三維建模技術在機械制圖課程教學中的應用研究

李曉紅，羅健寧

工程圖作為工科類學生一門重要的專業(yè)技術語言，在后續(xù)專業(yè)課程的理論學習、實踐訓練乃至將來的技術工作中不可或缺。因此，制圖課程是最先開設的一門專業(yè)基礎課，也是工科類必備的一項專業(yè)技能，其掌握程度直接影響專業(yè)課程的學習乃至個人職業(yè)的發(fā)展。但是，隨著不斷擴招的生源、教學資源匱乏等問題，制圖課程的教學效果每況愈下，教和學都存在著極大的困難，制圖課程的教學效果直接影響了人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

1 機械制圖課程教學存在的問題

機械制圖課程牽涉到平面幾何、立體幾何、解析幾何甚至是小學的圖畫等課程，學習的過程需要有一定的空間想象力、耐力和定力，這對于如今的高職學生而言，無疑是十分困難的。從小好動的、自由的、獨來獨往的、標新立異的個性，沒有養(yǎng)成良好的愛學習習慣，加上學習基礎較差，使高職學生在學習過程中知難而退、厭倦學習，大部分學生不把學習放在心上，有些愛學習的學生空間思維能力也嚴重不足，制圖練習也只能照著葫蘆畫瓢。這樣的教學狀況，迫使高職教育層次的制圖課程不得不另辟蹊徑，尋找更為貼合高職學生的教學手段和途徑。

2 解機械制圖課程教學難點的思路

制圖課程的教學過程是從空間到平面，再從平面到空間的一個循環(huán)過程，目的是讓學生從簡單到復雜，建立牢固的基礎再進一步深入學習，反復訓練從而逐步建立空間思維能力。然而，對于現(xiàn)在的大部分高職學生而言，三維空間立體如何投影得到平面圖都很難理解和想象，甚至有部分學生看著三維立體模型、跟著老師的步驟都無法準確完成平面圖的繪制。可想而知，立體的概念在學生的腦海中十分薄弱，投影的原理和想象力更是欠缺。因此，制圖課程的教學需要從三維立體的教學著手，讓學生逐漸入門并建立學習的信心和興趣，再借助三維立體模型讓學生從簡入繁、循序漸進的完成投影知識的學習。同時通過三維視角的成圖結構來一步完成投影圖的轉(zhuǎn)換[1]，能節(jié)省大量的時間和精力，同時促進計算機操作水平和三維軟件的學習。

3 三維建模技術在機械制圖課程中的應用

3.1 建立平面與空間的關系，把握教學重點

繪制和識讀組合體的三視圖是機械制圖課程的重點內(nèi)容，是從空間到平面，再從平面到空間從而建立投影概念和培養(yǎng)空間思維能力的關鍵，也是制圖課程學習后續(xù)零部件表達方法的基礎。在組合體三視圖畫圖和看圖的教學過程中，題型多為補畫第三視圖和補缺線，要求學生由三視圖想象出空間三維實體的形狀，學生在學習過程中常常因想象困難而導致不愿想、想不清，不能完成視圖補畫及線條補畫，而老師講解起來也很困難，其結果就是學生很難畫出正確投影視圖?，F(xiàn)在可以借助三維建模軟件，方便快捷地建立物體的三維模型，逐步向?qū)W生演示組合體的形成過程，使他們建立起二維視圖和立體之間的對應關系，逐步培養(yǎng)學生的空間思維能力。利用三維模型按形體分析法逐步繪制組合體三視圖如圖1所示。

圖1 形體分析法繪制組合體三視圖

3.2 演繹截交線和相貫線的變幻，突破教學難點

截交線、相貫線是制圖課程教學中的難點，學生對立體表面素線、表面取點無法準確理解，所以到了截交線、相貫線投影的求解更是云里霧里，根本無從下手。在講解截交線、相貫線時，可以通過三維建模技術直觀地將立體及其表面的交線修改成不同的顏色，將交線著重表示或者從立體上提取出來并標注點的符號，加強學生對其形狀的了解和交線性質(zhì)的認識；還可利用三維建模軟件的參數(shù)化功能，修改立體的尺寸或相對位置，觀察截交線、相貫線的變化。如圖2所示。

圖2 相貫線變化趨勢

3.3 展現(xiàn)立體的內(nèi)部結構，掌握制圖技巧

剖視圖是表達機件內(nèi)部形狀和結構的常用方法，學生常常想象不出投影圖所表示立體的內(nèi)部結構，往往不知道如何合理選擇剖切方法、剖切平面及剖切位置，在作圖時搞不清哪些部分被剖切平面剖切，哪些地方要畫剖面線。如圖3所示，可以先對幾何體造型，然后在不同位置對幾何體進行剖切，用虛擬模型可以直接剖開型體，內(nèi)部粉色區(qū)域表示機件與剖切面接觸的區(qū)域[2]，需要打剖面線，剖切面未與機件接觸的部分為空腔，不打剖面線，最后生成工程圖，引導學生分析剖切位置對剖視圖的影響，由學生發(fā)現(xiàn)最合理的方法，教師進行歸納總結，從而加深對剖視圖畫法的理解。

