù)化三維造型設(shè)計(jì)軟件種類很多，各類三維造型軟件功能也有強(qiáng)有弱，但在三維實(shí)體建模、虛擬裝配、生成工程圖方面對(duì)工程圖學(xué)教學(xué)都有很大幫助[4]。從功能上講，Inventor有不足之處，但是它界面友好，上手快，便于把有限的學(xué)時(shí)用在培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力和表達(dá)三維形體的思路上。因此，我們選用Inventor三維造型設(shè)計(jì)軟件。

2.3 軟件的引入時(shí)機(jī)

在教學(xué)過程中，三維造型軟件的引入時(shí)機(jī)很重要，既要使學(xué)生理解三維造型設(shè)計(jì)軟件的設(shè)計(jì)思路和基本方法，又要與制圖課程緊密地結(jié)合。

復(fù)雜立體的三維造型實(shí)質(zhì)上是采用工程制圖中組合體讀圖和畫圖中所采用的形體分析（分解）的方法，先把復(fù)雜立體分解為簡(jiǎn)單的部分，逐步完成。有了形體分析的基礎(chǔ)并具備了基本的讀圖能力，再掌握了Inventor的基本特征工具（拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠、放樣）和工作平面、工作軸、工作點(diǎn)的概念，學(xué)生便能非常容易地掌握三維造型的思路。因此，我們選擇了在學(xué)習(xí)組合體一章后引入三維造型軟件，收到了非常好的效果。

2.4 教學(xué)安排

以目前計(jì)算機(jī)的普及情況和多數(shù)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)操作的熟練情況以及學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)軟件的學(xué)習(xí)能力而言，學(xué)生在掌握了三維造型設(shè)計(jì)的基本思路并熟悉了軟件界面后，只要采用基于實(shí)例的操作練習(xí)，就能很快地掌握三維造型軟件的基本功能進(jìn)行簡(jiǎn)單的三維造型設(shè)計(jì)。

我校機(jī)械制圖教學(xué)共104學(xué)時(shí)，分兩學(xué)期完成。第一學(xué)期 56學(xué)時(shí)。其中：制圖的基礎(chǔ)知識(shí)及正投影圖基礎(chǔ)22學(xué)時(shí)（含一次大作業(yè)），立體的投影8學(xué)時(shí)，軸測(cè)圖2學(xué)時(shí)，組合體8學(xué)時(shí)（含一次大作業(yè)），三維CAD 6學(xué)時(shí)（結(jié)合習(xí)題課），圖樣畫法6學(xué)時(shí)（含一次大作業(yè)），復(fù)習(xí)2學(xué)時(shí)，機(jī)動(dòng)2學(xué)時(shí)。第二學(xué)期48學(xué)時(shí)。其中：標(biāo)準(zhǔn)件及常用件8學(xué)時(shí)（含一次大作業(yè)），零件圖10學(xué)時(shí)（含零件測(cè)繪草圖一張），裝配圖20學(xué)時(shí)（含大作業(yè)裝配圖一張，拆畫零件圖2張），三維CAD 8學(xué)時(shí)，復(fù)習(xí)2學(xué)時(shí)。

在這種教學(xué)模式中，側(cè)重的是三維造型軟件的引入和應(yīng)用，三維造型軟件的講授是穿插在制圖課的教學(xué)過程中進(jìn)行的，以有利于制圖課的教學(xué)為依據(jù)，將工程制圖中“由二維‘想’三維”的“想”通過計(jì)算機(jī)的三維造型軟件進(jìn)行真實(shí)的再現(xiàn)，有效地幫助了學(xué)生讀圖能力的提高。而“由三維‘畫’二維”則是通過手工繪圖結(jié)合由三維造型生成二維工程圖的兩種方式進(jìn)行。我們將用AutoCAD繪制二維工程圖的內(nèi)容仍然放在小學(xué)期實(shí)踐周的“機(jī)械CAD(1)”課程中進(jìn)行。這樣，既保持了課程的完整性，又不降低對(duì)課程的要求，能比較好地做到計(jì)算機(jī)二維、三維軟件與工程圖學(xué)課程有機(jī)的結(jié)合。但這種方式需要校方在政策上的支持，要有比較充裕的學(xué)時(shí)和配套的硬件設(shè)施的支持。同時(shí)，授課教師要付出更多的課外時(shí)間輔導(dǎo)學(xué)生。

3 融合式教學(xué)模式的教學(xué)效果

3.1 三維造型與形體分析法的有機(jī)結(jié)合，有效地促進(jìn)教學(xué)

由于是在學(xué)生學(xué)習(xí)了用形體分析法讀畫組合體視圖之后引入三維造型設(shè)計(jì)技術(shù)，在這個(gè)階段，學(xué)生正迫切地希望將制圖作業(yè)中的組合體用三維造型軟件實(shí)現(xiàn)立體建模，幫助組合體讀圖和畫圖的學(xué)習(xí)，因此，學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性非常高。學(xué)習(xí)完三維造型設(shè)計(jì)軟件之后，學(xué)生可以利用課外時(shí)間自己分工合作，將他們認(rèn)為需要造型的題目進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)，其間遇到的問題和教師交流探討，這樣，在實(shí)踐過程中，即促進(jìn)了三維造型軟件的學(xué)習(xí)，又更真切地培養(yǎng)、鍛煉、提高和檢驗(yàn)了學(xué)生的讀圖能力和空間想象能力，更有效地促進(jìn)了制圖課本身的教學(xué)，可謂一舉兩得可事半功倍。

