基于三維建模技術(shù)的學(xué)生制圖能力培養(yǎng)研究

李炎光 焦芳敏 胡新穎

(河南工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引言

制圖作為機(jī)械類專業(yè)學(xué)生一門必修的技術(shù)基礎(chǔ)課，它需要學(xué)生具有一定的空間想象能力和邏輯思維形體表達(dá)能力。對于剛踏入校門的學(xué)生，他們大都缺乏一定的專業(yè)基礎(chǔ)知識和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，空間形體思維能力相對薄弱，而且伴隨著課程難度的加深，往往會出現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低下，學(xué)習(xí)效果較差的現(xiàn)象。針對以上情形，國內(nèi)外很多院校的制圖教學(xué)者對此進(jìn)行了教學(xué)研究，并提出了很多行之有效的教學(xué)方法[1-4]。現(xiàn)結(jié)合本校的具體情況，同時(shí)借鑒國內(nèi)外制圖課程的教學(xué)改革經(jīng)驗(yàn)，把三維建模技術(shù)引入制圖教學(xué)中，對培養(yǎng)學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力，以及提高學(xué)生空間立體的構(gòu)型能力有良好的效果。

1 引入三維建模技術(shù)輔助制圖教學(xué)的必要性

機(jī)械類專業(yè)的學(xué)生入職后的工作大都與閱讀和繪制工程圖樣相關(guān)，因此，如何讀圖和繪圖是他們在校時(shí)必須要掌握的一項(xiàng)基本技能。對于傳統(tǒng)的制圖教學(xué)模式而言，在整個(gè)教學(xué)過程中，教師是主角。教師主要通過語言來組織整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，側(cè)重的是知識點(diǎn)的講解和傳授，不利于學(xué)生空間思維能力的提高。雖然在課堂上會有掛圖、實(shí)物模型等輔助教學(xué)工具，但是掛圖尺寸有限，不能兼顧所有學(xué)生能夠看到；而實(shí)物模型笨重，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不能完全觸及，對實(shí)物的具體結(jié)構(gòu)不能清楚了解。此外，教具數(shù)量少，借用登記麻煩，且每個(gè)學(xué)生能夠接觸到的時(shí)間很短。因此，這些客觀因素的存在限制了制圖課程教學(xué)質(zhì)量的提高。

隨著教育技術(shù)學(xué)的發(fā)展，多媒體技術(shù)在課堂中的應(yīng)用逐漸增多，這一技術(shù)的出現(xiàn)增加了課堂的生動(dòng)性和趣味性，但是缺少挖掘形體構(gòu)成與投影的對應(yīng)關(guān)系分析，缺乏對同類結(jié)構(gòu)的分析和總結(jié)[5-6]。后來，部分制圖教學(xué)者把AutoCAD應(yīng)用在課堂教學(xué)中，借助該軟件進(jìn)行二維視圖的講解。在教學(xué)過程中遇到的部分實(shí)物相對復(fù)雜，如果僅是通過引入AutoCAD的二維平面圖形進(jìn)行分析講解，那么，該軟件的使用僅是提高了繪圖效率和繪圖質(zhì)量、彌補(bǔ)了掛圖尺寸有限的缺點(diǎn)，但是對于空間思維能力相對較弱的同學(xué)而言，依然會出現(xiàn)理解困難的情形，不利于空間構(gòu)型能力的提高和創(chuàng)造性的形象思維能力的提高，對制圖課程教學(xué)效果的提高有限。

目前，伴隨著計(jì)算機(jī)繪圖功能的日益強(qiáng)大，三維繪圖軟件生成的圖形清晰、直觀、修改方便，因此，三維繪圖軟件的應(yīng)用越來越廣泛，在教學(xué)過程中引入三維繪圖軟件，模擬實(shí)物的形態(tài)，能清晰直觀地幫助學(xué)生建立空間構(gòu)型能力。三維立體圖形的繪制都是在二維草圖的基礎(chǔ)上通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、放樣等手段成形的，然而，二維草圖的繪制需要制圖工作人員必須具備扎實(shí)的制圖基本技能，這同時(shí)也對制圖教育者提出了更高的要求。針對上述情形，制圖教研室全體工作人員提出了遵循人們的認(rèn)識規(guī)律，把三維建模技術(shù)引入到制圖教學(xué)中，輔助制圖教學(xué)，這是實(shí)現(xiàn)制圖教學(xué)改革的一個(gè)必然要求。它讓學(xué)生清晰直觀地理解了二維視圖的形成過程，幫助學(xué)生輕松實(shí)現(xiàn)了二維和三維之間的自由轉(zhuǎn)換，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，并取得了良好的教學(xué)效果。

