關(guān)于在機(jī)械制圖課程中引入共享虛擬模型庫(kù)的教學(xué)探討

王文靜，董玉德，段國(guó)奇

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

關(guān)于在機(jī)械制圖課程中引入共享虛擬模型庫(kù)的教學(xué)探討

王文靜，董玉德，段國(guó)奇

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

本文探討了《機(jī)械制圖》課程教學(xué)方法，從教學(xué)過(guò)程中的幾個(gè)難點(diǎn)出發(fā)，利用三維CAD軟件建立虛擬模型庫(kù)，改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，把先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)方法融入到傳統(tǒng)的課程中去，增強(qiáng)了學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，生動(dòng)、形象地將大量資源庫(kù)展示給學(xué)生，培養(yǎng)和發(fā)展了學(xué)生的觀察力和想象力，并且實(shí)現(xiàn)了資源共享，體現(xiàn)了模型庫(kù)帶來(lái)的教學(xué)優(yōu)越性。

機(jī)械制圖；三維模型庫(kù)；SolidWorks；教學(xué)；

制圖課程是工科院校普遍開(kāi)設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程。課程定位在培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力、圖形表達(dá)能力和計(jì)算機(jī)繪圖能力。制圖教學(xué)的關(guān)鍵是投影概念的建立，在長(zhǎng)期的工程制圖教學(xué)工作中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)機(jī)械制圖的學(xué)習(xí)有兩個(gè)突出的難點(diǎn)：一是立體圖形轉(zhuǎn)化為平面圖形，二是平面圖形轉(zhuǎn)化為立體圖形。解決這些問(wèn)題均需較好的空間想象能力。傳統(tǒng)的教學(xué)模式是借助于實(shí)物模型或掛圖，學(xué)生仍難以突破難點(diǎn)，且學(xué)習(xí)興趣不高。為了克服這些難點(diǎn)，我們利用合肥工業(yè)大學(xué)數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造研究中心建設(shè)的機(jī)械設(shè)計(jì)開(kāi)放式教學(xué)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)嘗試了用三維CAD軟件Solidworks來(lái)建立共享虛擬模型系統(tǒng)，利用三維軟件和計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)技術(shù)CAI相結(jié)合，使得整個(gè)制圖教學(xué)過(guò)程生動(dòng)形象，教學(xué)內(nèi)容直觀，并增強(qiáng)交互性，同時(shí)也為課程的教學(xué)改革提供了技術(shù)手段。

一、建立共享虛擬模型庫(kù)的目的

模型是機(jī)械制圖教學(xué)中不可缺少的工具，它可以幫助學(xué)生理解教學(xué)的內(nèi)容，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力，提高學(xué)生識(shí)圖的能力都起了非常重要的作用。現(xiàn)在有不少的學(xué)校還在延續(xù)傳統(tǒng)的教學(xué)方法，仍然用實(shí)物模型作為教學(xué)工具，這些模型體積大，不易攜帶，模型種類也有限，這些缺陷制約著制圖教學(xué)的發(fā)展，學(xué)時(shí)量不斷增加，教師講得口干舌燥，但效果不顯著。隨著三維CAD軟件的發(fā)展，我們?cè)诖似脚_(tái)上開(kāi)發(fā)了虛擬模型庫(kù)對(duì)制圖教學(xué)進(jìn)行補(bǔ)償并豐富傳統(tǒng)的實(shí)物模型。虛擬模型庫(kù)，就是用三維CAD軟件技術(shù)在計(jì)算機(jī)上建立形體的三維幾何模型庫(kù)，在組合體的教學(xué)中，用三維CAD虛擬模型使得原本枯燥的機(jī)械制圖課程形象生動(dòng)起來(lái)，使學(xué)生對(duì)一些抽象的概念通過(guò)三維實(shí)體模型獲得大量的感性認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

二、建設(shè)虛擬模型庫(kù)的方法

本虛擬模型庫(kù)采用Solidworks軟件制作，用計(jì)算機(jī)虛擬模型取代傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)物模型。Solidworks是由美國(guó)Solidworks公司推出的功能強(qiáng)大的三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，以其易用性、創(chuàng)造性成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。具有面向?qū)ο蟮膮?shù)特征，因此，非常適合教學(xué)需要。具體實(shí)施辦法為：

（一）構(gòu)筑制圖課程的教學(xué)體系，建設(shè)虛擬模型結(jié)構(gòu)圖

本課程在教學(xué)模式上采用主線式課程體系，由體到面，同時(shí)貫穿二維和三維并重的思想。如圖1所示，以三維造型技術(shù)為主線，以二維制圖基本投影為輔，融合基礎(chǔ)投影理論，課程自始至終貫穿著模型的空間立體與平面圖形相互轉(zhuǎn)化的思維訓(xùn)練。[1]

