基于AutoCAD的3D 教學(xué)模式在工程制圖教學(xué)中的應(yīng)用?

趙繼成，王蘭美

（山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255049）

0 引言

工程制圖教學(xué)中，空間想象力的培養(yǎng)是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，為了培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力，需要進(jìn)行大量的二維與三維之間的雙向思維訓(xùn)練。傳統(tǒng)的工程制圖教學(xué)模式多使用掛圖或?qū)嵨锬Ｐ?，把二維的投影圖和空間實(shí)體結(jié)合起來(lái)，幫助學(xué)生讀圖。隨著現(xiàn)代教學(xué)方法和手段的提高，CAI輔助教學(xué)在現(xiàn)代課堂上表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，在許多工科學(xué)生的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)中，已經(jīng)廣泛使用 AutoCAD、UG、Pro／E、SolidWorks等造型工具。在這一趨勢(shì)的推動(dòng)下，制圖課程已開(kāi)始將三維造型內(nèi)容的學(xué)習(xí)納入教學(xué)內(nèi)容體系［1］，這使得工程制圖教學(xué)過(guò)程的直觀性得到充分顯現(xiàn)，在很大程度上彌補(bǔ)了學(xué)生空間想象不足帶來(lái)的教學(xué)障礙，培養(yǎng)了其空間思維能力。

1 工程制圖教學(xué)改革現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)主流的工程制圖教學(xué)改革模式是把三維建模融入教學(xué)當(dāng)中。比如清華大學(xué)童秉樞教授總結(jié)了現(xiàn)有各院校提出的三維內(nèi)容引入方式以及由此形成的新課程體系［2］；浙江大學(xué)施岳定教授通過(guò)添加式、分離式、結(jié)合式、融合式等多種模式引入計(jì)算機(jī)繪圖和三維模式；華南理工大學(xué)陳熾坤提出從三維模型入手，直接建立從體到圖的教學(xué)體系等。總之，將三維建模引入工程制圖教學(xué)當(dāng)中是未來(lái)工程制圖教學(xué)改革的一個(gè)模式。

引入三維建模并不是完全意義上取代二維繪圖，目前二維繪圖就其自身來(lái)講也有很多優(yōu)勢(shì)，比如：對(duì)教學(xué)條件要求不高；可以增強(qiáng)初學(xué)者對(duì)工程圖的讀圖能力等。因此，工程制圖教學(xué)短期內(nèi)仍然需要從“畫(huà)法幾何—二維繪圖”開(kāi)始，同時(shí)引入三維建模，以培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力和對(duì)工程制圖的興趣。

2 工程制圖教學(xué)中存在的問(wèn)題

教育部工程圖學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)于2004年針對(duì)工程圖學(xué)教學(xué)的基本要求，提出了工程圖學(xué)課程的6項(xiàng)任務(wù)［3］：①培養(yǎng)使用投影的方法用二維平面圖形表達(dá)三維空間形狀的能力；②培養(yǎng)對(duì)空間形體的形象思維能力；③培養(yǎng)創(chuàng)造性構(gòu)型設(shè)計(jì)能力；④培養(yǎng)使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；⑤培養(yǎng)儀器繪制、徒手繪畫(huà)和閱讀專業(yè)圖樣的能力；⑥培養(yǎng)工程意識(shí)，貫徹、執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的意識(shí)。

日常教學(xué)工作也是圍繞該任務(wù)展開(kāi)的，教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題大致可歸納如下：

（1）學(xué)生缺乏空間想象能力?？臻g想象能力差是阻礙工程制圖學(xué)習(xí)的一個(gè)重要問(wèn)題，其表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面是圖與物體分離，學(xué)生看到零件想象不出三視圖和見(jiàn)到三視圖想象不出零件的結(jié)構(gòu)；另一方面是學(xué)生缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)許多零件感到陌生，見(jiàn)到零件后所留的印象也不深。例如，投影基礎(chǔ)和幾何元素的投影圖是課程的基礎(chǔ)，但入門(mén)較難，學(xué)生不易建立空間投影體系，難以在腦海中勾畫(huà)出點(diǎn)、線、面、體等元素在空間的形狀和位置，很容易在學(xué)習(xí)開(kāi)始階段就失去學(xué)習(xí)興趣。

（2）截交線、相貫線作圖是難點(diǎn)。截交線、相貫線分別表示平面截切物體產(chǎn)生的交線和物體與物體相交產(chǎn)生的交線，在二維投影圖中，它的主要表現(xiàn)是抽象、不直觀，尤其是在曲面立體與曲面立體相貫方面表現(xiàn)得更加明顯。初學(xué)者在二維和三維之間的轉(zhuǎn)換上存在許多障礙，想象不出空間物體的結(jié)構(gòu)，作圖也會(huì)遇到困難。

（3）實(shí)物教學(xué)模型靈活性差。實(shí)物模型在工程制圖教學(xué)過(guò)程中發(fā)揮著很好的作用，能夠把抽象的物體展現(xiàn)在眼前，變得更加具體，但是隨著現(xiàn)在工程制圖課時(shí)量的壓縮，同時(shí)又要傳授較大的信息量，課堂上帶著很多教學(xué)模型是比較困難的事情，況且題目若有變化，模型不能立即更新，使用起來(lái)很不方便。

