三維建模融入《工程制圖》課程教學改革與實踐*

魏劍

（三明學院 福建 三明 365000）

三維建模融入《工程制圖》課程教學改革與實踐*

魏劍

（三明學院 福建 三明 365000）

在計算機應用技術條件下，將三維建模融入到《工程制圖》課程是時代發(fā)展的需求。通過對現(xiàn)有教學體系和教學內(nèi)容進行改革，合理安排課時，處理二維圖形與三維模型的關系，可以更好地培養(yǎng)學生的工程圖學能力。

三維建模；工程制圖；教學改革

《工程制圖》是理工科的一門實踐性非常強的技術基礎課。隨著計算機技術的飛速發(fā)展以及CAD/CAM技術的應用和普及，學生除了要學習傳統(tǒng)工程制圖技能，還要學習計算機繪圖、三維建模等新知識。如何解決學時少、內(nèi)容多的矛盾，處理好二維圖形與三維模型的關系，更好地培養(yǎng)學生的空間思維能力就成為了工程制圖教學改革的方向。

傳統(tǒng)《工程制圖》課程體系

傳統(tǒng)《工程制圖》課程教學內(nèi)容由三大部分組成：一是畫法幾何，其核心內(nèi)容是學習投影理論，包括點、線、面和基本立體的投影特性及作圖方法、軸測投影和換面法，培養(yǎng)學生圖解簡單空間幾何問題的能力和空間想象力、空間分析能力。二是制圖基礎，其核心內(nèi)容是學習技術制圖標準、組合體與機件常用的基本表示法，培養(yǎng)學生繪制和閱讀投影圖的基本能力，掌握標注尺寸的基本方法。三是機械圖，其核心內(nèi)容是學習零件圖和裝配圖的有關知識。

三維數(shù)字化技術的現(xiàn)狀

在當今的經(jīng)濟與信息時代，3D技術的應用在迅速改變著人們的生活。目前，三維數(shù)字化技術應用在工業(yè)設計、工程設計、模具、數(shù)控、仿真等方方面面，傳統(tǒng)的制造業(yè)也發(fā)生了巨大變化。二維工程圖樣不再是工程界唯一的技術語言，應用三維CAD技術進行產(chǎn)品造型和設計分析是制造業(yè)今后發(fā)展的必然趨勢。

傳統(tǒng)工業(yè)產(chǎn)品的設計過程一般由三維設計構思、二維工程圖表達、讀圖還原三維實體模型、三維制造與裝配等步驟組成?，F(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的設計過程一般由三維設計構思、三維建模、三維分析計算、三維CAE/CAM組成。兩者最大的區(qū)別在于設計思想的表達，前者人為地增加了二維圖紙這一中間環(huán)節(jié)，而在二維圖形與三維模型的相互轉(zhuǎn)換過程中容易出現(xiàn)一些問題，可能影響設計思想和專業(yè)知識的表達。三維數(shù)字化技術的發(fā)展消除了二維與三維的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，且三維模型比二維工程圖更加符合人類的思維方式和設計習慣，可以更好地提高設計效率。

從我國制造業(yè)現(xiàn)狀來看，絕大多數(shù)企業(yè)已經(jīng)廢棄圖板，在產(chǎn)品的研發(fā)、分析等環(huán)節(jié)采用了三維技術，而最終的生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)仍將其轉(zhuǎn)換為二維圖形進行生產(chǎn)。二維工程圖和三維模型長期并存是我國制造業(yè)的現(xiàn)狀。工程制圖課程的定位、培養(yǎng)目標、課程體系、教學內(nèi)容以及教學手段都應不斷調(diào)整以適應時代發(fā)展對該課程的要求。

改革后的工程制圖課程體系

從我校培養(yǎng)應用型理工科人才的定位出發(fā)，結合非機類專業(yè)在后續(xù)課程中較少涉及機械類課程的特點，本課程的培養(yǎng)目標定位于：使學生具有一定程度的二維讀圖能力；具有三維造型的理論基礎，熟悉三維形體的形成過程，掌握較復雜形體的三維造型思路；加強徒手繪圖訓練；通過完成設定的教學項目了解實際工程項目在設計過程中的三維造型及工程圖的完成過程。在教學實踐中，根據(jù)畫法幾何和機械制圖學習的不同階段需要，穩(wěn)步引入三維建模內(nèi)容，進而形成完整的教學體系。以電子信息工程專業(yè)60學時工程制圖課程為例，教學內(nèi)容的設置和安排如表1所示。

表1 工程制圖課程教學計劃安排表

在畫法幾何的基本立體部分，我們引入草圖概念，對拉伸體、回轉(zhuǎn)體的形成及參數(shù)進行說明，使學生掌握三維實體造型的基本方法，對立體形成直觀認識。

截交線、相貫線是本課程的難點之一。通過三維建模，學生可以清楚地了解截交、相貫的概念以及各種位置下的截交線及相貫線的形狀。在教學過程中，我們以兩正交圓柱進行各種布爾運算為例，如圖1所示。雖然相貫體形狀不同，但相貫線形狀卻是相同的，通過動畫的形式表達，這種方式總結出來的投影規(guī)律更便于學生理解和掌握。