圖3 利用三維模式展示剖視圖繪圖過程

3.4 動態(tài)演示零部件的裝配，熟練應用表達方法

零部件測繪是機械制圖教學過程中不容忽視的一個重要的環(huán)節(jié)，它將之前所學的知識有機的結合在一起，是一項很好的綜合能力訓練項目。但是，由于學生學習基礎和對前面知識掌握得不牢固，對零部件的表達無從下手。所以，在實際的教學中，教師完全可以使用三維建模軟件對零部件的安裝順序以及其作用、基本工作原理進行詳細的介紹，使學生對零部件的結構和組成有個清晰的概念，理解之間的裝配關系、恰當選擇表達方案。如圖4所示。

圖4 臺鉗裝配

4 制圖課程教學中應用三維建模技術應注意的問題

4.1 動靜結合

三維立體具有直觀性強，能夠動態(tài)展現(xiàn)立體各個方位的形狀和結構特點，可有效地提高學生的學習興趣和降低學習難度。但是，由于學生的空間思維能力不足，加上軸測圖內(nèi)容的教學只是作為簡介甚至略去了該內(nèi)容的教學，所以，大部分學生對色澤鮮艷的三維立體圖只是感到驚嘆，而無法從中真正領悟立體的結構以及立體與平面投影的關系，如果三維立體采用動態(tài)的演示方式一閃而過，那么學生也就只有看熱鬧的份了。因此，利用三維立體模型開展制圖課程教學，一是要循序漸進，從簡到繁，逐漸引領學生走入空間思維和三維立體的領域；二是三維立體的動態(tài)演示過程要慢且有停滯的片段，讓學生有足夠的時間觀察和思考，再配以不同方位的平面圖，通過對比分析逐漸掌握立體到平面、平面與立體的關系。

4.2 多次反復

從立體到平面投影圖，利用三維動畫演示的過程是迅速而且準確的，但是對于高職學生，特別是初學者來說，立體與平面之間的變化太快會應接不暇，沒有時間思考和領悟其中的要點，到自己面對立體去畫平面圖的時候就會無從下手，其教學效果是不理想的。所以，利用三維立體模型教學應有所選擇而不應該遍地開花。

制圖能力的培養(yǎng)不是一蹴而就的，教學過程應該利用不同的媒體和手段多次的反復，以適應不同學生的理解需要。還可利用堆疊的方式，通過邊疊加立體邊修改平面圖的方式，從簡單到復雜，使學生逐漸掌握立體與投影的關系；再則，教學內(nèi)容應該通過三維立體、實物模型等多種形式、多種渠道反復多次的讓學生觀察立體、繪制平面圖，從而掌握立體投影的要領。

4.3 邊學邊練

制圖課程的特點是前后內(nèi)容連貫和相互影響較大，從點、線、面到立體，必須掌握前面的內(nèi)容才能夠?qū)W習后續(xù)的內(nèi)容。高職學生的特點是好動怕靜，老師講得太多了，學生聽不進去，也沒有辦法掌握，特別是對于教學難度較大的制圖課程，應該抓住學生的學習特點，老師的講課內(nèi)容應該少而精，更多的時間留給學生做課堂練習，而不應該滿堂灌。老師講解一個內(nèi)容學生馬上接著練習一個內(nèi)容，當堂掌握后再學習后續(xù)內(nèi)容，使大部分學生能夠一步一個腳印的學習下去。

5 結束語

制圖課程作為工程技術的語言，在工科類專業(yè)的教學過程中一直得到高度的重視，面對不同的教學對象和不同的技術發(fā)展階段，各式各樣的教學方法和教學模式層出不窮，特別是在生源素質(zhì)下降而三維軟件不斷開發(fā)應用的今天，制圖課程的教學手段更是趨于多元化，虛擬模型在機械制圖教學中的引入極大地降低了教學難度。然而，傳統(tǒng)的教學手段還是有著不可替代的作用，所以三維建模技術在制圖課程中的教學應該適度適量，用到恰到好處，與實體的三維模型穿插使用，以便不同的教學設備滿足不同學生的學習需求。還可將傳統(tǒng)的理論教學內(nèi)容與三維軟件技術相結合，穿插講解CAD課程、三維軟件、制造類軟件和計算機輔助工程軟件等內(nèi)容，克服了傳統(tǒng)教學觀念的束縛因素[3]，確保制圖課程的教學質(zhì)量。

[1]周占紅.三維CAD技術在機械制圖教學中的合理運用[J].科技視界，2016（04）：42-44.

[2]雷 蕾.虛擬模型在機械制圖教學中的應用實例[J].科技經(jīng)濟導刊，2017（08）：60-63.

[3]于建海.三維造型技術在機械制圖課程教學中的應用[J].西部素質(zhì)教育，2016（02）：53-56.