圖1 課程教學(xué)體系

模型室的結(jié)構(gòu)如圖2所示，將模型按特征組合，以便備課使用，同時(shí)也可以提供給學(xué)生自主學(xué)習(xí)。在教學(xué)過(guò)程中，教師可以根據(jù)教學(xué)需要分組設(shè)計(jì)不同的教學(xué)任務(wù)，每組學(xué)生根據(jù)自己的教學(xué)任務(wù)要求，從素材庫(kù)中調(diào)用零件模型，借助三維CAD軟件提供的測(cè)繪與裝配功能進(jìn)行零件建模以及裝配體建模，然后利用Solidworks軟件的工程圖功能進(jìn)行零件模型和裝配體模型的二維平面圖的繪制。這種以虛擬環(huán)境為背景的教學(xué)模式，有利于激發(fā)學(xué)習(xí)者的觀察力、發(fā)現(xiàn)力、想象力、邏輯聯(lián)想力，有利于認(rèn)知思維深化與發(fā)展，增強(qiáng)了培養(yǎng)分析與工程能力的力度，開(kāi)闊了學(xué)生的視野，極大提高了學(xué)習(xí)的趣味性與教學(xué)效率。[2][3]

圖2 三維造型模型庫(kù)結(jié)構(gòu)圖

（二）零件模型設(shè)計(jì)

復(fù)雜的零件都是以簡(jiǎn)單的零件建模為基礎(chǔ)的，而零件建模的基本組成單元?jiǎng)t是特征，主要包括草圖特征、放置特征、定位特征。草圖特征是從草圖幾何圖素創(chuàng)建的特征，如拉伸、旋轉(zhuǎn)等；放置特征是指不用繪制草圖，直接指定參數(shù)后確定其在零件中的位置即可創(chuàng)建特征，如各種孔、圓角、倒角、拔模、螺紋、陣列、鏡像等；定位特征是指輔助定位新特征，如基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)軸和點(diǎn)等基本幾何元素，這些幾何元素可作為其他幾何體構(gòu)建時(shí)的參照物，在創(chuàng)建零件的一般特征、曲面、零件的剖面以及裝配中起著重要作用。

（三）裝配模型設(shè)計(jì)

裝配建模是利用solidworks軟件將三維零件模型調(diào)入到裝配環(huán)境，然后定義零件間的配合關(guān)系，進(jìn)而來(lái)模擬實(shí)際裝配過(guò)程。裝配體模型設(shè)計(jì)分為自底向上和自上向下兩種設(shè)計(jì)方法或配合以上兩種方法產(chǎn)生裝配體。

自底向上的裝配方法主要是由已設(shè)計(jì)好各個(gè)零件、按各零件在裝配模型中的位置及配合要求直接裝配成符合設(shè)計(jì)意圖的設(shè)計(jì)模型的設(shè)計(jì)方法。各零件在裝配設(shè)計(jì)之前，設(shè)計(jì)者已有一個(gè)明確的設(shè)計(jì)思路，零件的尺寸大小、結(jié)構(gòu)形式、各零件之間的連接與定位方式已經(jīng)完全確定。設(shè)計(jì)者可將已設(shè)計(jì)好的零件運(yùn)用“插入/零部件/現(xiàn)有零件/裝配體”命令，將此零件插入到裝配體模塊中，并添加相關(guān)有效的配合關(guān)系，使零件在裝配模型中處于一個(gè)正確的位置。

自上向下的裝配方法是直接在裝配模型中利用已有零件的點(diǎn)、邊線或面等幾何要素，根據(jù)設(shè)計(jì)思路，在現(xiàn)有零件的面或基準(zhǔn)面上創(chuàng)建零件草圖，從而根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用合適的零件設(shè)計(jì)方法，在裝配圖中直接創(chuàng)建新的零件設(shè)計(jì)方法。

三、三維虛擬模型庫(kù)在教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例

傳統(tǒng)教學(xué)側(cè)重于二維制圖，教學(xué)規(guī)律“面體面”，這要求學(xué)生必須具備一定空間思維能力，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，很難通過(guò)二維視圖在腦海中清晰地勾勒出三維形體，若在教學(xué)中引入三維虛擬模型，強(qiáng)化三維造型形成二維視圖的過(guò)程，上面的問(wèn)題也就迎刃而解了，即教學(xué)規(guī)律調(diào)整為“體面體”。