圖1 正交圓柱的相貫線圖

圖3 雙向構形想象圖

在制圖的基本知識中，我們將國家標準調(diào)整為學生自學內(nèi)容，將線型、尺寸的標注貫穿到立體的投影、組合體的三視圖、機件常用的基本表示法等章節(jié)中講解，圖數(shù)結合，以利于學生學習三維建模知識。

組合體一章是培養(yǎng)學生形象思維能力最關鍵的章節(jié)。我們通過開展單向、雙向、多向構形想象訓練，激活學生的想象與思維，拓寬學生思路，使學生將大腦沉積的表象進行全面的調(diào)動、整理，產(chǎn)生新的表象，如圖2、3、4所示。在此基礎上進行的組合體建模，有利于學生對組合體構形方法的掌握。

軸測圖在整個教學體系中起到二維和三維間相互轉(zhuǎn)換的橋梁作用，對教師徒手繪制立體圖有較高的要求。

機械圖部分比較簡單，均從三維造型入手，先認識標準件、常用件，再熟悉其工程圖畫法。應先掌握典型零件的造型分析思路，再學習零件圖；先熟悉裝配體的裝配順序，再由三維模型直接生成二維工程圖。

圖4 多向構形想象圖

教學實踐

在教學實踐中，采用的教學環(huán)節(jié)有課堂講授、習題練習、計算機上機操作、考核等。

（一）課堂講授

采用多媒體與板書相結合的方式，教師先使用PPT文檔中的三維模型以及二維圖樣，通過豐富的色彩和動畫演示刺激學生大腦接受信息，加深印象，然后關閉三維模型，顯示不完整的二維圖形，要求學生回憶三維模型的結構形狀，補畫完整三視圖；也可以給出物體的二維圖形，讓學生繪出物體的軸測圖，訓練學生的形象記憶能力。這種二維圖樣與三維模型的轉(zhuǎn)換訓練，能使學生豐富表象、強化記憶空間形體的結構形狀和二維圖樣的特點、激發(fā)大腦積極地思維。經(jīng)過反復訓練，學生能從三維形體特征和二維圖樣的表達特點中抽象出規(guī)律性的表象，這樣的表象積累，有利于培養(yǎng)學生的空間想象力。但多媒體課件中每幀畫面停留的時間和動畫過程難以與學生的反應速度相匹配，所以對于個別章節(jié)（如交叉直線的投影特性、相貫線的求法）應采用板書形式，講課的節(jié)奏要符合初學者的認知速度和思維習慣。多媒體與板書兩者不可偏廢，以求更好地滿足學生的實際需要，達到更好的教學效果。

（二）加強實踐

圖5 補畫組合體視圖所缺圖線圖

工程制圖的實踐內(nèi)容主要有課后作業(yè)、徒手繪圖和上機實踐，這些對于學生理解、消化課堂教學內(nèi)容，提高學生解決實際問題的能力，培養(yǎng)學生形象思維和邏輯思維相結合的思維方式極為重要，應根據(jù)學生知識水平和接受能力布置必做題和選做題。學生做完題目后需要得到及時反饋或真實的三維模型，計算機技術的發(fā)展使此項要求得以實現(xiàn)。在點、線、面投影部分的答案主要用Flash制作二維動畫，通過計算機演示功能將解題思路和步驟體現(xiàn)出來。其他章節(jié)的答案附加了三維模型及生成的二維工程圖。圖5為組合體三視圖的習題集練習答案。每周安排2課時輔導答疑，幫助學生解決學習過程中遇到的問題。

徒手繪圖可以在任何場合將自己的設計思想展現(xiàn)出來，所以即使在計算機普及的今天，徒手繪圖仍應作為重要的實踐環(huán)節(jié)而被保留。同時，要鼓勵學生選修AutoCAD2006、UG NX精彩建模、Solidedge三維實體設計等課程，引導學生參加由中國工程圖學會舉辦的全國CAD技能等級考證，以使學生達到職業(yè)教育“雙證制”（畢業(yè)證、職業(yè)技能等級證書）要求，增強就業(yè)競爭力。

（三）嚴格考核

筆試采用閉卷形式，重點考核畫法幾何、制圖基礎知識、組合體視圖補漏線或補視圖、機件的各種表達方法等內(nèi)容。計算機繪圖能力和三維造型能力的考核在選修課中進行。

結語

三維建模融入到傳統(tǒng)工程制圖課程，對本課程教學具有重要意義。學生通過計算機造型對圖形和形狀關系能形成較具體的認識，能激發(fā)學生的學習熱情。教學方法在保留部分內(nèi)容板書的前提下應更多采用多媒體教學形式。上述教學模式將計算機技術和圖形技術結合得更加緊密，符合現(xiàn)代三維設計過程，符合時代發(fā)展對工程制圖課程教學提出的要求，強化了對學生三維形象思維能力和邏輯思維能力的培養(yǎng)，有效地提高了學生的制圖能力。

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G712

A

1672-5727（2012）04-0169-02

三明學院教學改革項目《工科學生制圖技能等級考試培訓工作的研究與實踐》（項目編號：L0909/Q）

魏劍（1977—），女，山西平定人，碩士，三明學院講師，研究方向為機械CAD。