Inventor在機(jī)械制圖課程教學(xué)改革中的應(yīng)用

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(1.重慶電力高等?？茖W(xué)校，重慶 400053；2.華潤電力(宜昌)有限公司，湖北 宜昌 443000)

機(jī)械制圖課程是大學(xué)工科學(xué)生接受工程訓(xùn)練的第一門專業(yè)基礎(chǔ)課，通過運(yùn)用正投影法來分析、表達(dá)工程問題，主要培養(yǎng)學(xué)生對形體的觀察能力、空間想象能力以及計(jì)算機(jī)繪圖能力[1-4]。機(jī)械制圖課程學(xué)習(xí)過程與生產(chǎn)過程是一致的，設(shè)計(jì)者運(yùn)用正投影的原理把設(shè)計(jì)的三維空間產(chǎn)品表達(dá)成二維基礎(chǔ)視圖；而產(chǎn)品生產(chǎn)者需要根據(jù)拿到的二維基礎(chǔ)視圖想象出產(chǎn)品的三維形狀，最后根據(jù)尺寸和三維空間形狀加工出產(chǎn)品來。這種二維基礎(chǔ)視圖與三維實(shí)體之間的聯(lián)系是抽象的[5-6]，所以許多學(xué)生都覺得這門課程難學(xué)。而截切體、相貫線、組合體以及裝配圖等內(nèi)容學(xué)習(xí)起來更難。如何能在較短的時(shí)間里，合理地優(yōu)化教學(xué)方法，高效地培養(yǎng)學(xué)生的讀圖能力、繪圖能力、空間表達(dá)和想象能力，這就需要在制圖教學(xué)中大膽嘗試創(chuàng)新。本文是機(jī)械制圖課程教學(xué)中改革新嘗試，介紹了應(yīng)用Autodesk Inventor三維設(shè)計(jì)軟件在機(jī)械制圖中輔助教學(xué)實(shí)踐，將以前的靜態(tài)化教學(xué)變?yōu)閯?dòng)態(tài)化教學(xué)，這種教學(xué)模式具有明顯的優(yōu)勢。

1 Autodesk Inventor簡介

隨著電子計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展，各種二維和三維設(shè)計(jì)建模軟件越來越多，功能也越來越強(qiáng)大[3]。以往的機(jī)械制圖課程一般都會給學(xué)生講授Autodesk CAD二維繪圖軟件，近年來Autodesk公司最新推出了三維參數(shù)化實(shí)體設(shè)計(jì)軟件Autodesk Inventor 9[6]。該軟件與CAD同由Autodesk公司開發(fā)，具有很多共通性及兼容性，是最受歡迎的三維設(shè)計(jì)軟件，也是汽車設(shè)計(jì)、機(jī)械制造等工程領(lǐng)域設(shè)計(jì)軟件之一，更是全國職業(yè)院校計(jì)算機(jī)技能大賽中工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)(CAD)項(xiàng)目的指定軟件。該軟件主要包含零件造型、鈑金、裝配、表達(dá)視圖、工程圖5個(gè)模塊。在零件造型中，可以首先通過幾何特征新建二維草圖，然后進(jìn)行相應(yīng)的立體造型(拉伸、旋轉(zhuǎn)等)得到零件；在裝配部件環(huán)境中，可以將完成造型的零件調(diào)入部件環(huán)境，并添加裝配約束，得到裝配部件；在表達(dá)視圖環(huán)境中，可以自定義部件的爆炸視圖，模擬裝配過程(也可生成視頻)；在工程圖環(huán)境中，可以創(chuàng)建零部件的多種基本視圖與軸測圖等。

