SketchUp在《畫法幾何及工程制圖》三維交互式課程中的應(yīng)用探討

樊芳玲 周啟航 姚昊翊* 唐振亞 鐘浩

1.云南師范大學(xué)能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 云南昆明 650504；2.昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 云南昆明 650504

《畫法幾何及工程制圖》是我國(guó)高校工科專業(yè)必修的一門基礎(chǔ)平臺(tái)課，研究?jī)?nèi)容是繪制和閱讀工程圖樣方法，是指導(dǎo)生產(chǎn)的一種重要技術(shù)資料[1]，被稱為工程界的“語(yǔ)言”。這門課程主要想建立三維建模與圖樣表達(dá)融合并進(jìn)的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系；從畫法幾何部分利用正投影法分析點(diǎn)、線、面的空間位置關(guān)系入手，以平面輪廓特征為紐帶，建立起三維實(shí)體與投影圖形的關(guān)聯(lián)互通；實(shí)施三維建模與工程圖樣并行的表達(dá)方法，旨在訓(xùn)練學(xué)生轉(zhuǎn)化平面圖和三維模型的思維能力[2]。授課過(guò)程建立在總結(jié)規(guī)律、詮釋疑點(diǎn)、化解難點(diǎn)、啟發(fā)思維的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)踐演練、探究解決問(wèn)題思路與方法，剖析解題過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的疑難問(wèn)題，以便學(xué)生更好地掌握在工程實(shí)踐中讀圖和制圖的基本技能[3]。在這一基礎(chǔ)上，依據(jù)國(guó)家制圖標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定，在尺規(guī)作圖和計(jì)算機(jī)制圖的教學(xué)中，運(yùn)用正投影法的基本理論，使學(xué)生初步形成在學(xué)習(xí)和工作中發(fā)現(xiàn)、分析、解決工程問(wèn)題的意識(shí)，從而培養(yǎng)學(xué)生鍥而不舍、精益求精的工作態(tài)度。作為一門工程類基礎(chǔ)課程，課程中學(xué)習(xí)的工程圖、零件圖等常常作為工程師之間交流設(shè)計(jì)與加工思路的橋梁，鑒于此，學(xué)好這門繪圖、識(shí)圖的課程尤為重要。

然而，在學(xué)習(xí)《畫法幾何及工程制圖》這門課程時(shí)，需要學(xué)生具有一定的空間思維能力和動(dòng)手實(shí)踐能力。對(duì)于在中學(xué)時(shí)期就畏懼幾何的同學(xué)，進(jìn)入大一接觸《畫法幾何及工程制圖》學(xué)習(xí)的時(shí)候，特別容易進(jìn)入先入為主地認(rèn)為自己“空間想象能力差”“學(xué)不好這門課”的誤區(qū)，從而產(chǎn)生厭學(xué)情緒的惡性循環(huán)。在傳統(tǒng)教學(xué)中，我們一般采用“板書+幻燈片+實(shí)物模型”的方法進(jìn)行授課，但是我們?cè)趯?shí)際教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，如果僅僅使用“板書+幻燈片”的手段不能夠很好地展示物體的各個(gè)角度，有的老師容易展示過(guò)快，影響到學(xué)習(xí)效果；使用實(shí)物模型又有搬運(yùn)困難、不便于學(xué)生課后觀察等缺點(diǎn)。傳統(tǒng)的教學(xué)方法必然會(huì)導(dǎo)致學(xué)生感到枯燥、難懂，課堂活躍度低，教學(xué)效果差，因而急需探尋一種便于使用且直觀易懂的三維交互式教學(xué)方法，在此基礎(chǔ)上講練結(jié)合、鼓勵(lì)創(chuàng)新來(lái)提高教學(xué)效率。