2 三維建模技術(shù)在制圖教學(xué)中的作用

2.1 三維軟件的選擇

目前，機(jī)械設(shè)計(jì)人員常用的三維輔助繪圖軟件有Pro/E、UG、Catia、Solidworks等，其中Solidworks是這些3D軟件中界面友好，最易于操作的一款軟件，該軟件擁有多種模塊，且模塊與模塊之間是相互關(guān)聯(lián)的，對模型的每一處修改都可實(shí)現(xiàn)其他模塊的同步更新，深受初學(xué)者的喜愛。學(xué)生課上課下都可以利用該軟件輔助讀圖、繪圖，易于培養(yǎng)學(xué)生的制圖情結(jié)，因此，教研室選用此軟件開展三維建模技術(shù)輔助制圖教學(xué)的研究。

2.2 三維建模技術(shù)與制圖課程的有機(jī)結(jié)合

三維建模技術(shù)將制圖教學(xué)和計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)結(jié)合起來，三維建模技術(shù)依托于二維工程圖學(xué)，二維繪圖技能需要學(xué)生具有較強(qiáng)的思維空間想象能力，而三維圖形輔助學(xué)生思維構(gòu)型。三維建模技術(shù)成功應(yīng)用到制圖教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)了二者的深度融合，從而達(dá)到了事半功倍的效果，對學(xué)生空間形體想象力的提高有較大幫助，理論教學(xué)環(huán)節(jié)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)都取得了良好的教學(xué)效果。在近幾年的“高教杯”河南省以及全國大學(xué)生先進(jìn)成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模大賽中，河南工學(xué)院代表隊(duì)取得了省團(tuán)體“特等獎(jiǎng)”、個(gè)人“一等獎(jiǎng)”以及全國“二等獎(jiǎng)”等優(yōu)異的成績。

2.2.1 促進(jìn)課堂理論教學(xué)

機(jī)件表達(dá)法是制圖教學(xué)章節(jié)中的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)，這些內(nèi)容掌握的好壞將直接影響后面章節(jié)的學(xué)習(xí)，此外，對其他專業(yè)課程的學(xué)習(xí)也將產(chǎn)生一定的影響。本章內(nèi)容的難點(diǎn)在于如何正確運(yùn)用合適的表達(dá)方法表達(dá)一個(gè)機(jī)件。對于大部分學(xué)生來說，看到結(jié)構(gòu)復(fù)雜的形體，往往會出現(xiàn)腦海迷茫，無從下手，更無法運(yùn)用適當(dāng)?shù)谋磉_(dá)方法想象出所對應(yīng)的圖形。此時(shí)，傳統(tǒng)教學(xué)模式的缺點(diǎn)表現(xiàn)得比較突出，對教師來說講解起來非常困難，同時(shí)學(xué)生的聽課效果極差，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低下，最終也很難達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。

圖1 機(jī)件三維模型

制圖課堂引入的Solidworks三維繪圖軟件打破了傳統(tǒng)的黑板、掛圖、模型的傳統(tǒng)教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)了輕松的教學(xué)氛圍。教師提前把三維模型繪制完畢，在授課過程中，利用該軟件打開模型，如圖1所示，借助該模型來開展知識點(diǎn)的講解。對照模型，首先，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真觀察立體外部結(jié)構(gòu)形狀，想象出其對應(yīng)的二維投影；其次，采用多種表達(dá)方法對模型進(jìn)行剖切，讓學(xué)生清晰地看出其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時(shí)想象出內(nèi)部結(jié)構(gòu)的投影；最后，用多種表達(dá)方式來表達(dá)實(shí)物的內(nèi)、外部結(jié)構(gòu)形狀，選出最優(yōu)表達(dá)方案。這種新型的教學(xué)模式實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜問題的簡單化，快速地化解難點(diǎn)，幫助學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)形象直觀地了解實(shí)物的內(nèi)、外部結(jié)構(gòu)。這種教學(xué)模式補(bǔ)償了學(xué)生空間想象力的不足，實(shí)現(xiàn)了三維和二維圖形之間的輕松轉(zhuǎn)換。