2 開拓機(jī)械制圖教學(xué)創(chuàng)新性

2.1 模型不再是死的，可以動(dòng)起來，就像玩拼圖

傳統(tǒng)教學(xué)過程主要通過掛圖、PPT以及實(shí)物模型來實(shí)現(xiàn)抽象思維向形象思維的過渡。由于在這些模型中各個(gè)零件是“死”的，不能充分展示形體的位置關(guān)系和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。利用Inventor軟件的三維建模功能[7]，能夠清楚地將各個(gè)形體之間的位置關(guān)系與內(nèi)部形狀表達(dá)出來，如圖1所示。這樣能有效降低學(xué)習(xí)難度，讓學(xué)生理解起來也特別輕松。

圖1 組合體形體分析

2.2 三維數(shù)值模型造型越來越生動(dòng)，立體感強(qiáng)

二維三視圖可以較完整地呈現(xiàn)出零件各部分的形狀，但這種圖樣直觀性差，如圖2所示；三維數(shù)字模型能同時(shí)反映形體長、寬、高3個(gè)方向的形狀，具有立體感強(qiáng)，形象直觀的優(yōu)點(diǎn)。比如：在一些復(fù)雜組合體投影的教學(xué)中，如果沒有比較直觀的實(shí)體模型，對于空間想象能力差的學(xué)生則很難正確理解形體相對位置關(guān)系與表面連接關(guān)系問題。運(yùn)用Inventor軟件畫出1個(gè)逼真的三維數(shù)值模型，再導(dǎo)出軸測圖輔助觀察[8]，最后從各個(gè)角度觀察得到各個(gè)方向的基礎(chǔ)投影視圖，這樣易于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

圖2 組合體投影圖

2.3 三維設(shè)計(jì)把學(xué)生的創(chuàng)新性思維展現(xiàn)在豐富多彩的三維圖形中

軟件建模比實(shí)物教模更方便靈活，學(xué)生通過Inventor軟件可以把二維視圖形轉(zhuǎn)換成三維立體模型，而且同學(xué)們可以更清楚地理解同一個(gè)二維視圖形可以通過不同的建模方式得到相同的三維數(shù)值模型[9]，但是在三維建模過程應(yīng)該遵循生產(chǎn)實(shí)際過程，采用造型步驟最少，模型數(shù)據(jù)量最小的最佳建模方式。通過這種造型設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，可以把學(xué)生的創(chuàng)新性思維充分展現(xiàn)在豐富多彩的三維建模中。

2.4 數(shù)字模型方便教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容快捷改動(dòng)

學(xué)生普遍認(rèn)為機(jī)械制圖課程抽象、不直觀、難學(xué)。因此在以往的教學(xué)中，教師普遍采用木制三維實(shí)體模型等手段將教學(xué)內(nèi)容直觀化、形象化，以此來幫助學(xué)生理解記憶。然而教學(xué)內(nèi)容不斷更新?lián)Q代，木制模型制作的成本很高，周期也長。Inventor軟件采用參數(shù)化建模和動(dòng)態(tài)尺寸驅(qū)動(dòng)技術(shù)，可以根據(jù)教學(xué)的需要進(jìn)行隨意更改，方便快捷地展現(xiàn)一個(gè)生動(dòng)逼真的模型[10]。這樣既豐富了教學(xué)內(nèi)容，又可大大減少教學(xué)模型的成本。如圖3所示，教師講解兩圓柱正交相貫的相貫線形狀，以及與相貫體的形狀、大小和相對位置有關(guān)的知識點(diǎn)時(shí)，可以通過改變相貫體尺寸，來輕松講解這一知識點(diǎn)。

圖3 兩正交圓柱的相貫線隨直徑變化的情況

3 有效提高教學(xué)質(zhì)量

3.1 便捷、高效地實(shí)現(xiàn)“二維-三維-二維”轉(zhuǎn)換的教學(xué)

