與三維造型技術相融合的工程圖學教學探索

張宗波 王珉 牛文杰 劉廣斗

摘 要：隨著計算機軟硬件技術的不斷發(fā)展和大數(shù)據(jù)時代的來臨，在制造行業(yè)中，繪圖環(huán)節(jié)對計算機三維設計技術的需求在不斷的增加，將三維造型技術納入工程圖學教學中成為教學改革探索的主要方向之一。文章對計算機三維造型設計與工程圖學的融合進行了探索和分析，研究了將圖學課程與三維造型技術相結合并實現(xiàn)相互促進的融合式教學模式，結果表明該模式可以有效提高學生的基本讀圖繪圖能力、空間思維能力、工程意識及實踐能力，這為工程圖學課程的改革進行了有意的嘗試與探索。

關鍵詞：三維造型設計；工程圖學；教學改革

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）21-0076-03

Absrtact： With the continuous development of computer software and hardware technology and the advent of big data era， in the manufacturing industry， the demand for computer 3D design technology is increasing. It is one of the main way of teaching reform to incorporate 3D modeling technology into engineering graphics teaching. In this paper， the integration of computer 3D modeling design and engineering graphics are explored and analyzed. The results shows that the model can effectively improve students' ability of basic graphic reading and drawing， spatial thinking， engineering consciousness and practice， which carried on the intentional attempt and the exploration of graphic course.

Keywords： 3D modeling design； engineering graphics； teaching reform

引言

工程圖學是一門以圖形為研究對象，用圖形來表達設計思維的學科。工程圖學課程作為高校工科專業(yè)重要的技術基礎課程，其主要目的是培養(yǎng)學生對圖樣的表達和理解能力以及空間思維能力。然而，由于學生空間思維能力不足導致普遍感覺工程圖學難學是困擾該課程發(fā)展的重要障礙。在工程圖學的教學過程中融合三維造型技術能夠有效的彌補學生空間思維能力不足的缺陷，對于提高學生的學習效率和學習興趣有重要作用。而且國家工程圖學教育指導委員會已經將“應用繪圖軟件繪制工程圖樣及進行三維造型設計的能力”設置為了該課程中重要的一項課程教學任務，同時還將計算機造型技術的基本原理以及操作技術列為了工程圖學教學的基礎。

在長期的教學改革實踐過程中，二維計算機繪圖在工程圖學教學的融合已經取得了長足的進展，因此在教學實踐中逐步的摸索出將三維造型技術融合到工程圖學的教學中已經成為了目前工程圖學與計算機技術結合的一個重要的課題。本文重點針對工程圖學課程與三維造型技術的融合進行了探討。

一、融合式教學模式

大量的教學研究表明：在教學的內容設計以及教學方法的體系設計上二維工程圖樣與三維造型存在很多的相容性，而且兩者的一致性也比較高，現(xiàn)代計算機技術的飛速發(fā)展使得三維造型設計的有了強大的工具[1]。但是就目前的教學內容來看，三維造型設計短期內不會完全取代二維工程圖樣設計，兩者之間應該進行更好的融合。所以在工程圖學的教學過程中應該不斷的摸索將二者相融合的教學新方法和途徑，這是目前工程圖學教學的重要任務之一。

（一）教學改革思路

工程制圖教學以及三維創(chuàng)新設計教學都是針對學生進行的綜合素質的培養(yǎng)，因此，在教學實踐中不能僅僅將兩者當成是教學的一種工具。工程制圖與三維造型設計在內容體系設計以及教學方法的結構組成上有很高的一致性。工程制圖的主要內容就是利用二維圖樣通過適宜的投影方法（一般為正投影法）表達三維立體，在這個過程中一般首先針對三維立體通過分解與綜合對三維立體進行了形體分析，然后采用分類的方法將三維立體的平面以及曲面立體進行分析，然后從特殊的點、線、面等方式對三維立體進行描述。而在圖樣的閱讀和理解過程中，采用了對圖樣進行從分解到綜合的過程，注重主要矛盾的處理，在工程制圖的整個過程中始終貫穿這樣的教學方法。在整個繪圖和讀圖過程的訓練過程中，由于空間思維能力的不足，很多同學都會感到抽象和難以接受，這成為了本門課程難學的主要因素之一。

三維造型設計與工程圖學課程的研究對象是一致的，都是研究物體的三維造型與表達。而且三維設計軟件的設計思想與工程圖學的教學思路是吻合的，都是通過對三維實體的分解、分類和歸納后將各個不同的部分進行設計和表達，三維造型軟件的立體模型建立主體思想仍然要采用相同的方法，這為本課題的研究打下了基礎。

