三維圖形繪制與相關(guān)能力培養(yǎng)的有機(jī)結(jié)合

摘 要：本文基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及、機(jī)械/工程制圖、計(jì)算機(jī)繪圖等課程間的關(guān)系，討論三維圖形繪制與相關(guān)能力培養(yǎng)的有機(jī)結(jié)合。

關(guān)鍵詞：機(jī)械/工程制圖 教學(xué)模式 三維圖形布爾運(yùn)算課程

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)是一種按程序自動進(jìn)行信息處理的通用工具。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，計(jì)算機(jī)發(fā)揮著越來越大的作用。尤其是AutoCAD、SolidWorks等繪圖軟件應(yīng)用和普及，不僅使得計(jì)算機(jī)繪圖的學(xué)習(xí)更加容易理解和快捷掌握，同時也使三維圖形繪制與相關(guān)能力培養(yǎng)有機(jī)結(jié)合得越來越緊密、越廣泛。而作為工程技術(shù)人員的專業(yè)基礎(chǔ)之一，識圖、繪圖和空間想象的思維能力以及形體表達(dá)的實(shí)際操作技能必須具備。所以要在強(qiáng)化基本理論的同時，還要著力培養(yǎng)學(xué)生的操作技能，有機(jī)地協(xié)調(diào)好操作定向、操作模仿、操作整合與操作熟練等操作技能的形成階段，并以此為基礎(chǔ)推動學(xué)生的綜合能力的提高。

一、使用計(jì)算機(jī)繪圖軟件豐富教學(xué)

要具備上述這些能力和技能，可用的教學(xué)模式有以下幾種。

一是讓學(xué)生看平面圖形，想象立體形狀，再讓學(xué)生畫平面投影。這樣的過程比較抽象，往往增加了學(xué)習(xí)難度。

二是讓學(xué)生看直觀的三維形體，如長方體、正方體、圓柱體、圓球體等，然后對比識別一些簡單的立體圖，從而對三維空間有一個感性認(rèn)識，逐漸引出投影作圖規(guī)律。但這樣需要有足夠的三維形體模型，成本高，且不能實(shí)時地、動態(tài)地滿足實(shí)際作圖要求。

三是使用AutoCAD、SolidWorks等計(jì)算機(jī)繪圖軟件。在軟件提供的三維空間中教師可以適時繪制靈活多變的三維形體模型。而且由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，更使得這些繪圖軟件易學(xué)、實(shí)用，因此這樣既可以讓學(xué)生模仿操作，繪制整合、體會投影關(guān)系，又可以給我們提供一個良好的教學(xué)環(huán)境，同時也培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力和空間想象力。所以我們應(yīng)使用計(jì)算機(jī)繪圖軟件來滿足教學(xué)的實(shí)際需要。

如果使用計(jì)算機(jī)繪圖軟件，讓學(xué)生掌握工程繪圖的基本知識，就意味著教師既要掌握相關(guān)計(jì)算機(jī)繪圖軟件的使用，又要在教學(xué)中根據(jù)教學(xué)內(nèi)容適時展示或創(chuàng)建三維圖形，并要在指導(dǎo)學(xué)生繪制相應(yīng)三維圖形、進(jìn)一步熟練操作技能的基礎(chǔ)上體會、理解投影作圖的規(guī)律。

二、利用三維圖形繪制與相關(guān)能力培養(yǎng)結(jié)合

下面用幾個實(shí)例體驗(yàn)三維圖形的繪制與相關(guān)能力的培養(yǎng)。

1.點(diǎn)在三維坐標(biāo)中的位置

如圖1所示，在AutoCAD的三維建?？臻g中，直觀地表示了一個點(diǎn)在三維坐標(biāo)中的位置。顯然，點(diǎn)和三維坐標(biāo)軸的位置關(guān)系直觀、準(zhǔn)確。在教學(xué)中繪制或指導(dǎo)學(xué)生繪制，可以可直觀、有效地引導(dǎo)學(xué)生的空間想象，便于理解點(diǎn)的投影規(guī)律。而相關(guān)類似圖形的繪制，在AutoCAD的三維建?？臻g中也是簡單、方便，容易實(shí)現(xiàn)的。

