工程制圖課程融入三維形體建模的教改探索

陳潔

摘 要： 結(jié)合應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的要求，探討將Inventor的三維形體建模與傳統(tǒng)制圖內(nèi)容有機(jī)融合，增強(qiáng)學(xué)生的構(gòu)型能力，提高其二維工程圖的表達(dá)能力。通過教學(xué)實(shí)踐，獲得了初步的教學(xué)成效。

關(guān)鍵詞： 工程制圖 三維形體建模 Inventor

三維CAD技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，從根本上改變了過去的手工繪圖、按圖生產(chǎn)的技術(shù)管理模式，傳統(tǒng)的工程圖學(xué)與現(xiàn)代先進(jìn)的三維CAD技術(shù)融合已成為工程圖學(xué)類課程改革發(fā)展的必然趨勢(shì)。為此，教育部工程圖學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)根據(jù)現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展和工程圖學(xué)教學(xué)改革現(xiàn)狀，在新修訂的工程圖學(xué)課程教學(xué)基本要求2015版課程任務(wù)中增加了“培養(yǎng)三維形體建模的能力”[1]，為工程圖學(xué)的課程教學(xué)改革提供了依據(jù)，也使得制圖課程由過去注重單純的畫圖、讀圖等制圖技能訓(xùn)練，向現(xiàn)代設(shè)計(jì)制圖為培養(yǎng)目標(biāo)逐步轉(zhuǎn)換。培養(yǎng)學(xué)生三維形體建模的能力，就是充分發(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，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[2]，其重點(diǎn)不僅在于輔助制圖和造型設(shè)計(jì)，更重要的在于培養(yǎng)設(shè)計(jì)思想，使學(xué)生初步掌握運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)的能力。

1.制圖課程融入三維形體建模的教學(xué)改革思路

結(jié)合學(xué)校實(shí)際和應(yīng)用型人才培養(yǎng)要求，我們?cè)谶^程裝備與控制等專業(yè)進(jìn)行了制圖課程融入三維形體建模的教學(xué)改革試點(diǎn)。依托傳統(tǒng)的以工程圖學(xué)知識(shí)體系為主干，按制圖規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、投影基礎(chǔ)、立體視圖、機(jī)件表達(dá)、標(biāo)準(zhǔn)件與常用件、零件圖、裝配圖來傳授知識(shí)的二維設(shè)計(jì)方式，我們?cè)谥茍D課程的不同階段以穿插的方式融入相應(yīng)的三維形體建模內(nèi)容。利用三維CAD造型功能來強(qiáng)化形體構(gòu)形和投影知識(shí)的講解，強(qiáng)化學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)。在修訂教學(xué)大綱和授課計(jì)劃時(shí)，根據(jù)圖學(xué)學(xué)科發(fā)展、內(nèi)容體系和教學(xué)計(jì)劃的要求，注意處理好徒手繪圖、計(jì)算機(jī)繪圖和尺規(guī)繪圖三者的有機(jī)融合，以強(qiáng)化教學(xué)效果。

根據(jù)教改方案，在學(xué)習(xí)基本立體內(nèi)容前，進(jìn)行Inventor 2016的基礎(chǔ)教學(xué)，使學(xué)生了解二維草圖特征的繪制、約束和尺寸標(biāo)注，掌握三維實(shí)體的旋轉(zhuǎn)、拉伸等形體建模。在這一過程中，可以使學(xué)生熟悉Inventor軟件的使用，使其在具有獨(dú)立形體建模能力后，可以通過三維建模來擴(kuò)展空間思維能力和形體分析能力，解決復(fù)雜組合形體視圖中較難理解的問題。在學(xué)習(xí)組合體三視圖內(nèi)容時(shí)，結(jié)合三維軟件，演示物體的疊加、切割及表面連接關(guān)系，如平齊、相切、相交等，理解三維實(shí)體與二維視圖之間的相互轉(zhuǎn)換，并適當(dāng)將趣味性內(nèi)容融入教學(xué)，增加如一題多解、變化造型等，以培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維和創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在實(shí)訓(xùn)機(jī)件綜合表達(dá)方法時(shí)，重點(diǎn)講解Inventor中的剖視圖、局部剖、斜視圖、斷面圖、局部視圖等生成與編輯方法，了解草圖狀態(tài)下修改、編輯出符合國(guó)標(biāo)規(guī)范工程圖的技巧和注意事項(xiàng)，進(jìn)一步強(qiáng)化機(jī)件各種表示法在工程圖中的優(yōu)化使用。在學(xué)習(xí)螺紋緊固件等標(biāo)準(zhǔn)件時(shí)，引入實(shí)體造型中掃掠、放樣等曲面立體造型內(nèi)容，使學(xué)生了解螺旋結(jié)構(gòu)、齒輪輪廓等，并初步理解連接件的裝配關(guān)系和裝配定位約束。在測(cè)繪零件圖時(shí)，引入零件的構(gòu)型設(shè)計(jì)和零件圖生成，要求學(xué)生將手工測(cè)繪的零件草圖進(jìn)行符合工程實(shí)際的三維建模，注意基礎(chǔ)特征和附加特征的選用，理解零件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)功能和工藝要求，實(shí)現(xiàn)三維建模轉(zhuǎn)換為二維工程圖。在學(xué)習(xí)裝配圖時(shí)，進(jìn)行Inventor部件的裝配約束、表達(dá)視圖、裝配仿真動(dòng)畫和裝配工程圖生成，如圖1所示旋塞裝配體，這樣學(xué)生能夠比較直觀地理解零件的結(jié)構(gòu)形狀、零件之間的配合關(guān)系、連接定位及部件的工作原理等，更好理解二維圖形與三維建模之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，從而提高繪制和閱讀裝配圖的能力和技巧。

