利用Solidworks輔助機械制圖教學研究

魏 偉，賈黎明

（1.安徽工業(yè)大學 科研處，安徽 馬鞍山243002；2.安徽工業(yè)大學 機械工程學院，安徽 馬鞍山243002）

機械制圖課程是工科院校學生必修的一門專業(yè)基礎課。它的主要任務就是培養(yǎng)學生具有一定的繪圖和讀圖能力。通過這門課的學習，可以提高學生們的空間想象、思維能力、圖解空間幾何問題的能力。但是由于機械制圖自身的嚴謹性等特點，讓學生們學習起來感覺比較困難及枯燥。所以如何激發(fā)學生的學習興趣以及培養(yǎng)學生一定的空間想象能力，就成了制圖教學中亟待解決的問題。

教學實踐證明，沿用圓規(guī)、三角板、模型、紙質(zhì)掛圖等教學工具的傳統(tǒng)教學方式已經(jīng)不能滿足教學中的要求，而且費時費力，效果亦不是太好，在培養(yǎng)和啟發(fā)學生的空間想象能力和構(gòu)形能力上，教學手段較為單一，內(nèi)容多以靜態(tài)為主，使學生難以形成完整的空間概念。在教學實際中發(fā)現(xiàn)，既讓學生看到模型，又能讓學生清楚形體形狀的重組，這樣的教學效果較為理想。隨著多媒體教學設備的普及，我們完全可以利用三維軟件達到這一目標。

Solidworks軟件是一種先進的、智能化的參變量式CAD設計軟件，是世界上第一個基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)。它改善了傳統(tǒng)機械設計的模式，具有強大的建模功能，參數(shù)設計功能。在創(chuàng)新性、使用方便性、界面人性化等方面都得到了增強，大大縮短了設計時間，提高了設計效率。

SolidWorks是在Windows環(huán)境下開發(fā)的，有著友好的工作界面，擁有強大的基于特征的實體建模功能，可以方便快速地構(gòu)建各種結(jié)構(gòu)形狀的模型，還可以根據(jù)需要隨時更改局部結(jié)構(gòu)；建?？焖?，過程清晰明了，可快速地培養(yǎng)學生的制圖能力，讀圖能力和空間想象能力；提供了動畫功能，可以快速地生成物體裝配過程、爆炸過程和運動過程的動畫文件，同時也可生成各個過程組合的動畫文件。可以將一些難點、復雜的問題形象生動地表現(xiàn)出來，改變傳統(tǒng)教學枯燥的教學形式，活躍課堂氣氛，提高學生們的學習積極性。

總之，Solidworks易學易用、界面友好、性能超群，它有著強大的建模能力，而且設計過程清晰、簡單、方便，非常適合用于制圖課堂教學。

一、完整的展現(xiàn)模型，形成完整的空間概念

授課教師根據(jù)備課內(nèi)容，可在教學現(xiàn)場繪制所需模型，模型的建模過程很清晰、完整地展現(xiàn)在學生面前，使學生有了一個完整的空間概念。例如在學習組合體讀圖時，會介紹到形體分析法，即假想把組合體分解為若干個簡單形體，分析各簡單形體的形狀、相對位置、組合形式及表面連接關系的分析方法，稱為形體分析法。在以往授課中，我們會講解形體分析法主要是利用分線框、對投影的方法組合體分解成我們所熟悉的幾個基本體的形狀，然后分析各形體之間的相對位置，組合方式，表面過渡關系，最后綜合想象出整體形狀。整個過程都是在語言描述下完成的，即使結(jié)合木模，學生也不能很清晰的看出基本體之間的相對位置及表面交線等問題。如果利用Solidworks進行三維建模，這些問題就會迎刃而解。如圖1所示，根據(jù)形體的主視圖和俯視圖想象其空間形狀。利用形體分析法的知識，我們可將組合體拆分成三個我們所熟悉的基本體，然后根據(jù)分線框、對投影，分別想象出每一部分的空間形狀。在講解的同時，我們可以結(jié)合Solidworks對每一部分進行建模。利用Solidworks中基準面、草圖繪制、拉伸、切除等相關命令，對這些基本體進行建模，如圖2所示。在建模的過程中，學生對形體的形成有了最直觀的認識。最后分析形體之間的相對位置等，將拆解出來的基本體根據(jù)前期分析出來的表面鄰接關系組合在一起，形成了如圖3所示的組合體。講解分析結(jié)合Solidworks現(xiàn)場建模，使得學生通過形象逼真、具有質(zhì)感的模型既學得輕松，又能很快掌握內(nèi)容，事半功倍。