針對(duì)以上需求，我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中引入了三維建模軟件SketchUp來(lái)幫助學(xué)生理解《畫法幾何及工程制圖》的基本概念和建立空間邏輯。SketchUp是一款直觀地進(jìn)行設(shè)計(jì)方案創(chuàng)作的繪圖軟件，利用SketchUp來(lái)構(gòu)建工程中的三維模型，具有操作效率高、場(chǎng)景真實(shí)(可360°旋轉(zhuǎn)查看)、便于修改、可共享、方便學(xué)生課后查看等優(yōu)點(diǎn)。該軟件建模便捷、精度高、貼圖豐富，利用它的繪制、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、平行投影、賦予材質(zhì)、線框顯示、X光透視觀察等功能操作，一目了然地展示出物體的外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。SketchUp軟件以其快速設(shè)計(jì)的功能和人性化的操作，在教學(xué)演示中展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

1 SketchUp在理解畫法幾何基本概念中的應(yīng)用

《畫法幾何及工程制圖》整門課程可以分為“畫法幾何”部分和“工程制圖”部分，分別在大一上下兩個(gè)學(xué)期開課。其中“畫法幾何”部分是“工程制圖”部分的基礎(chǔ)，重點(diǎn)在于幫助學(xué)生提前建立工程制圖中要用到的基本概念。例如，在講述圓柱體形成過(guò)程的概念時(shí)，涉及圓柱體中的軸線、母線、素線、轉(zhuǎn)向輪廓線等元素的講解，教師可以在語(yǔ)言描述的同時(shí)，用SketchUp軟件的“路徑跟隨”功能演示母線繞著軸線旋轉(zhuǎn)形成圓柱體的過(guò)程，使枯燥抽象的概念在學(xué)生眼前活靈活現(xiàn)地展現(xiàn)出來(lái)，如圖1所示。動(dòng)態(tài)演示結(jié)合學(xué)生的作圖練習(xí)，不僅幫助同學(xué)們理解鞏固相關(guān)概念，還能在增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，提高課堂教學(xué)質(zhì)量。

繪制旋轉(zhuǎn)軸線

繪制母線

繪制旋轉(zhuǎn)路徑

路徑跟隨

完成圖1

2 SketchUp在建立學(xué)生空間邏輯上的應(yīng)用

組合體三視圖的繪制一直是《畫法幾何及工程制圖》學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，該部分內(nèi)容掌握的情況將直接影響學(xué)生在工程實(shí)踐中識(shí)圖和制圖的能力。在講授截交線、相貫線、剖視圖這一部分內(nèi)容時(shí)，使用SketchUp軟件演示可以動(dòng)態(tài)地呈現(xiàn)出平面截切幾何體或者多個(gè)幾何體相貫的過(guò)程。例如，利用簡(jiǎn)單的“建立群組”“旋轉(zhuǎn)”“移動(dòng)”“使模型交錯(cuò)”等命令就可以方便地構(gòu)建出平面與幾何體相截，并直觀地反映出平面與幾何體表面的交線(即截交線)，如圖2和圖3所示；另外，使用上述命令，也可以方便地構(gòu)建出多個(gè)相交的幾何體(即相貫體)，同時(shí)反映出兩個(gè)相交幾何體表面的交線(即相貫線)，如圖4和圖5所示。圖6所示的“X光透視模式”的SketchUp模型清晰地展示了相貫線產(chǎn)生的三種形式：外表面相貫、內(nèi)表面與外表面相貫和內(nèi)表面相貫。此外，將單個(gè)幾何體創(chuàng)建為群組以后，還可以通過(guò)“移動(dòng)”命令快速調(diào)整幾何體間的相對(duì)位置來(lái)觀察相貫線形態(tài)的變化。例如，利用SketchUp軟件改變兩個(gè)垂直相貫圓柱體的軸線距離來(lái)了解相貫線形態(tài)的變化情況。在上述教學(xué)過(guò)程中使用該軟件展示清晰又快捷，有助于培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力，也便于加深其對(duì)相貫體和相貫線知識(shí)點(diǎn)的理解。

圖2 截交線的二維教學(xué)方法

圖3 截交線的三維教學(xué)方法

圖4 相貫線的二維教學(xué)方法

圖5 相貫線的三維教學(xué)方法

圖6 內(nèi)外相貫線三維視圖

3 SketchUp在加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力中的應(yīng)用

工程中常見的建筑構(gòu)配件和機(jī)械零部件看似復(fù)雜，實(shí)際上都是由多個(gè)基本幾何體通過(guò)疊加、挖切等形式組合、變形而成的。遇到這些形體的制圖時(shí)，我們通常采用形體分析法來(lái)解決。這是一種將復(fù)雜的建筑構(gòu)配件或機(jī)械零部件簡(jiǎn)化還原為多個(gè)基本幾何體(如圓柱、圓錐、六面體等)的思維方法。簡(jiǎn)化后的基本幾何體需要學(xué)生對(duì)比原型來(lái)確定它們的相對(duì)位置和組合方式，最后再練習(xí)圖紙的繪制和閱讀，長(zhǎng)期訓(xùn)練后即能熟而生巧。傳統(tǒng)教學(xué)中講授組合體的形體分析過(guò)程一般采用幻燈片講授的方法，因?yàn)樯倭私處煂?duì)該知識(shí)點(diǎn)的實(shí)操演示和學(xué)生自己的動(dòng)手實(shí)踐，最終掌握情況不盡如人意。而在教師演示或教授學(xué)生使用SketchUp軟件繪制建筑構(gòu)配件和機(jī)械零部件的過(guò)程中，就形象地展示了一個(gè)先形體分析再組合建模的流程。在SketchUp中，建模過(guò)程中的每一步(每一次簡(jiǎn)單形體的建立)都很清晰，學(xué)習(xí)起來(lái)輕松易上手，仿佛自己用手捏制橡皮泥形體并任意組合一般(如圖7所示)，便于學(xué)生將形體分析法在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程的使用步驟和規(guī)律進(jìn)行總結(jié)。講到建筑設(shè)計(jì)施工圖和機(jī)械零件圖、裝配圖時(shí)，在現(xiàn)有教學(xué)模式的基礎(chǔ)上引進(jìn)相關(guān)工程案例和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并嚴(yán)格要求學(xué)生按生產(chǎn)實(shí)際做課內(nèi)實(shí)踐，保證學(xué)生在課堂上所學(xué)的知識(shí)有生產(chǎn)實(shí)踐性，對(duì)以后的學(xué)習(xí)和工作具有一定的指導(dǎo)意義[4]。

繪制截面

拉伸成形體

相貫

剪切

組合

挖切圖7 SketchUp 軟件生成模型過(guò)程

結(jié)語(yǔ)

圖8 學(xué)生滿意度調(diào)查

實(shí)踐表明，將SketchUp軟件引入《畫法幾何及工程制圖》課程的教學(xué)中，對(duì)于空間想象能力有限的學(xué)生來(lái)說(shuō)，可以將抽象的空間形體具象化為可見的三維模型或二維圖紙，將傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中難以表達(dá)出來(lái)的細(xì)節(jié)部分直觀、生動(dòng)地呈現(xiàn)給學(xué)生，有助于訓(xùn)練學(xué)生的空間邏輯和抽象思維能力；對(duì)于空間想象能力本就不錯(cuò)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，鼓勵(lì)學(xué)生親自建模實(shí)踐，將設(shè)計(jì)理念轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)模型，不僅激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)制圖的主動(dòng)性，也增強(qiáng)了參加競(jìng)賽的創(chuàng)新性。對(duì)學(xué)生進(jìn)行滿意度調(diào)查的結(jié)果表明這種配合以SketchUp軟件、以“教師教學(xué)—學(xué)生練習(xí)—工程實(shí)踐”為關(guān)注點(diǎn)的新教學(xué)模式取得了良好的效果，獲得了大部分學(xué)生的認(rèn)可(如圖8所示)。學(xué)生在獲得專業(yè)理論知識(shí)的同時(shí)，鍛煉了運(yùn)用專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，綜合素質(zhì)得到了顯著提升[5]。