將三維形體建模貫穿制圖課程教學(xué)活動(dòng)的全過程，通過徒手圖、尺規(guī)圖和三維模型來增強(qiáng)學(xué)生的空間思維能力和形體分析能力，深化學(xué)生對(duì)三維形體與二維圖形之間轉(zhuǎn)換關(guān)系的理解，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)零部件的形狀結(jié)構(gòu)、配合連接的直觀認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)其工程實(shí)際運(yùn)用能力和素質(zhì)，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，強(qiáng)化教學(xué)效果。

2.制圖課程融入三維形體建模教學(xué)改革中需注意的問題

運(yùn)用Inventor軟件，雖然可以將零部件的三維實(shí)體投影生成二維平面圖形，但是它不能夠直接創(chuàng)建符合要求的局部視圖、斜視圖、斷面圖等，并且零部件的實(shí)際投影存在許多與現(xiàn)行國(guó)標(biāo)規(guī)定畫法不符合的地方，如齒輪齒廓的畫法；通過軸線縱向剖切時(shí)，實(shí)心桿、標(biāo)準(zhǔn)件及零件上的肋板或輪輻的畫法；回轉(zhuǎn)體零件上平面的表示方法；均勻分布在圓柱形法蘭上的孔的畫法；較長(zhǎng)機(jī)件的縮短畫法；軸承、彈簧的規(guī)定畫法及在裝配圖中的畫法等。要使生成的工程圖符合我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，通常利用Inventor允許在工程圖環(huán)境下，進(jìn)入草圖模式對(duì)工程圖進(jìn)行修改，這種修改往往非常煩瑣，且費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，因此要注重培養(yǎng)學(xué)生正確表達(dá)零部件的圖示能力，以推進(jìn)三維形體建模與制圖課程的有機(jī)融合。

制圖課程中融入三維形體建模，雖然能增強(qiáng)學(xué)生的空間思維能力和形體構(gòu)型能力，但必然減少原有的手工畫圖、讀圖訓(xùn)練時(shí)間，使學(xué)生讀圖能力和畫圖質(zhì)量有所下降。因此，授課時(shí)要協(xié)調(diào)好傳統(tǒng)制圖與三維建模相融合的具體內(nèi)容和學(xué)時(shí)分配，實(shí)現(xiàn)在傳統(tǒng)制圖的教學(xué)質(zhì)量和效果不削弱的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生的現(xiàn)代三維設(shè)計(jì)思想和初步的三維建模能力，從而在有限時(shí)間內(nèi)取得預(yù)期教學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)教改目標(biāo)。

由于學(xué)時(shí)的限制，學(xué)生在課堂上進(jìn)行三維形體建模實(shí)訓(xùn)的時(shí)間很少，實(shí)現(xiàn)不了熟練運(yùn)用軟件進(jìn)行三維建模的目標(biāo)，因此通過開放實(shí)驗(yàn)室，要求學(xué)生課外上機(jī)實(shí)訓(xùn)就尤為重要。另外，也可通過圖學(xué)學(xué)科競(jìng)賽訓(xùn)練、全國(guó)CAD技能等級(jí)考試培訓(xùn)及學(xué)生圖學(xué)社團(tuán)的輔導(dǎo)、培訓(xùn)等途徑，完成三維形體建模的實(shí)訓(xùn)，從而使學(xué)生較熟練的運(yùn)用軟件進(jìn)行三維形體建模，達(dá)到教學(xué)要求。

3.結(jié)語

通過在過控等機(jī)類工程制圖教學(xué)中融入Inventor三維形體建模，基本實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)內(nèi)容與三維形體建模的相輔相成，使學(xué)生初步了解了現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法，并能運(yùn)用三維軟件進(jìn)行創(chuàng)新思維和形體建模，從而順應(yīng)了應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)要以設(shè)計(jì)制圖為培養(yǎng)目標(biāo)的要求，取得了一定的教學(xué)效果。但教學(xué)改革永遠(yuǎn)走在路上，改革中的教學(xué)設(shè)備升級(jí)更新、學(xué)生課內(nèi)練習(xí)少而課外上機(jī)實(shí)訓(xùn)的質(zhì)量監(jiān)測(cè)等問題仍需進(jìn)一步探討解決。

參考文獻(xiàn)：

[1]教育部工程圖學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì).普通高等學(xué)校工程圖學(xué)課程教學(xué)基本要求（2015版）[J].高教書訊工程圖學(xué)?？?，2016，（7）：1-2.

[2]趙繼成，王蘭美.基于AutoCAD的3D教學(xué)模式在工程制圖教學(xué)中的應(yīng)用[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2013，（6）：174-175，177.

基金項(xiàng)目本論文受重慶市高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（152046）和重慶科技學(xué)院本科教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（201631）和（201509）資助。