圖1 形體的主、左視圖

圖2 形體分解后各部分形狀

圖3 綜合想象組合體空間形狀

二、啟發(fā)和培養(yǎng)空間想象能力和構(gòu)形能力

機械制圖這門課程的主要任務之一就是培養(yǎng)學生具有一定的空間想象能力。缺乏空間想象能力是學習機械制圖的大礙。而培養(yǎng)學生空間想象能力最主要的就是培養(yǎng)學生的觀察能力。在教學中，要給學生創(chuàng)造觀察的條件，同時也要引導學生仔細觀察，一定要注意細節(jié)。這是一種非常直觀的方法，由體到圖，再由圖到體，刺激學生的空間知覺，讓學生建立一種從三維到二維再到三維的思維模式。在教學中，我們要幫學生建立空間立體觀念，這就需要有直觀的視覺基礎支持。其次，要加強學生的作圖能力，根據(jù)最直觀的三維模型繪制出該模型的平面圖形，再由平面圖形想象出該模型的空間形狀及位置。這對培養(yǎng)空間想象能力十分有利。最后，指導學生進行一些適當?shù)膶嶓w構(gòu)形，活躍課堂氣氛，這樣既培養(yǎng)了學生的空間想象能力同時也提高了學習的積極性，一舉兩得。在實際教學過程中，不可能將所有例題中的形體都作成實物模型，而且實物模型也不可能放到每個學生手中去觀察。所以，Solidworks三維造型及多媒體教學手段在這個時候就可以充分發(fā)揮其作用了。譬如，如圖4所示的實體構(gòu)形，要求根據(jù)形體的主俯視圖，想象出不少于四種的空間形狀。在分析的時候，我們可以根據(jù)學生不同的想法結(jié)合著Solidworks去建模，利用Solidworks中的視圖顯示方式讓學生從各個方向去投影自己構(gòu)思的形體，這樣可以很直觀地讓他們看出哪些是可以的，而哪些不符合要求的。如果構(gòu)形確實存在困難時，我們也可利用Solidworks去建模，如圖5所示，讓學生去舉一反三。

圖4 形體主、俯視圖

圖5 形體空間形狀

三、深入解析重點和難點

對于機械制圖中一些較難的章節(jié)，學生因空間想象能力欠缺，對一些立體表面交線變化，形體復雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等難以理解。而運用Solidworks三維實體建模及靈活的剖切面剖切，讓學生一目了然，容易接受，達到良好的教學效果。例如在介紹兩圓柱體正交時相貫線變化情況時，我們會提到在相貫線的非積聚性投影上，相貫線的彎曲方向總是朝向直徑較大的圓柱體的軸線。單純的這樣講解加上獨立的模型，并不能讓學生很好地去理解。而引入Solidworks后，整個相貫線變化趨勢就清晰可見了。因為Solidworks建模是一個參數(shù)化的設計過程。當改變立體尺寸和相對位置時，就可得到不同的相貫線。相貫線的變化過程，在建模中非常清晰的反應出來，學生理解會更加容易，掌握也會更加牢固。如圖6所示，在Solidworks中，先建立兩個直徑大小不同的圓柱體正交，此時在兩個立體表面產(chǎn)生的相貫線是一種情況。然后改變建立模型時繪制草圖的參數(shù)來改變其中一個圓柱直徑的大小，修改完畢后，相貫線的改變馬上就會呈現(xiàn)在大家眼前，變化規(guī)律一目了然，即：相貫線的彎曲方向總是朝向直徑較大的圓柱體的軸線。