（4）對(duì)工程圖樣的讀圖、繪圖能力下降。過(guò)多地依賴三維模型，會(huì)造成學(xué)生思維懶惰，不能養(yǎng)成良好的讀圖習(xí)慣，讀圖能力下降；智能化的三維建模軟件可以生成二維工程圖樣，但是多數(shù)三維建模是基于特征的建模，生成的工程圖樣在尺寸標(biāo)注上不是完全符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，甚至是錯(cuò)誤的，單靠三維模型自動(dòng)生成工程圖樣顯然不是一個(gè)一蹴而就的過(guò)程，仍然需要在牢固掌握工程圖樣的基礎(chǔ)上再利用三維造型，才是正確的學(xué)習(xí)順序。

3 基于AutoCAD的3D教學(xué)模式的引入

許多優(yōu)秀的三維軟件如UG、Pro／E、SolidWorks等，更注重的是實(shí)體造型和仿真，雖然可以由實(shí)體模型生成視圖，但并不能由二維的投影圖直接轉(zhuǎn)換成三維實(shí)體。因此，雖然可以培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力，但其對(duì)于二維工程圖的繪圖和讀圖能力的提高卻成效甚微；而且這些軟件對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求較高，掌握起來(lái)也需要一定時(shí)間。而AutoCAD雖然是低端繪圖軟件，但卻有其自身的優(yōu)勢(shì)，與其他三維造型軟件相比，更便于短時(shí)間內(nèi)掌握，也具有不錯(cuò)的三維造型功能；更重要的是在二維繪圖方面AutoCAD具有更大的優(yōu)勢(shì)。

為了解決以上問(wèn)題，提出了基于AutoCAD的3D教學(xué)模式。所謂基于AutoCAD的3D教學(xué)模式，是指在教學(xué)過(guò)程中，教師借助于AutoCAD軟件及開(kāi)發(fā)的開(kāi)放式3D模型庫(kù)開(kāi)展教學(xué)工作。當(dāng)同學(xué)們對(duì)二維視圖的空間立體構(gòu)思有困難時(shí)，可適時(shí)調(diào)出3D模型庫(kù)在AutoCAD下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)剖切、疊加等操作，也可以根據(jù)需要現(xiàn)場(chǎng)建模，豐富逼真地構(gòu)建各種復(fù)雜的三維實(shí)體，對(duì)照二維投影圖進(jìn)行講解，正誤對(duì)比，培養(yǎng)學(xué)生的空間想象力。同時(shí)也可以進(jìn)行二維工程圖樣的繪制，整個(gè)過(guò)程不僅講述了二維視圖而且也展示了Auto－CAD的操作技巧。

4 教學(xué)應(yīng)用實(shí)例

為了保證作圖過(guò)程的有序性和盡可能地減少出錯(cuò)的幾率，下面配合一個(gè)教學(xué)實(shí)例進(jìn)行作圖過(guò)程分析。如圖1所示，求作左視圖，并補(bǔ)齊其他投影。

（1）形體還原。形體還原時(shí)可不予考慮內(nèi)部形狀，主要從外形的主要形體特征入手，勾畫(huà)物體形狀；從主視圖和俯視圖看，該形體下半部分的外形是圓柱，上半部分具有球體投影的特征 ，但是左視圖中給了一定的外形限制，因此，上半部分是球體的情況可以排除，這種結(jié)構(gòu)在現(xiàn)實(shí)中接觸不多，學(xué)生可能對(duì)形體沒(méi)有概念，在進(jìn)行投影分析的基礎(chǔ)上，我們可以給出形體還原后的投影和模型，如圖2所示。

（2）求外形交線。外形交線包括形體和形體的外表面相交，孔或槽與形體外表面的交線。作外形交線時(shí)可不予考慮內(nèi)部情況，容易理清思路。該例中外部交線有2組，1組是豎直方向的孔和上面圓柱表面相貫，另一組是下部的“n”形槽和豎直方向圓柱外表面相貫，如圖3所示。

圖1 求做左視圖并補(bǔ)齊投影

圖2 外形結(jié)構(gòu)還原圖

圖3 作出物體外形交線后的投影圖

（3）求內(nèi)形交線。內(nèi)形相交指形體內(nèi)部孔和孔或槽之間的交線。題目中的內(nèi)形交線是豎直方向圓柱孔和“n”形槽上半部分（半圓柱槽）相貫，此時(shí)兩孔半徑相等，相貫線在左視圖上表現(xiàn)為不可見(jiàn)直線，如圖4所示，其中A－A剖視圖為內(nèi)形相貫線。

（4）補(bǔ)齊投影、描深。最后一步主要是檢查和補(bǔ)全投影工作，檢查有沒(méi)有多線、漏線現(xiàn)象，確認(rèn)無(wú)誤后再按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的線型要求描深，補(bǔ)齊完整后的投影圖如圖5所示。

圖4 物體內(nèi)形交線作圖及內(nèi)形剖視

圖5 補(bǔ)齊完整后的 投影圖

以上作圖步驟是我們?cè)谥v授過(guò)程中應(yīng)當(dāng)遵循的一個(gè)常規(guī)解題過(guò)程，也是初學(xué)者正確作圖的入門(mén)技巧，把三維模型和二維視圖結(jié)合起來(lái)，更容易發(fā)揮計(jì)算機(jī)作圖的優(yōu)勢(shì)，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，和空間想象能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于AutoCAD的3D教學(xué)模式的引入，就是在講授工程制圖的同時(shí)，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)輔助繪圖優(yōu)勢(shì)，把抽象的空間用三維模型表達(dá)出來(lái)，同時(shí)把二維視圖和三維模型有機(jī)結(jié)合，全方位培養(yǎng)學(xué)生的工程制圖讀圖和作圖能力。

［1］ 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．

［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］ 陳錦昌．本科工程圖學(xué)課程教學(xué)基本要求的修改［J］．工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2004，25（3）：101－105．