機(jī)械制圖課程教學(xué)從點(diǎn)線面投影開始，到基本體、組合體的投影，最后延伸到裝配圖等。可以采用“二維-三維-二維”的全新教學(xué)順序，即教會學(xué)生了解投影知識和投影規(guī)律，能看懂基本體二維三視圖，會畫基本體二維三視圖之后，就可以讓學(xué)生利用Inventor軟件建立三維數(shù)字模型來輔助學(xué)習(xí)后面的內(nèi)容，比如截切體、組合體等。在教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生建立三維數(shù)字模型的同時(shí)二維視圖讀圖能力也不斷得到提高。另外，學(xué)生在遇到看不懂的二維視圖時(shí)，也會主動(dòng)利用Inventor軟件畫出三維數(shù)字模型來分析形體特征，如圖4所示。在教學(xué)實(shí)踐中，筆者發(fā)現(xiàn)，用這種從二維平面到三維實(shí)體、再從三維實(shí)體到二維平面的教學(xué)模式，學(xué)生識圖能力、繪圖能力都得到顯著提升，對后面的復(fù)雜形體投影、零件裝配等學(xué)習(xí)內(nèi)容的掌握也會相對容易，學(xué)生同時(shí)也能一直保持濃厚的學(xué)習(xí)興趣。

圖4 圓管相貫線示意圖

3.2 運(yùn)用視圖功能，理解基本視圖線框含義

可以利用Inventor提供的多種造型方法和觀察功能，在學(xué)生面前展現(xiàn)出一個(gè)生動(dòng)的實(shí)體模型，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的需要可以從各個(gè)方向進(jìn)行投影，方便教師講解組合體投影、視圖表達(dá)等知識，顯著降低教學(xué)難度，如圖5所示；同時(shí)快速提高學(xué)生形體分析能力和表達(dá)能力。在教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生普遍認(rèn)為這種教學(xué)模式理解起來更輕松。

3.3 利用觀察功能，提升對復(fù)雜形體的識圖能力

形體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)是看不見的，用虛線表示，學(xué)生對此較難理解，它往往也是考試的一大難點(diǎn)。我們可以運(yùn)用Inventor畫出物體的剖視圖、半剖視圖等充分表達(dá)形體內(nèi)部形狀，也可以在繪制草圖時(shí)選擇剖切觀察功能[11]，將看不到的形體內(nèi)部結(jié)構(gòu)直接呈現(xiàn)在學(xué)生面前，讓學(xué)生一目了然，并很容易地理解，掌握相關(guān)知識，如圖6所示。

圖5 組合體讀圖線框分析

圖6 閥體半剖視圖

3.4 運(yùn)用投影功能生成二維工程圖，增強(qiáng)學(xué)生繪圖能力

Inventor軟件提供的二維工程圖功能，就是將建模好的三維實(shí)體模型直接生成相對應(yīng)的二維工程圖，可根據(jù)教學(xué)需要生成基礎(chǔ)視圖、剖視圖和軸測圖等多種視圖[12]。學(xué)生甚至還可以根據(jù)三維數(shù)字模型從不同視角觀察三維實(shí)體，生成相對應(yīng)視角的三視圖，并將生成的工程圖與自己繪制的工程圖進(jìn)行對照，結(jié)合三維立體反復(fù)糾錯(cuò)和修改。這樣在“做中學(xué)”，在“學(xué)中做”，學(xué)生能增強(qiáng)繪圖能力。

3.5 裝配爆炸圖，輔助學(xué)生讀懂裝配圖

Inventor軟件的裝配關(guān)系和生產(chǎn)過程中的裝配原理相同，都是通過添加各種裝配約束條件來實(shí)現(xiàn)裝配過程。Inventor軟件裝配約束條件有配合、角度、相切和插入等[13]。運(yùn)用軟件仿真裝配過程各零件間的裝配關(guān)系、位置關(guān)系和裝拆過程的裝配爆炸圖，可以幫助學(xué)生較好地理解和學(xué)習(xí)。我們還可以根據(jù)教學(xué)需要采用拆裝、淡顯、剖切等處理[14]，分步驟、動(dòng)態(tài)地展示裝配體中各零部件間的運(yùn)動(dòng)過程和原理，進(jìn)一步幫助學(xué)生了解裝配體各零部件間的工作過程和原理，如圖7所示。這樣可以讓學(xué)生看清楚裝配體各零部件間的運(yùn)動(dòng)過程和原理。整個(gè)裝配過程也可以錄制成其他格式的視頻文件，然后做成具有空間立體感的微課。這可以加快學(xué)生認(rèn)知的進(jìn)程，更好地讀懂裝配圖。

