三維建模對(duì)學(xué)習(xí)機(jī)械知識(shí)的能力的培養(yǎng)研究

【摘要】三維建模即利用三維繪圖軟件，把給出的二維平面圖繪制成三維空間立體模型，再進(jìn)一步的話(huà)，可以將擬建好的三維模型生成二維平面圖。這種操作，可以大大提高學(xué)生繪制二維平面圖、閱讀二維平面圖和三維空間想象能力，了解機(jī)械結(jié)構(gòu)及其作用。這對(duì)高職學(xué)生后續(xù)課程學(xué)習(xí)及以后工作打下良好基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】三維建模；國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；繪圖能力；空間想象力

1.引言

工科機(jī)械專(zhuān)業(yè)高職學(xué)生在學(xué)習(xí)機(jī)械知識(shí)時(shí)，鑒于其初學(xué)以及對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)沒(méi)有感性認(rèn)識(shí)，加之自身基礎(chǔ)較差，學(xué)習(xí)中往往存在很多困難，久而久之就會(huì)導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的下降，課堂教學(xué)效果變差。三年高職學(xué)習(xí)下來(lái)后，在校學(xué)習(xí)的內(nèi)容就忘得所剩無(wú)幾了，這給以后工作及學(xué)生以后發(fā)展帶來(lái)很多阻礙。利用什么方法，可以在主要專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)前，使學(xué)生先行接觸一些機(jī)械零部件及其常識(shí)，在產(chǎn)生一定的感性認(rèn)識(shí)后，再進(jìn)行后續(xù)課程的學(xué)習(xí)，以提高學(xué)習(xí)效果，是擺在每一個(gè)職業(yè)教師面前的一大難題。筆者在三維建模教學(xué)中，不僅僅教授三維建模知識(shí)，而是在三維建模的同時(shí)有意識(shí)的對(duì)機(jī)械知識(shí)進(jìn)行教學(xué)，發(fā)現(xiàn)對(duì)學(xué)生獲得機(jī)械感性知識(shí)及后續(xù)課程學(xué)習(xí)有很大幫助。

2.運(yùn)用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，提高機(jī)械制圖作圖能力

高職機(jī)械專(zhuān)業(yè)學(xué)生，其中一項(xiàng)職業(yè)能力就是要求學(xué)生能熟練運(yùn)用機(jī)械制圖方法，完成符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械圖樣。然而，由于傳統(tǒng)教學(xué)方式中的某些缺憾，學(xué)生畢業(yè)后往往不能拿出一張合符標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械圖，主要表現(xiàn)是學(xué)生對(duì)機(jī)械制圖國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)掌握不好，如線(xiàn)型運(yùn)用不對(duì)，表達(dá)方法不好，標(biāo)注不符合規(guī)范等。在三維建模教學(xué)中，有意識(shí)的讓學(xué)生對(duì)實(shí)體建模后，利用軟件可以快速自動(dòng)生成二維平面工程圖的功能，要求學(xué)生還要生成一張標(biāo)準(zhǔn)的二維平面圖。在這個(gè)過(guò)程中，當(dāng)學(xué)生出現(xiàn)不符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的情況時(shí)，及時(shí)的、一對(duì)一的指出并要求其修正。在教學(xué)實(shí)踐中，一般一次課作一次這樣的練習(xí)，經(jīng)過(guò)一個(gè)學(xué)期64學(xué)時(shí)的反復(fù)訓(xùn)練、強(qiáng)化，學(xué)生基本上能對(duì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)熟練運(yùn)用，如一幅標(biāo)準(zhǔn)圖樣的格式，包括圖框格式、標(biāo)題欄格式及明細(xì)表的格式與填寫(xiě)等，各種線(xiàn)型的正確運(yùn)用，各種表達(dá)方法如視圖、斜視圖、局部視圖及剖視圖的運(yùn)用等，各種簡(jiǎn)化畫(huà)法和正確的標(biāo)注及其含義都能較好的掌握。這給后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定了很好的基礎(chǔ)，作圖能力大大提高。

3.三維空間想象能力的提高

人們常說(shuō)，機(jī)械圖樣是工程界的“語(yǔ)言”，機(jī)械設(shè)計(jì)、加工、檢驗(yàn)以及裝配，都依據(jù)二維機(jī)械圖這樣的“語(yǔ)言”進(jìn)行交流。熟練、正確的閱讀機(jī)械圖樣，是每一個(gè)工科機(jī)械類(lèi)學(xué)生必須具備的基本技能。在閱讀機(jī)械圖樣時(shí)，三維空間想象能力至關(guān)重要，如果缺乏空間想象能力，不僅繪制不好機(jī)械圖，就是讀懂機(jī)械圖也十分困難，這對(duì)空間能力差一些的學(xué)生來(lái)說(shuō)就更是如此。要完成這一任務(wù)，必須對(duì)學(xué)生進(jìn)行由空間到平面，由平面到空間，再空間到平面……，如此反復(fù)訓(xùn)練方可完成，這種做法，也是符合人類(lèi)對(duì)一事物的認(rèn)識(shí)規(guī)律的。

要提高學(xué)生識(shí)圖的空間想象能力，僅靠機(jī)械制圖課程來(lái)完成這一任務(wù)相當(dāng)困難。只有較少的學(xué)生能閱讀簡(jiǎn)單機(jī)械圖樣，而多數(shù)學(xué)生不能正確閱讀，若機(jī)械圖樣更復(fù)雜一點(diǎn)，則看懂的人就少之又少了。

CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)，由于其軟件本身易學(xué)易用的特點(diǎn)，三維建模的學(xué)習(xí)，用少量的時(shí)間就可以完成基本操作，然后主要是各種建模。較好的做法是，初期學(xué)習(xí)時(shí)，給出的是具有立體感的軸測(cè)圖，要求學(xué)生對(duì)其建模，這一階段主要是訓(xùn)練其三維軟件命令的用法；爾后給出的則是由易到難的平面圖，要求學(xué)生對(duì)其建模，這除了進(jìn)一步熟悉命令外，更重要的作用是進(jìn)行空間想象力的訓(xùn)練。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生首先要讀懂二維平面圖，如果他有些沒(méi)搞懂，他會(huì)思考、探索，同學(xué)間會(huì)交流，若還有問(wèn)題，就會(huì)問(wèn)老師，通過(guò)老師講解，以及后來(lái)繪制出的三維模型，他會(huì)明白二維平面圖對(duì)應(yīng)的三維模型的真實(shí)情況，在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生還會(huì)反復(fù)的觀(guān)察、比對(duì)二維平面圖和三維空間模型，以期發(fā)現(xiàn)它們的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律。這一過(guò)程，實(shí)質(zhì)就是由平面到空間，由空間到平面的反復(fù)再現(xiàn)。經(jīng)過(guò)若干次的反復(fù)訓(xùn)練，不斷的對(duì)大腦進(jìn)行刺激，三維模型投影的二維平面圖形狀及二維平面圖對(duì)應(yīng)的三維模型，就會(huì)在其頭腦中形成條件反射，讀圖能力得到很大提高，即便是難一些的平面圖，通過(guò)其思考，推敲和比較，調(diào)動(dòng)其大腦中儲(chǔ)存的相關(guān)信息，也能正確的把三維形狀想象出來(lái)。

自2008級(jí)開(kāi)始，我校機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)在機(jī)械制圖課程，均開(kāi)設(shè)了CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)，進(jìn)行三維建模教學(xué)，從實(shí)際的教學(xué)效果看，學(xué)習(xí)了三維建模的學(xué)生，其讀圖能力遠(yuǎn)超在沒(méi)有進(jìn)行這方面訓(xùn)練的學(xué)生，讀圖正確率達(dá)到90%以上，空間想象能力大大提升。

4.對(duì)掌握機(jī)械零件結(jié)構(gòu)的影響

真實(shí)的機(jī)械零件與機(jī)械制圖中教授的機(jī)械模型，存在很多區(qū)別。這主要是由于毛坯生產(chǎn)、機(jī)械加工或是裝配工藝的原因，導(dǎo)致實(shí)際零件與模型有差異。在三維建模的學(xué)習(xí)中，作為練習(xí)的平面圖，一般都是零件圖，學(xué)生在練習(xí)建模時(shí)，會(huì)接觸到如退刀槽，砂輪越程槽，中心孔，沉孔，盲孔，拔模斜度等等機(jī)械零件中的常用工藝結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)對(duì)于沒(méi)有進(jìn)行建模的而言，其形狀和作用往往是模糊的，就算是通過(guò)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)，也不一定能掌握好，并且可能會(huì)因此影響到后續(xù)課程學(xué)習(xí)中更為重要的知識(shí)的接收。通過(guò)三維建模，學(xué)生接觸到了這些結(jié)構(gòu)，并把它繪制了出來(lái)，對(duì)這樣的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一個(gè)真實(shí)的印象，它的作用也搞得明明白白，甚至象箱體類(lèi)零件中用于加工定位的工藝孔，裝配時(shí)為保證上下箱體準(zhǔn)確對(duì)齊的用于定位的孔也都清清楚楚，并能把它們和連接上下箱體的螺孔區(qū)別開(kāi)來(lái)。

由此可見(jiàn)，通過(guò)不斷接觸，仔細(xì)推敲，動(dòng)手操作，其機(jī)械常識(shí)在此構(gòu)建，教師在后續(xù)課程教授過(guò)程中，涉及這些時(shí)，就不會(huì)因?yàn)檫@些“細(xì)枝末節(jié)”的東西，成為學(xué)生學(xué)習(xí)上的障礙，學(xué)生就會(huì)有更進(jìn)一步的時(shí)間去掌握更為重要的、當(dāng)時(shí)需要掌握的知識(shí)。

