融合式引入三維幾何建模的教學(xué)研究與實(shí)踐

王 靜, 劉 煬， 孟冠軍， 湯傳玲， 李學(xué)京

（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

從國(guó)內(nèi)外的工程圖學(xué)教學(xué)改革和實(shí)踐來看，將三維幾何建模引入教學(xué)是工程圖學(xué)學(xué)科發(fā)展的必然趨勢(shì)，清華大學(xué)童秉樞教授把工程圖學(xué)中引入三維幾何建模的方式分為融合式和分段式，將引入后的教學(xué)模式分為主線式、分段式和獨(dú)立式，并歸納了各自的特點(diǎn)[1]。林清夫?qū)θN教學(xué)模式進(jìn)行了進(jìn)一步的比較和分析，并指出三種模式都存在一定的優(yōu)勢(shì)和不足[2]。由于分段式和獨(dú)立式的教學(xué)模式將傳統(tǒng)工程圖學(xué)和三維幾何建模分階段或獨(dú)立的教學(xué)，時(shí)間上相隔較久，易陷入軟件操作學(xué)習(xí)的層面，并不能很好地將三維幾何建模有機(jī)地融合到工程圖學(xué)教學(xué)中。而主線式的教學(xué)模式以三維形體為主線，以融合的方式將三維幾何建模貫穿于教學(xué)全過程，同時(shí)貫徹二、三維并重的思想。筆者曾對(duì)Inventor軟件在工程圖學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用做過一些研究[3–4]，現(xiàn)再基于此軟件，對(duì)工程圖學(xué)中融合式引入三維幾何建模的教學(xué)方法進(jìn)行研究，構(gòu)建了基于Inventor軟件建模流程的融合式引入三維幾何建模的工程圖學(xué)框架，指出了引入三維幾何建模過程中的要點(diǎn)，并經(jīng)過初步教學(xué)實(shí)踐，教學(xué)效果良好。

1 融合式引入三維幾何建模的工程圖學(xué)框架

在研究Inventor軟件中三維幾何建模的一般方法和流程的基礎(chǔ)上，將建模過程中涉及到的步驟與傳統(tǒng)工程圖學(xué)中的知識(shí)點(diǎn)相融合，建立起了基于Inventor軟件的工程圖學(xué)教學(xué)環(huán)境，構(gòu)建了融合后的工程圖學(xué)框架，如圖1所示。

圖1 基于Inventor的融合式引入三維幾何建模的工程圖學(xué)框架

2 融合式引入三維幾何建模的要點(diǎn)及舉例

2.1 融合式引入三維幾何建模的原則

融合式引入三維幾何建模必須以工程圖學(xué)教學(xué)體系的完整性為前提、以工程圖學(xué)教育既定的能力培養(yǎng)為目標(biāo)、以圖學(xué)思維教學(xué)與訓(xùn)練為主導(dǎo)、以建模思想為輔助的手段，切忌滑入“逐一系統(tǒng)介紹工具”的誤區(qū)[5]。

2.2 著重引入三維幾何建模思想

目前，市場(chǎng)上存在眾多的三維幾何建模軟件且層出不窮，但大部分軟件是基于特征和參數(shù)化的，建模思想如出一轍，在授課過程中應(yīng)結(jié)合工程圖學(xué)知識(shí)點(diǎn)逐步引入三維幾何建模的思想。如在點(diǎn)、直線和平面的投影中引入約束概念；在基本立體、截交線和相貫線中引入特征的概念、參數(shù)化變量化思想等。

例如，可在Inventor草圖環(huán)境中通過不完全幾何約束建立一般位置平面三面投影展開圖，如圖2(a)所示，通過用鼠標(biāo)拖動(dòng)平面的頂點(diǎn)以實(shí)時(shí)地調(diào)整為各種位置平面（如圖2(b)所示的水平面），也可觀察現(xiàn)有的約束情況（如圖2(c)所示），在這個(gè)過程中學(xué)生不僅可以觀察各種位置平面的投影，也體驗(yàn)了幾何約束的概念，再通過上機(jī)課習(xí)題練習(xí)（如圖2(d)所示）進(jìn)行強(qiáng)化，實(shí)現(xiàn)約束概念和二維草圖技術(shù)的引入。

又如在教授基本立體、截交線和相貫線時(shí)，通過改變Inventor中fx表內(nèi)的參數(shù)值；或用工程圖與三維幾何模型間的雙向關(guān)聯(lián)，在工程圖中通過改變由“檢索尺寸”所獲得的尺寸，各視圖中相貫線會(huì)進(jìn)行同步變化，使參數(shù)化思想得以引入，如圖3中的兩圓柱筒相貫。

圖2 Inventor中基于幾何約束的平面投影展開圖示例

圖3 Inventor工程圖中通過改變“檢索尺寸”的視圖示例

2.3 徒手繪圖、尺規(guī)繪圖和三維幾何建模并重

徒手繪圖在零部件設(shè)計(jì)的初始階段，在調(diào)研和現(xiàn)場(chǎng)交流的思想表達(dá)，在設(shè)計(jì)靈感的及時(shí)記錄等方面有著重要的應(yīng)用；尺規(guī)繪圖對(duì)培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的工作作風(fēng)有著非常重要的作用。因此，在引入三維幾何建模的同時(shí)，不能忽視或減少徒手繪圖和尺規(guī)繪圖的訓(xùn)練，應(yīng)在教師授課和學(xué)生課后練習(xí)中同步進(jìn)行。