3.2 三維造型軟件強(qiáng)化了特征視圖的使用

在利用軟件進(jìn)行三維造型的拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠和放樣四大基本特征時(shí)，實(shí)質(zhì)上使用或近似地使用了工程制圖中的特征視圖的概念。在進(jìn)行三維造型時(shí)，總是要先從二維草圖的繪制開始的，而二維草圖的繪制就是特征視圖的繪制。在工程制圖中讀圖的時(shí)候首先要抓特征視圖，再結(jié)合“分線框、對(duì)投影，綜合起來想形體”。而在三維造型中主要特征總是基于二維草圖的繪制，三維造型的實(shí)質(zhì)就是在特定的工作平面上一系列草圖的繪制和特征的使用，將分解后的簡(jiǎn)單立體，按照其相對(duì)位置和組合方式（疊加、切割、相交）逐一完成造型?？梢钥闯觯喝S造型軟件的造型過程正是我們讀圖時(shí)思維過程的真實(shí)再現(xiàn)。三維造型軟件的學(xué)習(xí)大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，真正將制圖課學(xué)“活”了。

3.3 二維草圖中的約束概念對(duì)工程制圖的尺寸標(biāo)注是一個(gè)補(bǔ)充

在工程制圖的教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)尺寸標(biāo)注這部分內(nèi)容的掌握總是不太理想。無論是平面圖形的尺寸標(biāo)注還是組合體的尺寸標(biāo)注，雖然反復(fù)強(qiáng)調(diào)不標(biāo)注間接尺寸、對(duì)稱尺寸標(biāo)全部尺寸等要求，但是從作業(yè)中反映的情況看，效果不是很理想。這一方面是學(xué)生的空間想象能力是在課程的學(xué)習(xí)中逐步形成的，另一方面是他們?nèi)狈ο鄳?yīng)的工藝知識(shí)。而在三維造型設(shè)計(jì)中，引入約束的概念，使用位置約束和尺寸約束對(duì)草圖進(jìn)行精確的繪制。再加上相應(yīng)的位置約束和標(biāo)注直接尺寸后，如果再標(biāo)注間接尺寸就會(huì)出現(xiàn)過約束的提示。而且把尺寸和位置約束一樣作為一種約束的概念，很容易讓學(xué)生理解在工程制圖中的關(guān)于尺寸標(biāo)注的很多規(guī)定。

3.4 三維造型軟件在測(cè)繪和裝配圖中的應(yīng)用

隨著制圖課程學(xué)習(xí)的展開和深入，在圖樣畫法、螺紋緊固件、零件圖、裝配圖的學(xué)習(xí)階段逐漸進(jìn)行復(fù)雜零件的測(cè)繪和三維造型練習(xí)，穿插講授復(fù)雜零件的三維造型、渲染和部件的裝配技巧以及表達(dá)視圖的生成和工程圖的生成等，利用三維造型軟件的裝配功能檢驗(yàn)測(cè)繪的結(jié)果并可以利用動(dòng)畫功能看到裝配體的工作原理和工作狀態(tài)。這樣便可將三維造型設(shè)計(jì)軟件更緊密、更有效地與工程圖學(xué)相結(jié)合，達(dá)到更加理想的教學(xué)效果。

4 總結(jié)與思考

通過上述三種教學(xué)模式的比較可以看出，這三種模式各有千秋，可以根據(jù)具體的條件實(shí)施和選用。而融合式教學(xué)模式將計(jì)算機(jī)繪圖與工程圖學(xué)結(jié)合得更加緊密，使二者能更有效地互相促進(jìn)，是一種更值得嘗試和推薦的教學(xué)模式。

無論哪種教學(xué)模式，授課教師都要付出更多的心血，因此，都要富有很強(qiáng)的責(zé)任感和獻(xiàn)身精神，也希望能得到校方在政策上的支持。

教學(xué)方法的改革和探索是無止境的，我們將在以往教學(xué)改革實(shí)踐的基礎(chǔ)上，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷探索，同步于當(dāng)代科技發(fā)展，定位于學(xué)生的素質(zhì)教育和基本功培養(yǎng)的教學(xué)方法改革上。

[1]王宗彥, 馮敬華, 暴建崗. 從三維設(shè)計(jì)出發(fā)改革傳統(tǒng)機(jī)械制圖教學(xué)[J]. 華北工學(xué)院學(xué)報(bào)(社科版), 2004,20(2)：70-72.

[2]童秉樞, 易素君, 徐曉慧. 工程圖學(xué)中引入三維幾何建模的情況綜述與思考[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報(bào), 2005,26(4)：130-135.

[3]林清夫. 引入三維幾何建模的工程圖學(xué)教學(xué)模式分析與比較[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 27(4)：148-152.

[4]葉 軍, 孫根正. 三維建模引入制圖課程的改革研究[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 29(2)：168-172.

The Effective Integration of 3D Design and Engineering Graphics

ZHANG Jing-ying, LUO Hui-fu ZHANG Tong JIAO Yong-he
( Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China )

Along with the popularization and rapid development of computer software and hardware technology and the growing demand of manufacturing for 2D and 3D design techniques of computer graphics, it is particularly important to blend 2D and 3D design techniques of computer graphics in the teaching of the engineering graphics. The paper introduces the teaching reform and practice of the three-dimensional CAD in Beijing Institute of Technology. Three modes are introduced as the outside hanging mode, the segmentation mode and the fusion mode. The focus is on how to syncretize the three dimensional CAD and engineering graphics effectively.

engineering graphics; 3D; teaching reform; Inventor

TB 23

A

1003-0158(2010)06-0151-04

2009-02-19

張京英（1963-），女，北京人，副教授，博士，主要研究方向?yàn)楣こ虉D學(xué)，計(jì)算機(jī)圖學(xué)，機(jī)械制造及其自動(dòng)化。