（一）組合體視圖中的應(yīng)用

讀組合體視圖是制圖教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，教學(xué)中采用形體分析法和線面分析法，要求學(xué)生積極思考，充分想像，在頭腦中形成空間點(diǎn)、線、面，綜合起來(lái)想清楚組合體的整體形狀和各部分連接關(guān)系。教學(xué)中常常用切蘿卜、捏橡皮泥的方法來(lái)制作實(shí)物形體，幫助學(xué)生提高空間想像能力。但這種方法適用于簡(jiǎn)單形體，對(duì)于如圖3所示的復(fù)雜形體，根本制作不出來(lái)，而借助SolidWorks軟件構(gòu)建的模型，不管形體有多復(fù)雜，都能讓學(xué)生直觀地看出復(fù)雜的形體也是由一些圓柱體、長(zhǎng)方體、圓錐體、孔等簡(jiǎn)單的形體組成，如圖4所示。此外，還能利用SolidWorks強(qiáng)大的編輯功能改變組合體的位置和尺寸，來(lái)觀察相貫線的變化趨勢(shì)，如圖5所示。利用三維CAD軟件制作的虛擬模型，能表達(dá)組合體的組合形式，各個(gè)面、線的實(shí)際形狀以及各部分的連接關(guān)系并且能進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)變換和視圖定向，如圖6所示。使學(xué)生看清重點(diǎn)部分或細(xì)小結(jié)構(gòu)的形狀，讓他們自己分析各個(gè)視圖的形狀特征，逐步增加他們對(duì)視圖中線和框的感性認(rèn)識(shí)，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)了從空間到平面、從平面到立體的轉(zhuǎn)換，激發(fā)了學(xué)生的空間想像能力，幫助學(xué)生應(yīng)用線面分析法和形體分析法獨(dú)立分析視圖、讀懂視圖。[4][5]因此，學(xué)生覺(jué)得制圖課比以前生動(dòng)了許多，容易了許多，學(xué)習(xí)興趣也提高了。

（二）剖視圖中的應(yīng)用

剖視圖是機(jī)件的另一種表達(dá)方法，主要表達(dá)機(jī)件內(nèi)部的孔、槽。剖視圖的形成是假想用剖切面剖開(kāi)機(jī)件的，學(xué)生很難理解“假想”，弄不清剖視圖的形成過(guò)程、剖切平面的剖切位置，不知道哪些實(shí)體被剖切平面剖切，哪些地方要畫(huà)剖面線。例如，溢流閥主閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，僅僅依賴于投影原理去想象內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是抽象的模糊的。如果我們將三維CAD制作的溢流閥主閥模型從模型庫(kù)中抽調(diào)出來(lái)，如圖4和圖5，便能很好將三維模型展示，以幫助學(xué)生建立空間立體思維能力。[6]

使用SolidWorks軟件的剖切工具對(duì)零件模型選擇不同的位置進(jìn)行“剖切”，如圖5和圖7，分析剖切位置對(duì)剖視圖畫(huà)法的影響，從而加深對(duì)剖視圖畫(huà)法的認(rèn)識(shí)，同時(shí)還可以將零件模型生成工程圖，然后利用工程圖工具編輯，畫(huà)出相應(yīng)的剖切線，生成各種剖視圖。使用這樣的功能，對(duì)教師講課和學(xué)生學(xué)習(xí)有很大的幫助，不用費(fèi)很多課時(shí)就能很好地完成教學(xué)任務(wù)，達(dá)到事半功倍的效果。

圖3：溢流閥主閥

圖4：溢流閥主閥體模型

圖5：相貫線的變化圖

圖7：溢流閥不同位置剖視圖

（三）裝配圖中的應(yīng)用

裝配圖表示產(chǎn)品及其組成部分的連接、裝配關(guān)系的圖樣。機(jī)器或部件是由若干個(gè)零件按照一定的裝配關(guān)系和技術(shù)要求裝配而成的。裝配圖是進(jìn)行零件設(shè)計(jì)的依據(jù)，也是裝配、安裝、調(diào)試、檢驗(yàn)及其或部件的依據(jù)，是工程技術(shù)人員間進(jìn)行設(shè)計(jì)思想交流和生產(chǎn)過(guò)程中的重要技術(shù)文件。裝配圖的教學(xué)更顯得困難，學(xué)生缺乏實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)裝配圖的結(jié)構(gòu)、工作原理、零件間的裝配、連接關(guān)系及主要零件的結(jié)構(gòu)形狀都缺少感性認(rèn)識(shí)，教師總是在課堂上機(jī)械地講解裝配圖，學(xué)生沒(méi)有體驗(yàn)，接受難度大。SolidWorks強(qiáng)大的裝配模塊，把多個(gè)制作好的三維實(shí)體零件進(jìn)行模擬裝配。通過(guò)爆炸視圖，學(xué)生可了解到機(jī)械產(chǎn)品的零件組成情況、各零部件之間的裝配關(guān)系以及裝配體的結(jié)構(gòu)。[8]此外，通過(guò)產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)模擬，學(xué)生可了解到機(jī)械零件的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和工作原理，如圖8所示。

