利用三維技術(shù)提高《機(jī)械制圖》的教學(xué)效果研究

王群山，劉美蘭，張秋云

(商水縣第二職業(yè)中專，河南 商水 466100)

利用三維技術(shù)提高《機(jī)械制圖》的教學(xué)效果研究

王群山，劉美蘭，張秋云

(商水縣第二職業(yè)中專，河南 商水 466100)

為了提高中等職業(yè)技術(shù)學(xué)校學(xué)生的機(jī)械制圖的教學(xué)效果，提高學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)能力，運(yùn)用現(xiàn)代技術(shù)-計(jì)算機(jī)三維技術(shù)，直觀生動(dòng)地展現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)中的平面到立體、立體到平面等難題，極大地提高了學(xué)生的理解能力與掌握程度，同時(shí)提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，最終提高了學(xué)生的專業(yè)知識(shí)和技能，改善了機(jī)械制圖的教學(xué)效果。

三維技術(shù)；機(jī)械制圖，建模技術(shù)

《機(jī)械制圖》是中等職業(yè)技術(shù)學(xué)校機(jī)械、數(shù)控技術(shù)等專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。既有系統(tǒng)的理論知識(shí)，又有實(shí)踐性較強(qiáng)的專業(yè)技能。它往往要求學(xué)生掌握繪圖的基本技能，掌握正投影的基本原理和表達(dá)空間形體的方法，既培養(yǎng)學(xué)生零部件三維空間的思維能力和想象能力，又培養(yǎng)學(xué)生讀圖和繪制機(jī)械工程圖樣的能力。由于中職學(xué)生的基礎(chǔ)薄、底子差，對知識(shí)的理解和運(yùn)用能力不強(qiáng)。教學(xué)設(shè)備落后，傳統(tǒng)的“黑板、粉筆、一張嘴”教學(xué)方法，已難以把現(xiàn)代學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性調(diào)動(dòng)起來。同時(shí)以考分考核為目的的教學(xué)手段也阻礙了學(xué)生對機(jī)械制圖等能力的培養(yǎng)，學(xué)生只能停留在理論的空洞想象中。這就造成很多學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械制圖普遍感覺很難，甚至有些學(xué)生有恐懼感。

筆者在長期的教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生們普遍存在空間想象能力不足，由平面圖形往往無法想象到具體的空間立體形狀。同時(shí)有些學(xué)生對所學(xué)知識(shí)的靈活運(yùn)用能力較差。因此如何把復(fù)雜的幾何問題簡單化及形象化一直是《機(jī)械制圖》教學(xué)的難點(diǎn)。筆者認(rèn)為教師應(yīng)該從機(jī)械制圖教學(xué)中遇到的難點(diǎn)作為突破口，運(yùn)用現(xiàn)代教育教學(xué)理念和計(jì)算機(jī)新技術(shù)引導(dǎo)學(xué)生，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高機(jī)械制圖的教學(xué)效果。

1 《機(jī)械制圖》教學(xué)的現(xiàn)狀

目前《機(jī)械制圖》教學(xué)多采用“粉筆——黑板——掛圖——模型”的傳統(tǒng)教學(xué)方法。盡管它通過手繪圖方式訓(xùn)練和提高了學(xué)生的理解和動(dòng)手能力，但是以教師為中心、填鴨式的單向教學(xué)嚴(yán)重制約著學(xué)生空間想象能力的培養(yǎng)。黑板做圖費(fèi)時(shí)費(fèi)力，重復(fù)勞動(dòng)多，課堂時(shí)間利用率不高；掛圖和模型單一，缺乏連續(xù)性，難以直觀準(zhǔn)確地表達(dá)立體，阻礙了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，教師與學(xué)生之間缺乏互動(dòng)，課堂氣氛呆板沉悶，不能讓學(xué)生參與進(jìn)來；老師照本宣科，只重理論不重實(shí)效，加上內(nèi)容枯燥，教材陳舊等等，這些都不利于培養(yǎng)學(xué)生的觀察判斷、空間想象、分析思維以及創(chuàng)新創(chuàng)造能力。不僅影響了教學(xué)效果，也難以實(shí)現(xiàn)素質(zhì)教育的目標(biāo)。因此，傳統(tǒng)教學(xué)手段已不能適應(yīng)現(xiàn)代制圖教學(xué)的形勢和要求，需要運(yùn)用現(xiàn)代三維新技術(shù)突破機(jī)械制圖教學(xué)難點(diǎn)，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，改善機(jī)械制圖的教學(xué)效果。

2 三維技術(shù)的優(yōu)勢及特點(diǎn)

三維技術(shù)就是使用三維CAD軟件工具對機(jī)械零部件的空間立體特征進(jìn)行直觀形象的建模分析技術(shù)。它非常適用于機(jī)械零部件圖的三維到二維的相互轉(zhuǎn)化，從而可以用來中職機(jī)械制圖的教學(xué)，以幫助中職生對該課程中難點(diǎn)的理解與認(rèn)識(shí)，更有利于提高他們的學(xué)習(xí)效果。目前在國內(nèi)使用較多的三維CAD軟件有CATIA、UG、Pro-E、Solidworks、Solidedge等，這些軟件的三維功能都很強(qiáng)大，基本上都能滿足機(jī)械制圖教學(xué)的使用。

這里主要以CATIA軟件為例，簡單介紹一下三維技術(shù)的優(yōu)勢及特點(diǎn)。使用CATIA軟件可以對零部件進(jìn)行三維實(shí)體建模、曲面造型、虛擬裝配、運(yùn)動(dòng)分析及工程圖轉(zhuǎn)化等，并且可以對各個(gè)模型或部件進(jìn)行渲染及動(dòng)態(tài)演示，可以極大地提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。通過對立體模型各部分剖視、旋轉(zhuǎn)、組合、拆分，可以鍛煉學(xué)生的形體分析法，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)和空間構(gòu)思能力。CATIA的建模模塊提供了草圖、曲線、拉伸/旋轉(zhuǎn)實(shí)體、拉伸/掃掠曲面等工具，可以設(shè)計(jì)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的實(shí)體和曲面。制圖模塊可以獲得與三維模型相對應(yīng)的二維圖，并且可以完成任意的剖視圖。同時(shí)，當(dāng)3D模型改變時(shí)，二維圖也會(huì)隨之更新。這兩個(gè)功能模塊在協(xié)助講解組合體以及機(jī)件的表達(dá)方法內(nèi)容時(shí)，能通過迅速改變實(shí)體的形狀，讓學(xué)生從各種不同的角度觀看和了解形體，提高學(xué)生視圖的分析能力。為了了解復(fù)雜裝配體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以利用三維CAD建立裝配體的爆炸圖，并且還可以添加約束以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。非常直觀地展示出裝配體中各零件之間的裝配約束關(guān)系，使學(xué)生進(jìn)行便于觀察與理解，這樣教學(xué)內(nèi)容清晰、生動(dòng)，極大地增強(qiáng)了學(xué)生感知和認(rèn)知。

3 三維技術(shù)在《機(jī)械制圖》教學(xué)中的應(yīng)用

用現(xiàn)代化手段來展示立體空間模型，使學(xué)生由三維立體形狀快速轉(zhuǎn)換到二維平面圖形的飛躍已成為教學(xué)的重要手段。用三維圖來解決二維圖的有關(guān)問題，形象直觀，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，是一個(gè)行之有效的方法。下面通過解決機(jī)械制圖教學(xué)過程中的重點(diǎn)難點(diǎn)，討論三維CAD技術(shù)在機(jī)械制圖教學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用。

（1）組合體的應(yīng)用舉例。此例考查組合體表面間的連接關(guān)系。組合體中各基本體間的表面連接關(guān)系一般分為相接、相切和相交幾種情況。此題考查了相接與相切。四個(gè)圖例顯示圓筒與底板均為相切，故無交線、難點(diