將三維建模軟件引入工程識(shí)圖教學(xué)的研究與實(shí)踐

劉雙 陸鳳霞

摘 要：工程識(shí)圖是工科非機(jī)類(lèi)大學(xué)生必修的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，如何引導(dǎo)學(xué)生快速提高識(shí)圖能力和學(xué)習(xí)興趣是教學(xué)環(huán)節(jié)中面臨的實(shí)際問(wèn)題。文章結(jié)合機(jī)器虎鉗裝配圖，討論在教學(xué)過(guò)程中，如何利用三維實(shí)體造型軟件Solidworks培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力及簡(jiǎn)單的工程意識(shí)，并指出了這種教學(xué)方法在培養(yǎng)學(xué)生空間想象能力方面的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：工程識(shí)圖；三維建模；教學(xué)；Solidworks

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2018）12-0105-03

Abstract： Mechanical Drawingis an essential subject for students who major in engineering course. And how to improve the ability of students is a practice problem in teaching. We combine the assembly drawing of machine vice with the course of teaching with the use of Solidworks as the example for model demonstration on cultivating the ability of students in space thinking and simple engineering design， At the same time showing the advantage that this teaching method can train the ability of students to construct a three-dimensional space imagination.

Keywords： mechanical drawing； 3D modeling； teaching； solidworks

一、概述

工程識(shí)圖是高等工科院校非機(jī)類(lèi)少學(xué)時(shí)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)基礎(chǔ)課，是該專(zhuān)業(yè)學(xué)生的必修課程，掌握了工程制圖基礎(chǔ)知識(shí)，不僅對(duì)專(zhuān)業(yè)課學(xué)習(xí)有幫助，對(duì)其他相關(guān)機(jī)械類(lèi)課程的學(xué)習(xí)也會(huì)有幫助[1]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品的輔助設(shè)計(jì)已成為主流，工程圖學(xué)課程指導(dǎo)委員會(huì)在其新修訂的教學(xué)基本要求報(bào)批稿中[2]，將“應(yīng)用繪圖軟件繪制工程圖樣及進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)的能力”并行地列入工程圖學(xué)課程任務(wù)中；在教學(xué)中，我們應(yīng)當(dāng)順應(yīng)時(shí)代潮流，把計(jì)算機(jī)三維輔助設(shè)計(jì)思想引入教學(xué)環(huán)節(jié)中，即把工程識(shí)圖課程與三維繪圖軟件SolidWorks結(jié)合起來(lái)進(jìn)行教學(xué)；在教學(xué)中，給出物體的二維零件圖，學(xué)生通過(guò)繪圖軟件建立實(shí)體模型；同時(shí)，通過(guò)創(chuàng)意產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制圖，加強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力和實(shí)際動(dòng)手能力，為日后更高級(jí)軟件的學(xué)習(xí)和工作打下良好的基礎(chǔ)。

二、工程識(shí)圖教學(xué)目前存在的問(wèn)題

培養(yǎng)更多適應(yīng)企業(yè)需求的合格人才是高校教學(xué)的首要任務(wù)。通過(guò)跟企業(yè)的交流，用人單位普遍反映，剛招收的大學(xué)生，無(wú)法通過(guò)簡(jiǎn)單的培訓(xùn)后就能上崗，無(wú)法快速適應(yīng)企業(yè)的需求，處理問(wèn)題的思路理想化，單一化，如：設(shè)計(jì)出來(lái)的東西不符合實(shí)際使用要求，結(jié)構(gòu)不合理，沒(méi)有考慮鑄造工藝和機(jī)械加工工藝，無(wú)法生產(chǎn)，裝拆不方便等等[3]；?！霸O(shè)計(jì)是為制造服務(wù)，制造是設(shè)計(jì)的后繼。一個(gè)再好的設(shè)計(jì)作品，如果不能或難以制造出來(lái)，則只能是紙上談兵”[4]。所以要在我們的課堂教學(xué)中注重培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)，理論結(jié)合實(shí)際，提高學(xué)生實(shí)際解決工程問(wèn)題的能力。

工程識(shí)圖課程內(nèi)容覆蓋全面，而課時(shí)少，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中，空間思維能力無(wú)法得到逐步的提高，導(dǎo)致課程內(nèi)容難以理解，從而對(duì)這門(mén)課程失去興趣，歷年學(xué)生普遍反映該課程枯燥，課程難度較大。因此，在現(xiàn)有教學(xué)體制無(wú)法更改的前提下，可以借助現(xiàn)代教學(xué)手段，改變?cè)械恼n堂教學(xué)方式，探索一種新的教學(xué)模式。

在過(guò)去電腦還未普及時(shí)，課堂授課多采用掛圖式及黑板手繪式，這種教學(xué)方式，對(duì)于制圖課程而言，教師課堂授課難度大，而且效率較低，所以現(xiàn)代教學(xué)都借助電腦及投影儀，利用PowerPoint軟件，把教學(xué)內(nèi)容及復(fù)雜三維模型在電腦上呈現(xiàn)出來(lái)，這大大減輕了老師課堂授課時(shí)手工繪圖的負(fù)擔(dān)；但由于課件事先準(zhǔn)備好，課堂上基本采用幻燈片放映的手段呈現(xiàn)給學(xué)生，這對(duì)于基礎(chǔ)較好，空間想象能力強(qiáng)的同學(xué)，非常適用；但實(shí)際上，很多同學(xué)本身對(duì)物體缺少空間概念，所以接受能力較低的同學(xué)難以想象出空間形狀，無(wú)法融入課堂教學(xué)中，甚至導(dǎo)致部分學(xué)生喪失學(xué)習(xí)的興趣。因此本文提出將三維建模軟件的學(xué)習(xí)輔助運(yùn)用到課堂教學(xué)中，把傳統(tǒng)的單向授課課堂搬到機(jī)房?jī)?nèi)，讓學(xué)生利用三維繪圖軟件繪制課本上及習(xí)題集上的二求三模型，并采用互動(dòng)式及小組討論式教學(xué)方法，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)習(xí)效率，活躍課堂氣氛。

三、工程識(shí)圖教學(xué)的實(shí)踐和探索

（一）Solidworks軟件簡(jiǎn)介

目前各個(gè)公司開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)三維造型軟件有很多，但適應(yīng)于教學(xué)用的三維造型軟件， Solidworks是一款比較不錯(cuò)的軟件，該軟件是美國(guó)Solidworks公司開(kāi)發(fā)的，基于Windows操作平臺(tái)的三維設(shè)計(jì)軟件，其功能非常強(qiáng)大，是一款專(zhuān)業(yè)的三維造型軟件，該軟件具有簡(jiǎn)便易學(xué)，操作簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在機(jī)械，電子，交通運(yùn)輸，航空航天，科研，模具，工業(yè)設(shè)計(jì)等行業(yè)[5]。我們目前教學(xué)過(guò)程中所采用的AutoCAD軟件，其顯著優(yōu)勢(shì)在于其強(qiáng)大的二維繪圖功能，但在三維建模方面存在明顯的不足，不利于學(xué)生空間想象能力的培養(yǎng)和提高，因此我們把三維設(shè)計(jì)軟件Solidworks引入教學(xué)過(guò)程中，充分利用該軟件的優(yōu)勢(shì)，提高工程識(shí)圖課堂效率。

（二）課堂采用互動(dòng)式教學(xué)手段，讓學(xué)生參與建模過(guò)程，有利于提高學(xué)生的空間想象力

在講解由二維投影到三維實(shí)體過(guò)程中，讓學(xué)生利用Solidworks軟件中的特征命令繪制簡(jiǎn)單的立體圖，如“拉伸”、“旋轉(zhuǎn)”、“掃描”以及“放樣”等，從而更能深刻理解由二維投影到三維立體圖的形成過(guò)程并掌握基本建模方法。

相貫線是指兩個(gè)立體表面的交線，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，相貫線的空間想象難度比較大，特別是孔和孔之間的相貫線，在這種情況下，可以采用Solidworks軟件中的動(dòng)畫(huà)效果，展現(xiàn)相貫線由一般位置變?yōu)橄嘭灳€特殊情況的過(guò)程，從而增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，讓學(xué)生更易掌握教學(xué)要點(diǎn)。以圓柱與圓柱的相貫為例，

從圖1我們可以看出，隨著水平放置圓柱直徑的不斷增大，相貫線的形狀也發(fā)生了變化，中間位置為當(dāng)相貫線的特殊情況，即兩立體的直徑相等，且垂直相交時(shí)，其相貫線為兩個(gè)大小相等的橢圓，并且當(dāng)垂直相交的軸線跟某個(gè)投影面平行時(shí)，相貫線在這個(gè)投影面上的投影積聚成兩條大小相等的直線段；從圖2我們可以看出，無(wú)論是兩柱面的外表面相貫還是內(nèi)表面相貫，只要兩立體的尺寸不變，相對(duì)位置關(guān)系不變，相貫線的形狀和位置也不會(huì)改變，唯一變化的是相貫兩立體的輪廓。

學(xué)習(xí)組合體及機(jī)件表達(dá)內(nèi)容時(shí)，選擇具有代表性的零件，讓學(xué)生用Solidworks軟件繪制其立體圖，并利用Solidworks軟件中的渲染手段，制作更為精美的立體圖，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中比較難理解的剖視圖，可在軟件中采用不同的剖切方法及剖切程度來(lái)剖切零件，并展現(xiàn)其剖切過(guò)程，同時(shí)結(jié)合剖視圖表達(dá)的要點(diǎn)及注意事項(xiàng)逐步講解。通過(guò)這些方法，學(xué)生在后續(xù)讀零件圖及繪制零件圖的學(xué)習(xí)過(guò)程中，能夠選擇合理的視圖表達(dá)方案，準(zhǔn)確、全面的表達(dá)出零件的二維投影圖。

裝配圖和零件圖往往是學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的難點(diǎn)，有些同學(xué)在學(xué)完這門(mén)課程后，還沒(méi)有完全理解裝配圖和零件圖的區(qū)別；所以在講解裝配圖時(shí)，讓學(xué)生利用Solidworks軟件繪制裝配圖上各個(gè)零件的立體圖，并按照裝拆順序進(jìn)行組裝和拆卸，組裝好的裝配圖進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干涉檢測(cè)及碰撞檢測(cè)，并采用爆炸視圖等手段顯示，從而對(duì)零件圖和裝配圖的區(qū)別有更深刻的理解；在由裝配圖設(shè)計(jì)零件圖時(shí)，采取小團(tuán)隊(duì)的方式進(jìn)行，讓學(xué)生自行研究和討論，鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神及自主創(chuàng)新精神。

以機(jī)器虎鉗裝配圖為例，學(xué)生根據(jù)機(jī)器虎鉗上各個(gè)零件的零件圖，利用Solidworks軟件繪制其立體圖，如圖3所示，在繪制過(guò)程中，需要講解零件的鑄造工藝及機(jī)械加工工藝結(jié)構(gòu)，并且把零件的尺寸標(biāo)注注意要點(diǎn)糅合進(jìn)每個(gè)零件的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)好的零件按照裝拆順序裝配好，如圖4所示，裝配過(guò)程中進(jìn)行干涉檢測(cè)及碰撞檢測(cè)，裝配好的機(jī)器虎鉗利用軟件中的線性馬達(dá)功能模擬其運(yùn)動(dòng)過(guò)程[6]；通過(guò)這些方法和手段，學(xué)生對(duì)裝配圖有了更深刻的理解，并可采用啟發(fā)式的教學(xué)方法，探討裝拆順序及優(yōu)化設(shè)計(jì)等，從而進(jìn)一步走近機(jī)械工程，對(duì)理解課程內(nèi)容、激發(fā)學(xué)習(xí)熱情很有好處。

（三）創(chuàng)意產(chǎn)品設(shè)計(jì)，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

在教學(xué)過(guò)程中，可以選擇難度適中，具有一定代表意義的產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì)。如，本人在教學(xué)過(guò)程中，提出了建一個(gè)地面停車(chē)樁的三維模型（純機(jī)械式），要求外形美觀，設(shè)計(jì)合理，具體內(nèi)容如下：繪制裝配圖上各個(gè)零件的立體圖，并按照裝拆順序進(jìn)行組裝，組裝好的停車(chē)樁進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干涉檢測(cè)及碰撞檢測(cè)，并采用爆炸視圖等手段顯示；實(shí)現(xiàn)放倒和上鎖的動(dòng)畫(huà)效果。對(duì)于這個(gè)任務(wù)，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情高漲，他們自發(fā)以2-3人為一組組成創(chuàng)新設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，以頭腦風(fēng)暴法收集資料并提出設(shè)計(jì)方案，借助Solidworks軟件，繪制產(chǎn)品立體圖，最終提交產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案；刪選出來(lái)的設(shè)計(jì)作品具有一定的參考價(jià)值，方案如圖5所示。通過(guò)這個(gè)案例，我們發(fā)現(xiàn)，采用這種教學(xué)手段，不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)了學(xué)生的思考能力，而且借助三維軟件在創(chuàng)意產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)的應(yīng)用，能更快更好地捕捉設(shè)計(jì)靈感，提出創(chuàng)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案，在這一過(guò)程中，還培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

四、結(jié)束語(yǔ)

Solidworks是目前工程界應(yīng)用較為廣泛的繪圖軟件之一，我們的課堂教學(xué)與時(shí)俱進(jìn)，把該軟件引入到工程識(shí)圖的教學(xué)過(guò)程中，并且將立體建模思想貫穿于識(shí)圖教學(xué)的各個(gè)階段，體現(xiàn)了以三維設(shè)計(jì)為主線，以?xún)擅嫱队盀橹攸c(diǎn)的指導(dǎo)思想，不僅讓學(xué)生掌握了一門(mén)實(shí)用的繪圖技術(shù)，而且提高了工程識(shí)圖這門(mén)課程的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)效果，可謂一舉兩得。

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