四、結(jié)束語(yǔ)

把三維軟件SolidWorks制作的共享虛擬模型庫(kù)應(yīng)用到機(jī)械制圖課程的教學(xué)中，使制圖教學(xué)與學(xué)科發(fā)展的前沿相結(jié)合，教學(xué)的方法、手段、內(nèi)容能反映學(xué)科的最新發(fā)展趨勢(shì)。教學(xué)手段的進(jìn)步促進(jìn)了學(xué)生多角度思維的融合，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散性和創(chuàng)造性思維的能力，更重要的是調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。主要體現(xiàn)在：

1、機(jī)械制圖虛擬模型庫(kù)，可以利用各種存儲(chǔ)介質(zhì)保存和攜帶，在使用中可以取代實(shí)物模型，在教學(xué)中獲得良好的視覺(jué)效果。

2、可以方便修改教學(xué)模型，及時(shí)補(bǔ)充符合新教學(xué)內(nèi)容的模型。針對(duì)不同的教學(xué)對(duì)象、教學(xué)要求調(diào)整現(xiàn)有的模型，充分滿足教學(xué)中對(duì)模型種類及數(shù)量的需要，節(jié)省了實(shí)物模型保管所需要的空間，可以達(dá)到資源共享，降低了教學(xué)成本。

3、利用先進(jìn)的三維設(shè)計(jì)技術(shù)創(chuàng)建的模型不僅精度高、質(zhì)感好、形象逼真、色彩豐富，還能將復(fù)雜形體的外型與內(nèi)腔、相貫體中相貫線的變化趨勢(shì)、裝配體中零件之間的連接關(guān)系充分地展示出來(lái)．加上動(dòng)畫(huà)效果，使教學(xué)中的知識(shí)難點(diǎn)更加清晰、生動(dòng)、形象。

4、機(jī)械制圖共享虛擬模型庫(kù)可以不受時(shí)空限制使用在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)當(dāng)中。模型庫(kù)中收集了大量典型零、部件的三維模型與二維工程視圖，采用了不同的表達(dá)方法。虛擬模型庫(kù)可以改變傳統(tǒng)教學(xué)的單調(diào)模式，轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，以學(xué)生為中心，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣讓學(xué)生由“見(jiàn)多”到“識(shí)廣”的轉(zhuǎn)變，有助于學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，從而提高學(xué)習(xí)效率。[9]

5、虛擬模型庫(kù)實(shí)現(xiàn)了資源共享的開(kāi)放式教學(xué)模式，促進(jìn)了教師教學(xué)水平和自身價(jià)值的提升。

[1]祝永健.基于Solidworks的機(jī)械制圖教學(xué)改進(jìn)與應(yīng)用[J].高教研究，2005，（23）:27-28.

[2]吳欣，徐建成，葛文慶.工程制圖中教學(xué)難點(diǎn)的“體驗(yàn)教學(xué)”設(shè)計(jì)[J].工程圖學(xué)報(bào),2008，(6)：139-143.

[3]段麗瑋，劉蘇.從大處著眼，從小處著手——談非機(jī)械類工程圖學(xué)教學(xué)改革[J].工程圖學(xué)報(bào)，2008，（6）:127-132.

[4]萬(wàn)靜，謝楊，和麗等.工程制圖虛擬模型室的建立和應(yīng)用[J].工程圖學(xué)報(bào)，2008，（4）:150-154.

[5]趙菊娣，國(guó)成林等.工程制圖虛擬模型室的開(kāi)發(fā)與研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2005，（5）：114-116.

[6]詹才浩.Solidworks應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社。2008，8.

[7]賀健琪.基于Solidworks開(kāi)發(fā)機(jī)械制圖虛擬模型庫(kù)[J].電腦開(kāi)發(fā)與應(yīng)用2008，(12):69-70.

[8]基于三維CAD技術(shù)的高職《機(jī)械制圖》教學(xué)研究[J].常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)2008，(4):57-59.

[9]江洪，吉維峰，運(yùn)用三維繪圖軟件SolidWorks改革工程圖學(xué)教學(xué)的實(shí)踐[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2004，(1):109-113.

G712

A

1671-5993（2011）01-0072-04

2011-03-03

王文靜(1970-)，女，安徽銅陵人，合肥工業(yè)大學(xué)在職研究生，安徽醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校講師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械原理與機(jī)械制圖CAD。