（二）軟件的選擇

目前在三維造型設計軟件開發(fā)中有多種多樣的軟件類型，但是不同的軟件其功能實現(xiàn)的能力會有強弱之分，無論是哪一種軟件，都能夠對在三維實體模型建立、虛擬實體裝配、工程圖生成等幾個方面的工程圖教學起到非常積極的作用。Solidworks軟件雖然也存在一些不足之處，但是具有界面友好、展示性強、入門簡單、行業(yè)應用廣泛等優(yōu)點，因此非常有利于在有限的教學時間內針對學生開展三維形體表達中分析問題以及解決問題的思路培養(yǎng)。因此文章主要使用的三維造型設計軟件是Solidworks軟件。

（三）軟件的融入

在工程制圖的教學過程中，選擇合適的時機融入三維造型軟件非常重要，因此適時的融入三維設計不但有助于學生更輕松的學習工程圖學課程中的基礎知識，更能加快培養(yǎng)學生的空間思維能力，同時對學生理解三維造型設計軟件的建模思想和建模流程也大有裨益。

從比較簡單的基本體造型開始就引入三維造型軟件，在這個過程中主要以造型展示為主，將三維造型軟件與基本的立體知識點相吻合，比如截交線、相貫線等環(huán)節(jié)可以通過課堂演示讓學生大概了解三維造型軟件的基本功能，最后輔助必要的課下軟件操作練習讓學生初步掌握這些三維造型方法。對結構比較復雜的立體三維造型設計仍然采用工程制圖中組合體讀畫圖中使用的基本的形體分析法與線面分析法，從簡單到復雜，從基本體到組合體，足部完成造型設計。通過對Solidworks軟件的學習，逐步掌握基本的設計工具、工作界面、工作草圖、特征生成等基本概念與操作，對軟件的三維設計思想有了一個比較熟練的掌握，對其基本的造型思路而有了基本的了解。根據(jù)上述分析，選擇在基本體章節(jié)引入三維造型軟件在組合體章節(jié)深化與融入三維造型軟件，會產生比較好的教學效果。

（四）教學安排

隨著計算機技術的不斷普及，多數(shù)的學生對計算機技術以及計算機軟件的學習能力都得到了很大的提升，因此當學生對三維造型設計的中心思想以及三維造型設計軟件的工作界面有了熟練的掌握后，通過教學過程中對三維實際案例的聯(lián)系操作，很快就能夠達到熟練掌握三維造型軟件基本的功能實現(xiàn)，同時也能夠使用三維造型軟件展開對簡單三維實體的三維造型設計。一般工程圖課程分為制圖基礎知識、投影基礎、基本立體投影、軸測圖、組合體、機件的表達方法、標準件與常用件、零件圖、裝配圖等內容。教學內容多且任務重，所以在引入三維設計軟件的過程中就要把握好其目的和意義。在本門課程中引入三維設計軟件的目的是輔助學習圖學知識培養(yǎng)學生的空間想象力，而不是學習三維設計軟件本身，因此在課堂中要將軟件充分的融入到課程本身，而不能把兩者分離。在基本立體投影部分首先用1學時講解軟件的基本建模思路，了解草圖、特征、基準面、約束等基本概念與功能。在平面立體部分融入“拉伸”和“拉伸去除”操作的講解，并利用這些功能讓學生體驗截交線的形成過程。在曲面立體部分著重講解“旋轉”、 “掃描”和“放樣”的相關操作。本部分三維設計軟件的單獨講授課時為3學時，融合展示合計課時為1.5學時，課下練習學時為4學時。在組合體部分主要通過課內展示，讓學生在學習圖學基本知識的同時加深對三維造型軟件的理解與練習，學會復雜立體的建模思路，課后作業(yè)中要求對典型的作業(yè)立體完成三維建模，課內合計講授學時2學時，練習學時4學時。在后續(xù)的章節(jié)中為了不影響制圖課程的雪休效果，課內軟件講授學時控制在2學時以內，練習學時一般為2-4學時。從上面的分析可以可出，本文所提出的融合式教學仍然以圖學課程的學習為主，而對于三維造新軟件的學習采取“少講多練”的模式，這樣就實現(xiàn)了將三維造型設計很好的融入到了工程圖教學課程中，同時也保持了整體教學課程的完整性。

二、融合式教學模式的效果

（一）提高了學生參與感，促進了空間思維能力培養(yǎng)

三維造型設計的學習與基本體的投影學習以及形體分析法的學習同步進行，這彌補了學生在本階段的學習過程中空間思維能力不足的缺陷。因此這一階段的軟件學習，學生會有比較強烈的興趣，同時這種興趣會反哺學生對同學知識的學習與理解。進一步通過組合體的三維造型建模，這對讀畫圖以及三維軟件的深入學習都有較大的幫助。在掌握了三維造型設計軟件基本功能的基礎上，學生可以在圖學作業(yè)練習過程中將一些感興趣的實體模型進行三維建模，這有效降低了作業(yè)的錯誤率，與此同時也起到了二維圖樣與三維造型設計相聯(lián)系的作用，這對培養(yǎng)學生的空間思維能力大有裨益。不僅如此，學生在建模過程中遇到困難會及時與同學討論或與老師交流，大大增加了學生在本課程中的參與感，充分調動了學生學習的積極性與主動性，這對圖學課程教學質量的提高起到了關鍵作用。