5.提高裝配體的閱讀能力及了解機(jī)構(gòu)工作原理

在機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械維修時(shí)，經(jīng)常需要由裝配圖拆畫(huà)零件圖；在生產(chǎn)過(guò)程中，我們也常常需要閱讀部件裝配圖；在高職學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)中，如講液壓閥，或是機(jī)械加工設(shè)備等都要閱讀裝配圖。裝配體的閱讀要求是了解部件的構(gòu)造、性能、工作原理，裝配關(guān)系和拆裝方法，讀懂各主要零件的結(jié)構(gòu)形狀及在裝配體的作用。裝配圖的閱讀能力如何，在很大程度上影響其后續(xù)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課和專(zhuān)業(yè)課的學(xué)習(xí)效果。在后續(xù)課程學(xué)習(xí)中，往往講述的是機(jī)械部件的性能及工作原理，這是建立在學(xué)生已經(jīng)掌握了裝配圖閱讀，或是教師默認(rèn)學(xué)生已經(jīng)了解裝配圖的構(gòu)造的基礎(chǔ)上的。然而，如果學(xué)生前期課程學(xué)習(xí)得不好，沒(méi)能把裝配圖讀懂，則教師的授課目的就達(dá)不到。因此，能否讀懂裝配圖就非常重要。

如何才算真正的讀懂了裝配圖，教師怎樣才能知道學(xué)生讀懂了裝配圖，如果能否正確拆畫(huà)零件圖，或是能將裝配體的零件進(jìn)行三維建模，就算是真正的讀懂了。

CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)提供了將三維零件裝配成部件的功能，其裝配是否正確，或是裝配體在運(yùn)行時(shí)是不是會(huì)發(fā)生問(wèn)題，該軟件還提供了干涉檢查及仿真動(dòng)畫(huà)的功能。

在CAXA三維建模中，學(xué)生根據(jù)教師給出的裝配圖，先繪制三維零件圖，再利用軟件提供的裝配功能，將其裝配成部件裝配圖，如果通過(guò)了仿真動(dòng)畫(huà)的試運(yùn)轉(zhuǎn)檢查，那么說(shuō)明閱讀的裝配圖沒(méi)有問(wèn)題，否則就會(huì)有，這就會(huì)促使學(xué)生再次仔細(xì)推敲，是哪里出錯(cuò)了，以便進(jìn)行修改。如此反復(fù)，學(xué)生的裝配圖閱讀能力就會(huì)大大提高，為以后學(xué)習(xí)掃清障礙。

在裝配體中，還涉及裝配結(jié)構(gòu)的合理性問(wèn)題，如兩零件接觸面在同一方向上只允許有一對(duì)面接觸；軸上零件的定位與固定；方便拆裝的結(jié)構(gòu)、操作空間等。教師若能在學(xué)生作裝配練習(xí)時(shí)，將涉及到的這方面的問(wèn)題進(jìn)行講解，則會(huì)因?yàn)橛兄庇^(guān)的“實(shí)物”，而使空洞的問(wèn)題變得實(shí)在，易于理解，在其后續(xù)課程學(xué)習(xí)中遇到這些，它已經(jīng)不是問(wèn)題了。

教師在學(xué)生三維建模中，如果有意識(shí)的對(duì)裝配體的工作原理進(jìn)行講解，學(xué)生還會(huì)建立起根據(jù)裝配圖初步了解其工作原理的能力。

6.結(jié)語(yǔ)

三維建模在學(xué)生大量接觸機(jī)械知識(shí)之初，就使其在虛擬的空間中接觸機(jī)械零件及部件，并且通過(guò)其自身的努力，對(duì)零件加以大量的想象，通過(guò)建模，將想象中的實(shí)體再現(xiàn)出來(lái)，使其理解國(guó)家機(jī)械制圖標(biāo)準(zhǔn)，建立三維空間想象力，理解零件結(jié)構(gòu)及部件裝配方面有很大幫助。不僅如此，學(xué)生在學(xué)習(xí)三維建模過(guò)程中，還會(huì)培養(yǎng)其獨(dú)立思考的能力，自主探索的能力，學(xué)習(xí)接受新知識(shí)的能力；更可以激發(fā)其學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性；另一個(gè)重要影響是，確立了他學(xué)好新東西的自信心，解決問(wèn)題和戰(zhàn)勝困難的信心。這些對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，都是終身受益的。所以，在機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)中開(kāi)設(shè)三維建模課程，其意義不僅在于三維建模本身，而更在于其背后所挖掘出來(lái)的學(xué)生潛力，所教給他的解決問(wèn)題的一般性思維方法。

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作者簡(jiǎn)介：何發(fā)偉（1964—），男，重慶永川人，工學(xué)學(xué)士，重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，長(zhǎng)期從事機(jī)電專(zhuān)業(yè)教學(xué)及機(jī)械設(shè)計(jì)研究。