工程圖學(xué)立體化教材建設(shè)的研究與實(shí)踐

楊勇勤+陸載涵+劉桂紅

摘 要 文章介紹了工程制圖立體化教材的建設(shè)思路、內(nèi)容和特點(diǎn)，提出一種用計(jì)算機(jī)三維造型更新傳統(tǒng)畫法幾何的教學(xué)體系，用“構(gòu)型要素—立體—投影圖”的思維模式，取代原畫法幾何“立體—投影圖”的思維模式，用構(gòu)型要素、布爾運(yùn)算等現(xiàn)代設(shè)計(jì)思路分析基本幾何體、組合體、剖視圖、零件圖等的畫圖、看圖，拓寬了學(xué)生思路，化解了學(xué)習(xí)難點(diǎn)。教材的配套多媒體輔助教學(xué)系統(tǒng)中開發(fā)的“零部件拆裝和測(cè)繪”和 “構(gòu)型設(shè)計(jì)樂園”等內(nèi)容，豐富了教學(xué)環(huán)節(jié)和教學(xué)手段的多樣性，提高了工程圖學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 工程圖學(xué) 立體化教材 教材建設(shè)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2015.12.026

Research and Practice of Engineering Graphics

Stereoscopic Textbook Construction

YANG Yongqin[1]， LU Zaihan[2]， LIU Guihong[2]

（[1] Hubei University of Technology， Wuhan， Hubei 430068；

[2] Hubei University of Technology Engineering and Technology College， Wuhan， Hubei 430068）

Abstract This paper introduced the Engineering Drawing three-dimensional thinking of building materials， content and features， proposed a system of traditional teaching descriptive geometry update with three-dimensional computer modeling， with "configuration elements - perspective - projection" mode of thinking， to replace the original painting law geometrical "perspective - projection" mode of thinking， with modern design ideas analyzes configuration elements， Boolean operations and other basic geometry， assembly， cross-sectional view， part drawings and other drawing， pictures， broaden the students' thinking， to resolve the difficulties in learning . Textbooks supporting multimedia assisted teaching system developed "parts disassembly and mapping" and "Configuration Design Paradise" and other content， enrich the diversity of teaching and teaching methods， improving the quality of teaching engineering graphics course.

Key words engineering graphics； stereoscopic textbooks； textbook construction

工程圖學(xué)是工科各專業(yè)的通識(shí)類基礎(chǔ)課程，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，工程圖學(xué)教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)手段已發(fā)生了重大變化，而教材是教學(xué)改革成果的具體體現(xiàn)，又是進(jìn)一步指導(dǎo)教學(xué)改革的可操作性文件，因此，研究新的教材體系，編寫與時(shí)俱進(jìn)的工程圖學(xué)立體化教材，更好地為工程制圖教學(xué)服務(wù)，是當(dāng)前圖學(xué)教育工作者研究的課題之一。

1 工程圖學(xué)立體化教材建設(shè)思路

立體化教材應(yīng)立足于現(xiàn)代教育理念和現(xiàn)代信息技術(shù)平臺(tái)，為教學(xué)提供一種綜合性的教學(xué)資源，滿足教學(xué)需要，促進(jìn)教學(xué)改革。工程圖學(xué)立體化教材建設(shè)目標(biāo)是利用各種形式的教學(xué)資源，如紙質(zhì)教材、多媒體課件、習(xí)題解答、虛擬模型和虛擬實(shí)驗(yàn)等，將教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)思路等都匯聚其中，建成內(nèi)容豐富、形式多樣的綜合性教學(xué)資源系統(tǒng)，形成更大的教學(xué)能力，促進(jìn)教學(xué)改革和優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的共享。

2 立體化教材體系

由湖北工業(yè)大學(xué)等八所院校合編，北京理工大學(xué)出版社出版的立體化教材《工程制圖》對(duì)上述問題作了一些探索。該立體化教材由紙質(zhì)教材及配套習(xí)題集和多媒體教學(xué)系統(tǒng)組成，多媒體教學(xué)系統(tǒng)包括授課模塊、習(xí)題指導(dǎo)模塊、零部件拆裝和測(cè)繪模塊、構(gòu)型樂園模塊、備課與教案模塊、試題庫模塊等，現(xiàn)簡(jiǎn)介如下。

2.1 教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性

2.1.1 用拉伸體和回轉(zhuǎn)體拓寬傳統(tǒng)畫法幾何中的基本體

本教材提出一種用計(jì)算機(jī)三維造型更新傳統(tǒng)畫法幾何的教學(xué)體系，按計(jì)算機(jī)造型中最常用的造型方式將基本立體分為基本幾何體、拉伸體和回轉(zhuǎn)體，將生成拉伸體和回轉(zhuǎn)體的平面圖形稱為基圖。基圖不但可以是多邊形，還可是圓、組合線圖（由直線和曲線組成的平面圖形）及布爾運(yùn)算圖等。①因此引入拉伸體和回轉(zhuǎn)體可以擴(kuò)大畫法幾何基本體的內(nèi)涵，拓寬學(xué)生思路。