圖6 立體表面交線變化情況

又例如在機件表達方法中，剖視一直是我們學習的難點。我們可以利用Solidworks建模后，先讓學生觀察零件的外部形狀，再用適當?shù)钠是忻鎸⒘慵书_，觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)。我們可以選用不同的剖切方法，讓學生去比較，哪個方案最合適。這樣同時也避免了學完剖視后，雖然認識各種剖切方法，知道其應用范圍但卻不能靈活運用的弊端。如圖7所示，選擇合適的表達方法表達該形體。我們所采用的表達方法要將形體的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)表達清楚。結(jié)合我們在該章節(jié)所學知識，表達外形的表達方法應該在視圖中去選擇，表達內(nèi)部結(jié)構(gòu)的表達方法是剖視圖中去選擇。結(jié)合例題，我們可以根據(jù)形體已有的二視圖將其空間形狀在Solidworks中繪制出來如圖8（a）所示。然后利用Solidworks的剖切功能，選擇適當?shù)钠是形恢眠M行剖切，再觀察形體，分析剖切后的結(jié)構(gòu)是否符合要求。如圖8（b）所示形體主視采用了全剖的表達方法，剖切后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)是表達清楚了，但外形中前方的U形塊這個結(jié)構(gòu)卻因為剖切而無法進行表達了，所以這種表達方法不能滿足我們要將外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)都要表達清楚的要求。我們選擇的是圖8（c）所示的半剖表達方法，形體左半邊沒有進行剖切表達外形，右半邊剖切后反應內(nèi)部結(jié)構(gòu)。由于形體是對稱的，所以左半邊未表達的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與右半邊一致，右半邊的外形結(jié)構(gòu)與左半邊一致，滿足表達要求。同理，俯視圖表達方法應選擇圖8（e）所示的半剖，而圖8（d）所示的全剖無法將形體上方的方板的外形反應出來。

四、激發(fā)學生的學習興趣

圖7 形體主俯視圖

圖8 形體表達方法選擇

機械制圖是一門相對比較枯燥的專業(yè)基礎課程，所以如何提高學生的學習興趣也是讓他們學好制圖的關鍵。引入三維建模軟件就是一種方法，對學生來說，具有新鮮感的東西會激發(fā)他們的好奇心與求知欲。例如在裝配圖的教學中，很多學生都感覺到一頭霧水，對裝配體的裝配關系、裝配干線，零件間的連接關系，裝配體的工作原理，根本搞不清楚，從而無法去讀懂裝配圖。在實際教學中，教師可以在備課時將組成裝配體的所有零件繪制完畢。待上課時，利用Solidworks的智能裝配功能，按照裝配體的不同位置和裝配要求將其裝配起來。這樣整個裝配過程非常清晰明了地顯示在學生們的眼前。我們還可以利用Solidworks的動畫功能，制作裝配體的爆炸動畫，模擬其實際動作過程。這樣學生就更容易掌握裝配圖的相關知識，而且印象深刻，如圖9所示。

圖9 裝配體爆炸視圖

五、結(jié)語

綜上所述，Solidworks由二維圖形生成三維模型的過程，完全同機械制圖與畫圖的思維過程一致，可使抽象的問題具體化，增加感性認識，促進所學知識的理解和掌握，非常適合用于制圖課堂教學。我們將Solidworks引入到機械制圖教學中，我們的目的是利用三維建模軟件輔助教學來培養(yǎng)學生的空間思維能力，更好、更深入地理解制圖的相關知識，而不是學習Solidworks軟件的使用，所以授課時，一定要安排得當，重點突出。在實際教學時，要充分發(fā)揮教師的主導作用，不能讓學生只是看著演示，要充分讓學生參與其中，分析問題，解決問題，這樣才能達到最佳的教學效果。

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