例如，針對(duì)組合體或零件測(cè)繪課，可以在Inventor中將模型的工程圖和立體圖排列在同一窗口中，利用“模型特征樹”對(duì)尺規(guī)繪圖過程及建模步驟進(jìn)行實(shí)時(shí)演示和講解，如圖4所示。要求學(xué)生首先將組合體或零件的軸測(cè)圖徒手繪出，接著使用尺規(guī)繪圖將其三視圖繪出，然后在隨后的上機(jī)課中進(jìn)行三維幾何建模并生成工程圖，最后對(duì)三者進(jìn)行比較，排除錯(cuò)誤。

2.4 注重軟件規(guī)則與制圖國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的融合

工程圖樣的繪制必須遵守現(xiàn)行的制圖國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，而學(xué)生對(duì)這些規(guī)定的重視程度往往不夠。三維幾何建模軟件中工程圖的創(chuàng)建有其自身的算法和規(guī)則，而有一些地方與我國(guó)制圖國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)存在不一致的情況，如字體、圖線、尺寸樣式、縱剖肋板按不剖處理及裝配圖中實(shí)心桿件不剖的規(guī)定畫法等，這就需要對(duì)工程圖進(jìn)行變通處理。而對(duì)工程圖處理的講解可以使學(xué)生對(duì)我國(guó)制圖國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有更深入認(rèn)識(shí)和掌握，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了軟件規(guī)則的處理與制圖國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的融合，圖5為在Inventor中經(jīng)過處理后符合國(guó)標(biāo)的工程圖示例。

圖4 Inventor中演示組合體三視圖繪制及三維幾何建模步驟示例

圖5 Inventor中處理后符合國(guó)標(biāo)的工程圖示例

3 融合式引入三維幾何建模的實(shí)踐效果

經(jīng)過對(duì)我校四個(gè)機(jī)械類班級(jí)的教學(xué)改革試點(diǎn)，在融合式的教學(xué)基礎(chǔ)上再輔以上機(jī)指導(dǎo)課，試點(diǎn)班的學(xué)生在構(gòu)形、表達(dá)、讀圖和制圖能力及期末考試成績(jī)等方面都明顯好于同年級(jí)的其他班級(jí)。圖6示例了部分學(xué)生在Inventor中完成的作業(yè)。另外，我們從試點(diǎn)班中選派了6位同學(xué)參加了第二屆“高校杯”全國(guó)大學(xué)生先進(jìn)圖形技能及創(chuàng)新大賽，獲得了團(tuán)體一等獎(jiǎng)和多項(xiàng)個(gè)人全能及單項(xiàng)一等獎(jiǎng)的好成績(jī)。

圖6 學(xué)生在Inventor軟件中完成的部分作業(yè)示例

4 結(jié)束語

引入三維幾何建模技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)工程圖學(xué)課程教學(xué)改革的熱點(diǎn)和趨勢(shì)，而融合式的引入方式是對(duì)傳統(tǒng)工程圖學(xué)教育的一次變革，無疑會(huì)形成新的工程圖學(xué)教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)過程。筆者基于Inventor軟件對(duì)融合式引入三維幾何建模的教學(xué)進(jìn)行了研究，經(jīng)過實(shí)踐表明：融合式的引入方法不僅可以起到輔助教學(xué)作用，也使學(xué)生基本掌握了三維幾何建模的方法和技巧。

值得一提的是，在對(duì)機(jī)類和近機(jī)類專業(yè)采用融合式引入三維幾何建模的教學(xué)中，應(yīng)該注意和處理好下面幾個(gè)問題：

（1）融合式引入三維幾何建模后的工程圖學(xué)教學(xué)，可以使得課程講解變得更加生動(dòng)和直觀，但必須注意引入的適時(shí)性和適量性。

（2）傳統(tǒng)的工程圖學(xué)內(nèi)容，如面面相交、角度及距離的度量和換面法等，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力和邏輯思維能力方面有著非常重要的作用，不能因?yàn)槿诤狭巳S幾何建模后把原有內(nèi)容全部刪除；相反，可以借助軟件的可視性和參數(shù)化的特性輔助學(xué)生思維能力的培養(yǎng)。這需要處理好課程內(nèi)容的增減與學(xué)時(shí)數(shù)之間的關(guān)系。

（3）在工程圖學(xué)中引入三維幾何建模后，應(yīng)該有相應(yīng)的配套教材和習(xí)題集。目前，我們的試點(diǎn)教學(xué)采用傳統(tǒng)工程圖學(xué)與Inventor軟件兩類書籍并用的方式，而與新的課程體系相適應(yīng)的教材正在積極編寫中。

[1]童秉樞, 易素君, 徐曉慧. 工程圖學(xué)中引入三維幾何建模的情況綜述與思考[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報(bào), 2005,26(4): 130-135.

[2]林清夫. 引入三維幾何建模的工程圖學(xué)教學(xué)模式分析與比較[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 27(4): 148-152.

[3]王 靜, 劉 虹, 湯傳玲, 等. 使用Inventor軟件開發(fā)工程圖學(xué)虛擬模型庫[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報(bào), 2008,29(增刊1): 100-104.

[4]王 靜, 劉 焜, 程久平, 等. Inventor在工程圖學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用探索[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 30(1):136-142.

[5]戴立玲, 盧章平. 工程圖學(xué)與基本CAD應(yīng)用技術(shù)融入式教學(xué)體系的研究探討[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報(bào), 2006,27(6): 116-120.