基于三維建模技術的學生制圖能力培養研究

李炎光 焦芳敏 胡新穎

(河南工學院機械工程學院，河南 新鄉 453003)

0 引言

制圖作為機械類專業學生一門必修的技術基礎課，它需要學生具有一定的空間想象能力和邏輯思維形體表達能力。對于剛踏入校門的學生，他們大都缺乏一定的專業基礎知識和工程實踐經驗，空間形體思維能力相對薄弱，而且伴隨著課程難度的加深，往往會出現學生學習興趣低下，學習效果較差的現象。針對以上情形，國內外很多院校的制圖教學者對此進行了教學研究，并提出了很多行之有效的教學方法[1-4]?，F結合本校的具體情況，同時借鑒國內外制圖課程的教學改革經驗，把三維建模技術引入制圖教學中，對培養學生的綜合創新能力，以及提高學生空間立體的構型能力有良好的效果。

1 引入三維建模技術輔助制圖教學的必要性

機械類專業的學生入職后的工作大都與閱讀和繪制工程圖樣相關，因此，如何讀圖和繪圖是他們在校時必須要掌握的一項基本技能。對于傳統的制圖教學模式而言，在整個教學過程中，教師是主角。教師主要通過語言來組織整個教學環節，側重的是知識點的講解和傳授，不利于學生空間思維能力的提高。雖然在課堂上會有掛圖、實物模型等輔助教學工具，但是掛圖尺寸有限，不能兼顧所有學生能夠看到；而實物模型笨重，內部結構不能完全觸及，對實物的具體結構不能清楚了解。此外，教具數量少，借用登記麻煩，且每個學生能夠接觸到的時間很短。因此，這些客觀因素的存在限制了制圖課程教學質量的提高。

隨著教育技術學的發展，多媒體技術在課堂中的應用逐漸增多，這一技術的出現增加了課堂的生動性和趣味性，但是缺少挖掘形體構成與投影的對應關系分析，缺乏對同類結構的分析和總結[5-6]。后來，部分制圖教學者把AutoCAD應用在課堂教學中，借助該軟件進行二維視圖的講解。在教學過程中遇到的部分實物相對復雜，如果僅是通過引入AutoCAD的二維平面圖形進行分析講解，那么，該軟件的使用僅是提高了繪圖效率和繪圖質量、彌補了掛圖尺寸有限的缺點，但是對于空間思維能力相對較弱的同學而言，依然會出現理解困難的情形，不利于空間構型能力的提高和創造性的形象思維能力的提高，對制圖課程教學效果的提高有限。

目前，伴隨著計算機繪圖功能的日益強大，三維繪圖軟件生成的圖形清晰、直觀、修改方便，因此，三維繪圖軟件的應用越來越廣泛，在教學過程中引入三維繪圖軟件，模擬實物的形態，能清晰直觀地幫助學生建立空間構型能力。三維立體圖形的繪制都是在二維草圖的基礎上通過拉伸、旋轉、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的制圖基本技能，這同時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識規律，把三維建模技術引入到制圖教學中，輔助制圖教學，這是實現制圖教學改革的一個必然要求。它讓學生清晰直觀地理解了二維視圖的形成過程，幫助學生輕松實現了二維和三維之間的自由轉換，激發了學生的學習熱情，并取得了良好的教學效果。

2 三維建模技術在制圖教學中的作用

2.1 三維軟件的選擇

目前，機械設計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聯的，對模型的每一處修改都可實現其他模塊的同步更新，深受初學者的喜愛。學生課上課下都可以利用該軟件輔助讀圖、繪圖，易于培養學生的制圖情結，因此，教研室選用此軟件開展三維建模技術輔助制圖教學的研究。

2.2 三維建模技術與制圖課程的有機結合

三維建模技術將制圖教學和計算機繪圖技術結合起來，三維建模技術依托于二維工程圖學，二維繪圖技能需要學生具有較強的思維空間想象能力，而三維圖形輔助學生思維構型。三維建模技術成功應用到制圖教學中，實現了二者的深度融合，從而達到了事半功倍的效果，對學生空間形體想象力的提高有較大幫助，理論教學環節和實踐教學環節都取得了良好的教學效果。在近幾年的“高教杯”河南省以及全國大學生先進成圖技術與產品信息建模大賽中，河南工學院代表隊取得了省團體“特等獎”、個人“一等獎”以及全國“二等獎”等優異的成績。

