三維實(shí)體建模在《工程制圖》教學(xué)中的應(yīng)用研究

張平 陳森昌

摘 要：該文介紹了《工程制圖》課程的地位和特點(diǎn)，敘述了《工程制圖》在教學(xué)過程中的困境與難點(diǎn)。討論了AutoCAD三維實(shí)體模型在《工程制圖》各個(gè)章節(jié)中的地位和作用，詳細(xì)敘述了直線和平面基本投影的制作過程、特點(diǎn)和作用。介紹了立體截切體、相貫體、組合體及零件剖視圖的三維模型在提高學(xué)生空間思維能力及制圖技能方面的作用和效果。

關(guān)鍵詞：工程制圖 三維 建模 教學(xué)

中圖分類號(hào)：TB23-4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）11（b）-0151-03

《工程制圖》是工科院校的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要用于培養(yǎng)學(xué)生的空間想象力、識(shí)讀工程圖樣及繪制工程圖的能力等[1]。這門課要求學(xué)生具備較強(qiáng)的空間想象力，但空間思維能力不是一下子就能夠培養(yǎng)出來的，空間能力的培養(yǎng)要貫穿于課程的整個(gè)教學(xué)過程中，因而研究和探索提高學(xué)生空間想象能力的方法和途徑就有著十分重要的地位。

從眾多的文獻(xiàn)中可以看出，對(duì)于空間想象力的培養(yǎng)，很多人提出多種觀點(diǎn)和改革方案[2-6，8]。筆者在多年的《工程制圖》教學(xué)過程中，經(jīng)常采用AutoCAD制作三維實(shí)體模型輔助多媒體教學(xué)，有許多經(jīng)驗(yàn)與體會(huì)。文章探討了在《工程制圖》的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)如何利用AutoCAD三維建模功能制作三維模型，增強(qiáng)學(xué)生的空間想象力，提高空間思維能力，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，為其他教育工作者提供交流與借鑒。

1 三維實(shí)體建模在《工程制圖》教學(xué)過程中的作用

1.1 在投影基礎(chǔ)教學(xué)過程中的作用

對(duì)于三維模型輔助教學(xué)，許多人都是在立體及以后的章節(jié)中采用，而在點(diǎn)線面的基礎(chǔ)投影里還沒有看到這方面的論述[7， 9]。而對(duì)于點(diǎn)線面的投影及它們之間的相互位置，許多學(xué)生理解起來非常困難，特別是線與線、線與面相交以后的投影，需要很強(qiáng)的空間思維能力和想象力，所以學(xué)生在這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)一般不很扎實(shí)，這將影響以后的學(xué)習(xí)。通過反復(fù)摸索，結(jié)合教學(xué)特點(diǎn)，筆者首先建立3個(gè)坐標(biāo)軸X、Y、Z，再根據(jù)這3個(gè)軸的關(guān)系建立3個(gè)相互垂直的平面作為投影面，這樣就建立了三維投影坐標(biāo)系，如圖1（a）所示。以這個(gè)坐標(biāo)系為基礎(chǔ)，在其間插入直線和平面，可以制作直線投影、平面投影及它們之間的相互關(guān)系，如圖1和圖2。通過動(dòng)態(tài)觀察和視圖選擇，學(xué)生可以清楚它們的投影特點(diǎn)和相互關(guān)系。經(jīng)課堂教學(xué)證明，這些三維立體模型對(duì)學(xué)生的空間思維有很大的幫助，大大提高了學(xué)生的理解。

1.2 在基本立體及表面交線的作用

零件都是由若干基本幾何體組成，因此基本幾何體的空間形狀及投影規(guī)律是復(fù)雜零件圖形繪制的基礎(chǔ)。學(xué)生從點(diǎn)、線、面過渡到基本立體，還是存在一些困難，特別是曲面立體的投影。如果這部分掌握不牢固，對(duì)后面的組合體及復(fù)雜形體將產(chǎn)生很大的影響。大部分學(xué)校是采用實(shí)物模型來增強(qiáng)學(xué)生的理解，但實(shí)物模型數(shù)量畢竟有限，而且實(shí)物模型全部拿到課堂上也是非常麻煩。而采用AutoCAD三維模型功能可以靈活方便地繪制所有幾何體，而且可以激發(fā)學(xué)生的求知欲和增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣，如圖3（a）所示。