2.1.2 改變思維模式

本教材中提出了一種構(gòu)型要素圖示法：用構(gòu)型要素的實(shí)形投影來給定空間形體。拉伸體基圖上任一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡稱為拉伸線，給定拉伸體基圖和任一拉伸線的實(shí)形投影，則可以確定該拉伸體的空間位置和形狀，因此基圖和任一拉伸線的實(shí)形投影是拉伸體的構(gòu)型要素。同理基圖和回轉(zhuǎn)軸線的實(shí)形投影是回轉(zhuǎn)體的構(gòu)型要素。由此提出了一種新的觀點(diǎn)：空間形體不僅可以用幾何元素（點(diǎn)、線、面）確定，也可以用構(gòu)型要素確定。了解構(gòu)型要素和三面視圖的關(guān)系是畫圖與看圖的重要基礎(chǔ)。

如圖1所示，給出了構(gòu)型要素基圖A和基圖B及其任一拉伸線的投影a''，b''，則可以完全確定兩個(gè)拉伸體的空間形狀和相對(duì)位置，并畫出三視圖。這種構(gòu)型要素圖示法將原畫法幾何教學(xué)模式中立體到投影圖的思維模式，改為構(gòu)型到立體再到投影圖的思維模式。

圖1 由基圖和拉伸線構(gòu)造空間形體

在學(xué)習(xí)基本立體時(shí)我們讓學(xué)生設(shè)計(jì)構(gòu)型要素，或根據(jù)給定的構(gòu)型要素畫出三視圖。在學(xué)習(xí)組合體時(shí)讓學(xué)生分析構(gòu)成組合體的基本體的構(gòu)型要素和布爾運(yùn)算方式。在閱讀組合體視圖、零件圖和裝配圖時(shí)引導(dǎo)學(xué)生從視圖中找出構(gòu)型要素，根據(jù)構(gòu)型要素構(gòu)思出組合體或零件的結(jié)構(gòu)形狀。在視圖表達(dá)方案討論時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)基本立體的構(gòu)型要素確定視圖數(shù)量，和檢查視圖表達(dá)是否完整。

2.1.3 引入布爾運(yùn)算化解教學(xué)難點(diǎn)

組合體的讀圖是傳統(tǒng)教學(xué)中主要難點(diǎn)之一，通過基圖得到拉伸體和回轉(zhuǎn)體并進(jìn)行相應(yīng)的布爾運(yùn)算，則可化解組合體讀圖的難點(diǎn)。如閱讀圖2a所示的組合體時(shí)，在主視圖中找出基圖1，在俯視圖中找出任一拉伸線a，學(xué)生能立即構(gòu)思出如圖2（b）所示拉伸體；同理在主視圖中找出基圖2，在俯視圖中找出拉伸線b，可構(gòu)思出第二個(gè)拉伸體；在俯視圖中找出基圖3，在主視圖中找出拉伸線c，可構(gòu)思出第三拉伸體（圖2c）。再通過布爾運(yùn)算中的并集和差集1+2-3就能構(gòu)造出空間形體（圖2d）。圖2e為1、2、3三個(gè)基圖。

（a）已知條件 （b）拉伸體1

（c）拉伸體3 （d）三維形體 （e）基圖

圖2 組合體讀圖

2.2 教學(xué)環(huán)節(jié)和教學(xué)手段的多樣性

為滿足教師進(jìn)行多媒體課堂教學(xué)和學(xué)生自主學(xué)習(xí)的需要，研制了和教材配套的《工程制圖多媒體輔助教學(xué)系統(tǒng)》。系統(tǒng)主要采用Flash作編輯工具和主要素材制作工具，可生成普通版和網(wǎng)絡(luò)版。該系統(tǒng)不但有常規(guī)的“授課模塊”、“習(xí)題指導(dǎo)模塊”，還增加了用于教師備課的“備課與教案模塊”，用于考試的“試題庫模塊”，用于教學(xué)環(huán)節(jié)的“零部件拆裝和測(cè)繪模塊”，用于學(xué)生課外自學(xué)和拓寬知識(shí)的“構(gòu)型設(shè)計(jì)樂園模塊”。

“試題庫模塊”用AutoCAD制作，便于教師組合生成自己的考題?！皞湔n與教案模塊”為可改編的PPT文件，便于教師根據(jù)自己的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和安排改編成自己的教案。