2.2.2 與實(shí)踐教學(xué)的有機(jī)融合

零部件測繪對新技術(shù)的交流、舊設(shè)備的改造與革新、零件的修配等都有重要作用，因此，工程技術(shù)人員必須要掌握該項(xiàng)基本技能。零部件測繪是制圖課程的一個(gè)重要的基礎(chǔ)性的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，它不僅是檢驗(yàn)學(xué)生對所學(xué)理論知識的掌握程度、讀圖與繪圖的基本技能，而是檢驗(yàn)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)基本理論知識來解決實(shí)際問題的能力。因此，作為應(yīng)用型本科院校，機(jī)械類專業(yè)的學(xué)生需要掌握這項(xiàng)技能，為今后的工作打下堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的測繪課程是教師針對測繪零部件講解其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、測量工具的使用方法以及測繪過程中需要注意的事項(xiàng)等。講解完畢，每組學(xué)生分一個(gè)模型，利用游標(biāo)卡尺、卡鉗、千分尺等測量工具進(jìn)行測量，徒手繪制圖樣，整理好后采用尺規(guī)作圖，最終完成零部件的測繪工作。整個(gè)測繪過程耗時(shí)較長，效率較低，圖紙質(zhì)量一般。此外，由于高校不斷壓縮制圖課時(shí)，學(xué)生基本理論知識掌握得不夠牢固，在制圖測繪環(huán)節(jié)學(xué)生往往追求的是圖紙能否按時(shí)繪制完畢，能否取得學(xué)分，只是對著模型或者別的同學(xué)的圖紙進(jìn)行模仿繪圖。在整個(gè)測繪過程中只體現(xiàn)出了學(xué)生手工作圖的能力，而對零件的工藝結(jié)構(gòu)和尺寸標(biāo)注的合理性，裝配體的工作原理、裝配路線、特殊表達(dá)方法的運(yùn)用，以及裝配圖的尺寸標(biāo)注等的運(yùn)用與理解幾乎無人關(guān)注，制圖測繪的真正目的未能達(dá)到。伴隨著社會的發(fā)展，人們的環(huán)保意識逐漸增強(qiáng)，大部分企業(yè)都采用高效率的無紙化辦公。因此，測繪實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)需要減少尺規(guī)作圖的工作量，保留徒手繪圖，增加計(jì)算機(jī)繪圖，以適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展要求；同時(shí)也給老師和學(xué)生留出更多的時(shí)間去交流圖紙問題以及實(shí)物的加工、安裝工藝等。

以水泵為例，教師采用Solidworks三維繪圖軟件打開三維視圖，如圖2所示，對其制作爆炸視圖，如圖3所示，模擬實(shí)體的拆卸過程。與此同時(shí)，教師要求學(xué)生的拆卸進(jìn)度與模擬拆卸進(jìn)度保持一致。在拆卸過程中，引導(dǎo)學(xué)生體會已學(xué)知識，理解工件的裝配路線、零件間的配合種類等。為了加深理解水泵的工作過程，要求學(xué)生在課堂上完成工作原理圖和主要零件圖的徒手繪制。繪制完畢，教師借助該軟件演示水泵的裝配過程，然后再添加動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)水泵的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而增加了測繪課堂的趣味性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深了對基本理論知識的理解與掌握。

圖2 水泵總裝圖

圖3 水泵爆炸視圖

鑒于課堂講解時(shí)間有限，測繪的大部分工作都是在課下完成的。Solidworks繪圖軟件帶有強(qiáng)大的工程圖模塊，教師鼓勵(lì)學(xué)生利用該模塊來實(shí)現(xiàn)二維工程圖紙的繪制，并且對于復(fù)雜的工件采用多種表達(dá)方案，最后通過對比選出最優(yōu)方案。在測繪過程中讓學(xué)生反復(fù)的拆裝，體會出三維模型到二維圖紙的轉(zhuǎn)化過程，加深理解實(shí)體和投影視圖之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，很好地培養(yǎng)了學(xué)生在繪圖和識圖方面的能力。

3 結(jié)論

利用三維建模技術(shù)輔助制圖教學(xué)，實(shí)現(xiàn)了二維平面圖形和三維實(shí)體之間的自由轉(zhuǎn)換，尤其對于空間想象能力相對較弱的同學(xué)，經(jīng)常會出現(xiàn)構(gòu)型障礙。在整個(gè)教學(xué)過程中，以學(xué)生為主線，利用Solidworks三維繪圖軟件輔助復(fù)雜立體的繪制，實(shí)現(xiàn)了教師和學(xué)生之間的良好互動(dòng)，增加了課堂的生動(dòng)性和趣味性，提高了學(xué)生的制圖能力，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，這種教學(xué)模式深受學(xué)生的喜愛，完美地達(dá)到了教學(xué)目的，實(shí)現(xiàn)了良好的教學(xué)效果。