截交線和相貫線這部分是《工程制圖》教學(xué)過程中的典型難點(diǎn)，立體被截切或相貫以后會(huì)變得非常復(fù)雜，學(xué)生一般要反復(fù)觀看、不斷摸索，才能掌握它們的特點(diǎn)，才能得出正確的平面投影。如果看不到立體形狀，學(xué)生理解起來非常困難，平面投影更是無從下手，非常容易出錯(cuò)。一般情況下，學(xué)校會(huì)給出一定的實(shí)體模型供學(xué)生觀察，但是《工程制圖》教材會(huì)經(jīng)常更新和變化，實(shí)體模型很難適應(yīng)所有教材。采用AutoCAD可以繪制多樣化的立體截切體和相貫體，如圖3（b，c，d）所示。這些三維模型給學(xué)生一種很直觀的感覺，而且學(xué)生可以像實(shí)體模型一樣翻轉(zhuǎn)，可以觀看不同視圖的投影，大大增強(qiáng)了學(xué)生的理解，增強(qiáng)了學(xué)生的自信心，起到了很好的教學(xué)輔助作用。

1.3 在組合體視圖中的作用

組合體的投影較簡單幾何體復(fù)雜很多，其繪制過程也具有一定難度。采用AutoCAD可以出繪制出典型零件的組合體，而且可以演示組合體的組合關(guān)系，如圖4（a）所示。一些通過切割得到的組合體也可以繪制出來，如圖4（b）所示。如果《工程制圖》理論課的學(xué)習(xí)和CAD軟件的學(xué)習(xí)同時(shí)進(jìn)行，可以讓學(xué)生嘗試自己繪制三維圖，可以大大提高學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)理解和掌握。

1.4 在機(jī)件常用表示方法中的作用

當(dāng)零件具有特別復(fù)雜的形體，而且內(nèi)部具有較多孔洞等結(jié)構(gòu)時(shí)，一般要采用剖切的方法。合理的剖切能夠完整地表達(dá)零件的內(nèi)外部形狀結(jié)構(gòu)。AutoCAD具有專門的剖切工具，能夠?qū)Ω鞣N形體進(jìn)行不同形式的剖切，例如全剖、階梯剖等，如圖4（c、 d）所示。

2 結(jié)語

使用AutoCAD軟件繪制三維模型，彌補(bǔ)了實(shí)物模型不全的缺陷，而且繪制模型簡單方便，可以根據(jù)不同教材內(nèi)容修改三維模型，方便靈活，省去購買實(shí)體模型的資金和時(shí)間；另一方面，使用軟件繪制的三維模型給學(xué)生一種新鮮感和興味性，激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，學(xué)生積極性會(huì)有很大提高。AutoCAD是一種應(yīng)用極為廣泛的繪圖軟件，工科學(xué)生一般都要學(xué)習(xí)這種軟件，而且AutoCAD的三維繪圖功能簡單易學(xué)，所以學(xué)生邊學(xué)習(xí)軟件邊自己繪制三維圖，既提高了軟件的知識(shí)又提高了自己的空間想象力，學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果大幅度提高。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊勝強(qiáng).現(xiàn)代工程制圖[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2] 李愛華.工程制圖基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3] 張鶯.淺談《工程制圖》教學(xué)中學(xué)生空間想象能力的培養(yǎng)[J].高校理科研究，2007（16）：373.

[4] 李富平，王建華，楊文通.培養(yǎng)空間想象力的教學(xué)模式探討[J].機(jī)械管理開發(fā)，2007（97）：4-5.

[5] 謝義斌.機(jī)械制圖課空間想象能力的培養(yǎng)[J].遼寧教育行政學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，24（4）：121-123.

[6] 陳潔清.AutoCAD對(duì)《機(jī)械制圖》課程改進(jìn)作用的探討[J].職業(yè)教育，2007：48-49.

[7] 高曉晉，李梅，楊清榮.利用Solidworks系列零件功能建立教立模型[J].昆明治金高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2007，23（3）：84-88.

[8] 劉李平，侯煜.開目CAD和AutoCAD在工程制圖課教學(xué)中的實(shí)踐與探討[J].機(jī)械管理開發(fā)，2007（97）：21-23.

[9] 韓麗艷.三維造型技術(shù)在工程制圖教學(xué)過程中的應(yīng)用[J].機(jī)械管理開發(fā)，2007（97）：36-40.