零部件測(cè)繪是工程圖教學(xué)過程中很重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，根據(jù)實(shí)際教學(xué)常用的部件測(cè)繪，采用三維制作技術(shù)，建立虛擬三維零部件繪圖環(huán)境，設(shè)計(jì)了大量的彩色動(dòng)畫，以形象、生動(dòng)、直觀的形式解析拆繪工作的全過程，展示了實(shí)際工作的思維、步驟和總體工作要領(lǐng)，與生產(chǎn)實(shí)際過程緊密連接，并設(shè)計(jì)出虛擬拆裝時(shí)能對(duì)學(xué)生的操作是否正確進(jìn)行自動(dòng)判斷和自動(dòng)評(píng)分的智能系統(tǒng)。拓寬了學(xué)生知識(shí)面、開發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。

本模塊由兩大部分組成：虛擬部件測(cè)繪和模擬測(cè)試。

零部件測(cè)繪包括：測(cè)量工具、齒輪減速器、安全閥、千斤頂、齒輪油泵。

減速箱等其他幾個(gè)部件都是機(jī)械行業(yè)最典型的零部件，每一項(xiàng)里面都包括7類選項(xiàng)：（1）拆卸部件；（2）了解裝配關(guān)系，分析工作原理；（3）繪制裝配示意圖；（4）編寫零件明細(xì)表；（5）用膠紙?jiān)诹慵腺N上編號(hào)；（6）測(cè)繪零件；（7）根據(jù)零件草圖畫裝配圖。

部件拆裝模擬測(cè)試包括滑動(dòng)軸承、快換鉆套、千斤頂?shù)哪M拆裝。在子目錄下測(cè)試分為：拆裝成績(jī)、正確次數(shù)、錯(cuò)誤次數(shù)、總得分、總扣分，錯(cuò)誤一次扣5分，界面中間有部件立體圖，界面下面有資料庫、實(shí)驗(yàn)說明、裝配圖、零件組裝、投影組裝、拖動(dòng)組裝、返回等按鈕選擇。

部件拆裝模擬測(cè)試是要學(xué)生看懂裝配圖后，在虛擬的彩色裝配體上拆卸出指定的零件，操作方法是學(xué)生用光標(biāo)點(diǎn)擊需要拆卸的零件，點(diǎn)擊時(shí)會(huì)彈出“拆錯(cuò)了，扣5分，請(qǐng)繼續(xù)努力”或“你真棒！得分”的小漫畫。

在構(gòu)型設(shè)計(jì)樂園模塊中有構(gòu)型要素素材庫，學(xué)生可以點(diǎn)擊屏幕右側(cè)的一系列構(gòu)型要素代碼，彈出不同的要素，再逐步構(gòu)造出基本體，繪制出該基本體的三視圖。也有基本體素材庫，學(xué)生點(diǎn)擊相關(guān)代碼，彈出不同的基本體，并拖動(dòng)基本體組合成不同相對(duì)位置的組合體。還有不同形狀的法蘭盤、底板、上蓋等機(jī)械零件要素，可構(gòu)造出不同的機(jī)械零件。

構(gòu)型設(shè)計(jì)教育是一種關(guān)于創(chuàng)造的教育。形體的構(gòu)型設(shè)計(jì)是創(chuàng)造性設(shè)計(jì)的重要表達(dá)形式?；跇?gòu)型設(shè)計(jì)工程圖學(xué)課程的教學(xué)目標(biāo)是：培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性構(gòu)型設(shè)計(jì)的能力。這是學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要形式之一，也是培養(yǎng)學(xué)生工程素質(zhì)的關(guān)鍵。②

3 結(jié)束語

本立體化教材引入計(jì)算機(jī)三維造型方法更新傳統(tǒng)畫法幾何的教學(xué)體系，用“構(gòu)型要素—立體—投影圖”的思維模式，取代原畫法幾何“立體—投影圖”的思維模式，用構(gòu)型要素、布爾運(yùn)算等現(xiàn)代設(shè)計(jì)思路分析基本幾何體、組合體、剖視圖、零件圖等的畫圖、看圖。拓寬了學(xué)生思路，化解了學(xué)習(xí)難點(diǎn)。教材的配套多媒體輔助教學(xué)系統(tǒng)中開發(fā)了“零部件拆裝和測(cè)繪”和 “構(gòu)型設(shè)計(jì)樂園”等內(nèi)容，豐富了教學(xué)環(huán)節(jié)和教學(xué)手段的多樣性，拓寬了學(xué)生的知識(shí)面，引導(dǎo)學(xué)生強(qiáng)化空間概念，增強(qiáng)構(gòu)形能力。

注釋

① 陸載涵，張向華等.工程制圖[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2010：1-125.

② 陳錦昌，陳熾坤等.基于構(gòu)型設(shè)計(jì)的工程圖學(xué)教學(xué)體系的探討[J].北京：工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2006（5）：130-132.