圖7 旋塞閥剖切觀察示意圖

4 提升學(xué)生綜合能力

4.1 培養(yǎng)學(xué)生空間思維能力

為了培養(yǎng)學(xué)生從平面到空間或從空間到平面的抽象思維能力，教學(xué)中利用Inventor零件圖中可以拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠或放樣等特征形成有光、有色的三維立體表達(dá)的零部件實(shí)體，如圖8所示。這可以讓學(xué)生很輕松地觀察到零件生成、組合裝配的過程，更清楚零件的位置關(guān)系。另外，如果三維建模過程一旦出錯(cuò)，就會有相應(yīng)錯(cuò)誤提示，可以馬上根據(jù)提示一步步進(jìn)行修改。教學(xué)實(shí)踐證明，這種以三維建模和二維視圖表達(dá)相結(jié)合的教學(xué)模式，既檢驗(yàn)了學(xué)生二維視圖的讀圖能力，化看圖考核于無形，又培養(yǎng)了學(xué)生三維建模的空間思維能力，切實(shí)提高學(xué)生對機(jī)械制圖課程的學(xué)習(xí)興趣，迅速提高讀圖能力和空間思維能力。

圖8 減速器拆裝圖

4.2 培養(yǎng)學(xué)生三維建模能力

Inventor的三維數(shù)字模型直觀、形象，我們可以利用它做出很多后續(xù)專業(yè)課的設(shè)備，讓這些設(shè)備輔助后續(xù)專業(yè)課的教學(xué)，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。而且建模過程易學(xué)，學(xué)生只要學(xué)會建立工作平面、二維草圖繪制等基本操作后，采用拉伸、旋轉(zhuǎn)、放樣、掃掠等簡單形體特征就能完成三維實(shí)體建模[15]。但是，在三維建模過程中，需要學(xué)生不斷分析二維視圖的形體特征，想象三維形體怎么得來的，然后不斷嘗試各種建模方法，這就間接提高了學(xué)生的看圖能力和空間思維能力。教學(xué)實(shí)踐表明，這種教學(xué)模式激發(fā)了學(xué)生從“要我學(xué)習(xí)”轉(zhuǎn)變成“我要學(xué)習(xí)”，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

5 結(jié)語

經(jīng)過長期教學(xué)實(shí)踐表明，機(jī)械制圖課程教學(xué)過程結(jié)合Inventor軟件輔助，利用軟件的視圖表達(dá)、動(dòng)畫和三維建模等功能，可以有效增加教學(xué)的可視性、直觀性、立體感。

1)有效提高學(xué)生的視圖分析和空間思維能力，增強(qiáng)學(xué)生的識圖能力、繪圖能力和建模能力，從而顯著提升機(jī)械制圖課程課堂教學(xué)質(zhì)量和效果。

2)輕松實(shí)現(xiàn)“二維-三維-二維”的機(jī)械制圖教學(xué)過程，可以有效增加課堂的趣味性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，使學(xué)生樂意主動(dòng)接受新知識。

3)生動(dòng)直觀地表達(dá)出形體結(jié)構(gòu)、位置關(guān)系等教學(xué)過程的重難點(diǎn)知識，切實(shí)降低教學(xué)難度，為學(xué)生今后的專業(yè)課程學(xué)習(xí)打下扎實(shí)基礎(chǔ)。

4)可以根據(jù)教學(xué)需要快捷方便地改變數(shù)字模型，大幅降低教具成本。