（二）強化了特征視圖的理解，夯實了圖學基礎

三維造型設計軟件的基本功能主要包括拉伸、旋轉掃描、放樣，這在本質上是與工程制圖中的特征視圖概念相類似的[2]。而三維造型設計的第一步就是建立起二維的草圖，這個過程中的二維草圖的建立過程就是特征視圖的辨別與繪制過程。在工程圖樣的繪制和讀圖過程中抓住特征視圖是關鍵，再結合實際三維實體的投影關系，綜合想象出三維立體的造型。而三維造型設計的主要思路就是針對建立的平面二維草圖和特征視圖進行繪制，然后將已經分解為幾個部分的立體圖形通過不同的組合方式進行造型。由此可見，三維造型設計的過程就是人們在進行畫圖和讀圖時的思維方式的具體表現(xiàn)，通過三維造型設計軟件的學習使得學生對特征視圖有了更深刻的認識和更準確的判斷，這對畫圖和讀圖能力的培養(yǎng)至關重要。

（三）以約束概念為指導，增強了對尺寸標注理解

尺寸標注是圖樣中的重要內容，而且該部分內容與工程實際密切相關，由于學生缺乏工程經驗，學生對尺寸標注內容的掌握是本門課程中的重要難題。雖然在教學的過程中教師反復強調尺寸標注的注意事項，比如尺寸標注不能重復、間接尺寸不需要標注等等，但是學生對于這些注意事項的原因并沒有太深刻的認識，造成這部分內容屢教屢錯的現(xiàn)象頻繁發(fā)生。學生只有通過死記硬背才能記住尺寸標注的細節(jié)，學生考試時尺寸標注的成績明顯不高，在后續(xù)課程設計甚至走向工作崗位后在尺寸標注方面也是錯誤頻出。對于工程圖樣中尺寸標注其實是一個不斷積累從而形成良好習慣，由于學生對實際工藝加工知識的缺乏使得在尺寸標注的環(huán)節(jié)不能形成很好的習慣。而在進行三維造型設計的過程中，通過對工程圖形進行位置以及尺寸的約束，就可以實現(xiàn)對草圖的精確繪制，如果出現(xiàn)了類似“尺寸重復標注”等問題草圖就會出現(xiàn) “過約束”而導致建模失敗。這種針對圖形的約束概念的引入使得學生對工程圖尺寸標注的規(guī)定有了更加深刻和直觀的認知和理解。通過教學實踐發(fā)現(xiàn)，引入三維造型環(huán)節(jié)后，學生在作業(yè)和考試中尺寸標注的錯誤明顯下降，這有利于良好尺寸標注習慣的養(yǎng)成。

（四）促進了學生工程意識的培養(yǎng)

在工程制圖課程不斷的深入過程中，學生會逐漸的接觸到螺紋緊固件、零件圖、裝配圖等更加復雜的圖樣畫法，在這些圖形的測繪以及三維造型過程中，通過對復雜圖形的三維造型、渲染、裝配過程中的技巧使用以及工程圖的生成等課程的教學，并通過后期自學，利用三維造型設計軟件來進行裝配圖形的檢測以及實現(xiàn)裝配圖的動畫設計等過程，可以讓學生對工程裝配實體的工作原理以及操作過程有一個直觀的認識，這在一定程度上也實現(xiàn)了三維造型設計、工程圖學課程、工程測繪以及工程實際的有機融合，將三維造型設計軟件使用與圖學理論知識以及實踐相結合，這對學生建立起初步的工程意識大有益處[3]。

三、結束語

上述可知，在工程制圖的教學過程中有機的融合計算機三維造型環(huán)節(jié)，能夠使得工程制圖課程與計算機繪圖技術實現(xiàn)相互促進，這種融合式的教學模式在實際的教學過程中體現(xiàn)出良好的教學效果，主要表現(xiàn)在學生圖學基本讀圖繪圖能力、空間思維能力、工程意識及實踐能力的培養(yǎng)方面。特別是對學生實踐能力和工程意識的培養(yǎng)發(fā)揮著顯著的積極作用，在注重學生工程實踐能力與創(chuàng)新意識培養(yǎng)的今天，此類教學改革具有重要的現(xiàn)實意義。而然，在進行新教學模式的改革過程中授課教師需要走出教學的舒適區(qū)，嘗試將知識進行融合與重構這對教師的專業(yè)水平、教學組織能力都提出了新的挑戰(zhàn)。

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