2.2.1 促進課堂理論教學

機件表達法是制圖教學章節中的重點，也是難點，這些內容掌握的好壞將直接影響后面章節的學習，此外，對其他專業課程的學習也將產生一定的影響。本章內容的難點在于如何正確運用合適的表達方法表達一個機件。對于大部分學生來說，看到結構復雜的形體，往往會出現腦海迷茫，無從下手，更無法運用適當的表達方法想象出所對應的圖形。此時，傳統教學模式的缺點表現得比較突出，對教師來說講解起來非常困難，同時學生的聽課效果極差，導致學生學習興趣低下，最終也很難達到教學目標。

圖1 機件三維模型

制圖課堂引入的Solidworks三維繪圖軟件打破了傳統的黑板、掛圖、模型的傳統教學模式，實現了輕松的教學氛圍。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的講解。對照模型，首先，引導學生認真觀察立體外部結構形狀，想象出其對應的二維投影；其次，采用多種表達方法對模型進行剖切，讓學生清晰地看出其內部結構，同時想象出內部結構的投影；最后，用多種表達方式來表達實物的內、外部結構形狀，選出最優表達方案。這種新型的教學模式實現了復雜問題的簡單化，快速地化解難點，幫助學生在短時間內形象直觀地了解實物的內、外部結構。這種教學模式補償了學生空間想象力的不足，實現了三維和二維圖形之間的輕松轉換。

2.2.2 與實踐教學的有機融合

零部件測繪對新技術的交流、舊設備的改造與革新、零件的修配等都有重要作用，因此，工程技術人員必須要掌握該項基本技能。零部件測繪是制圖課程的一個重要的基礎性的實踐教學環節，它不僅是檢驗學生對所學理論知識的掌握程度、讀圖與繪圖的基本技能，而是檢驗學生運用所學基本理論知識來解決實際問題的能力。因此，作為應用型本科院校，機械類專業的學生需要掌握這項技能，為今后的工作打下堅實的理論和實踐基礎。

傳統的測繪課程是教師針對測繪零部件講解其結構特點、測量工具的使用方法以及測繪過程中需要注意的事項等。講解完畢，每組學生分一個模型，利用游標卡尺、卡鉗、千分尺等測量工具進行測量，徒手繪制圖樣，整理好后采用尺規作圖，最終完成零部件的測繪工作。整個測繪過程耗時較長，效率較低，圖紙質量一般。此外，由于高校不斷壓縮制圖課時，學生基本理論知識掌握得不夠牢固，在制圖測繪環節學生往往追求的是圖紙能否按時繪制完畢，能否取得學分，只是對著模型或者別的同學的圖紙進行模仿繪圖。在整個測繪過程中只體現出了學生手工作圖的能力，而對零件的工藝結構和尺寸標注的合理性，裝配體的工作原理、裝配路線、特殊表達方法的運用，以及裝配圖的尺寸標注等的運用與理解幾乎無人關注，制圖測繪的真正目的未能達到。伴隨著社會的發展，人們的環保意識逐漸增強，大部分企業都采用高效率的無紙化辦公。因此，測繪實踐教學環節需要減少尺規作圖的工作量，保留徒手繪圖，增加計算機繪圖，以適應時代的發展要求；同時也給老師和學生留出更多的時間去交流圖紙問題以及實物的加工、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，模擬實體的拆卸過程。與此同時，教師要求學生的拆卸進度與模擬拆卸進度保持一致。在拆卸過程中，引導學生體會已學知識，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，然后再添加動力，實現水泵的轉動，從而增加了測繪課堂的趣味性，激發了學生的學習興趣，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繪圖軟件帶有強大的工程圖模塊，教師鼓勵學生利用該模塊來實現二維工程圖紙的繪制，并且對于復雜的工件采用多種表達方案，最后通過對比選出最優方案。在測繪過程中讓學生反復的拆裝，體會出三維模型到二維圖紙的轉化過程，加深理解實體和投影視圖之間的轉換關系，很好地培養了學生在繪圖和識圖方面的能力。

3 結論

利用三維建模技術輔助制圖教學，實現了二維平面圖形和三維實體之間的自由轉換，尤其對于空間想象能力相對較弱的同學，經常會出現構型障礙。在整個教學過程中，以學生為主線，利用Solidworks三維繪圖軟件輔助復雜立體的繪制，實現了教師和學生之間的良好互動，增加了課堂的生動性和趣味性，提高了學生的制圖能力，激發了學生的學習熱情，這種教學模式深受學生的喜愛，完美地達到了教學目的，實現了良好的教學效果。