2.直線在三維坐標(biāo)中的位置

如圖2所示，在AutoCAD的三維建?？臻g中，清楚地表示了一條線段在三維坐標(biāo)中的位置。線段的兩個端點(diǎn)與三維坐標(biāo)軸的位置關(guān)系直觀、準(zhǔn)確，可以幫助學(xué)生觀察并可進(jìn)一步直觀、準(zhǔn)確地分析和理解直線的投影規(guī)律。同樣教師可以指導(dǎo)學(xué)生動手演練，在操作模仿的過程中，引導(dǎo)學(xué)生理解點(diǎn)與直線的關(guān)系及其投影規(guī)律，這樣對教學(xué)的效益和學(xué)生的收獲是多方面的。

3.由平面圖形生成簡單三維圖形

在教學(xué)中，我們可以演示由二維封閉圖形拉伸生成三維實(shí)體（圖3）和由二維封閉圖形旋轉(zhuǎn)生成三維實(shí)體（圖4）的過程，從中可以了解二維圖形的繪制和理解相應(yīng)三維實(shí)體的形成過程。這個過程可以引導(dǎo)學(xué)生思考為什么要繪制這樣的幾何圖形、是否有替代的方法等等（啟發(fā)學(xué)習(xí)興趣、探索能力等）。這里要結(jié)合整個的圖形及其相關(guān)的知識，綜合考慮如何快捷、方便地繪制平面圖形。這也是對平面繪圖方法、靈活運(yùn)用能力的考量。然后在平面圖形的基礎(chǔ)上我們再拉伸、旋轉(zhuǎn)生成三維圖形。

4.切割生成三維圖形

關(guān)于切割生成三維圖形，我們?nèi)∈州S實(shí)物為例（圖5），了解切割生成三維圖形的過程，體會繪圖過程中相關(guān)能力的培養(yǎng)。

首先引導(dǎo)學(xué)生分析、思考怎樣在階梯軸（圖4）基礎(chǔ)上生成十字階梯軸（圖6）、十字圓弧槽階梯軸（圖7）和帶螺紋孔的十字軸（圖5）；然后考慮如何切割，意在讓學(xué)生自覺地進(jìn)行操作整合的應(yīng)用（涉及平面幾何、立體幾何、數(shù)學(xué)、機(jī)械基礎(chǔ)、機(jī)械制圖等基礎(chǔ)理論知識的綜合運(yùn)用）；最后融會貫通，形成可行的制作方案（例如，操作任務(wù)、操作要點(diǎn)、操作步驟，預(yù)期結(jié)果、實(shí)際效果等等）。

要在討論的基礎(chǔ)上（學(xué)習(xí)策略的應(yīng)用）產(chǎn)生較完整的方案后再著手操作。

例如，對于十字階梯軸（圖6）所示的“1/4圓柱”切割，可以復(fù)制“1/4圓柱”，并調(diào)整對齊“1/4圓柱”、階梯軸的相對位置，然后經(jīng)過實(shí)體間的布爾運(yùn)算（差集）而得到十字階梯軸。

例如，對于十字圓弧槽階梯軸（圖7）所示的“圓弧槽”切割，經(jīng)過繪制“圓弧塊”實(shí)體，調(diào)整“圓弧塊”的位置，并對相應(yīng)實(shí)體進(jìn)行布爾運(yùn)算（差集）而得到十字圓弧槽階梯軸。

例如，對于十字軸的螺紋孔（圖5），可以先繪制二維螺旋線，并經(jīng)過掃掠、復(fù)制和布爾運(yùn)算（差集）生成如圖8所示的螺釘，然后復(fù)制到十字圓弧槽階梯軸中，調(diào)整對齊位置，再經(jīng)過實(shí)體間的布爾運(yùn)算（差集）而得到有螺紋孔的效果。這里的關(guān)鍵點(diǎn)之一是要想到使用二維螺旋線，并設(shè)計(jì)好掃掠對象（圖8中的三角形即螺釘?shù)难佬停?。同時我們還可指導(dǎo)學(xué)生實(shí)時利用AutoCAD提供的截平面來觀察實(shí)體內(nèi)部（圖9），這就更增添了學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)了學(xué)習(xí)的主動性。

總之，這是從感性認(rèn)識到理性認(rèn)識，從實(shí)踐到理論，再由理論指導(dǎo)實(shí)踐的過程；是操作定向、模仿、整合與熟練的不斷加深；是操作技能的升華。顯然把握好相關(guān)教學(xué)過程的轉(zhuǎn)化，有目的地引導(dǎo)和積極推動相關(guān)轉(zhuǎn)化，是我們在教學(xué)中不斷探索和更新的重要方向。

通過上面幾個實(shí)例的繪制過程，我們可以看到三維圖形繪制與平面/立體幾何、機(jī)械/工程制圖、機(jī)械基礎(chǔ)等的能力往往是密切相關(guān)的。而我們有意識地借助三維圖形的繪制來培養(yǎng)或引發(fā)相關(guān)能力，可以有效地提高學(xué)習(xí)的興趣、學(xué)習(xí)的主動性和學(xué)習(xí)的效果，同時這也是提高學(xué)生綜合素質(zhì)的積極手段。

三、搞好相關(guān)課程的銜接、加強(qiáng)動手能力

綜上所述，為了進(jìn)一步有效地提高教學(xué)效果，需要我們適時調(diào)整相關(guān)課程間的銜接關(guān)系，并加強(qiáng)學(xué)生動手能力的操作。

例如，在學(xué)習(xí)機(jī)械/工程制圖的投影知識前，首先學(xué)習(xí)二維/三維繪圖的基本方法，為投影知識的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)，然后再學(xué)習(xí)投影理論、三視圖等內(nèi)容，這樣既可以給學(xué)生演示相關(guān)知識，又可以指導(dǎo)學(xué)生動手繪制相關(guān)圖形，并且計(jì)算機(jī)繪圖的知識也可以在機(jī)械/工程制圖的教學(xué)中不斷地充實(shí)和加深。對這些相關(guān)課程的銜接要充分結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，不斷進(jìn)行有益的調(diào)整，旨在理順相關(guān)課程的銜接，推動教學(xué)手段的改進(jìn)和教學(xué)效果的提高。

動手能力不是一蹴而就的，我們要善于從加深學(xué)生專業(yè)興趣入手，來逐漸提高學(xué)生的實(shí)踐動手能力。因?yàn)闄C(jī)械/工程制圖、計(jì)算機(jī)繪圖等課程是專業(yè)基礎(chǔ)課，所以我們應(yīng)該在這些課程的教學(xué)中，適時加強(qiáng)相關(guān)動手能力的培養(yǎng)和練習(xí)，注意不斷引發(fā)或積累學(xué)生對相應(yīng)專業(yè)知識的興趣。諸如基礎(chǔ)/專業(yè)實(shí)驗(yàn)室向?qū)W生開放，積極開辟學(xué)生第二課堂等等，都是對學(xué)生的成長非常有益的教學(xué)輔助工作。

在教學(xué)中注重學(xué)生能力的培養(yǎng)，是一個持久的課題、系統(tǒng)的工作。機(jī)械/工程制圖與計(jì)算機(jī)繪圖等課程的有機(jī)結(jié)合會促進(jìn)教學(xué)的深入，其他相關(guān)課程間也會有著相互的關(guān)聯(lián)，并且計(jì)算機(jī)技術(shù)作為一種通用工具，它的應(yīng)用也越來越廣泛。只要我們認(rèn)真地把握相關(guān)課程及相互間的關(guān)聯(lián)，并對教學(xué)進(jìn)行不斷的改進(jìn)和嘗試，身體力行地付諸到教學(xué)實(shí)踐中，就必將會有效地推動教學(xué)工作。

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（作者單位：武漢鐵路司機(jī)學(xué)校）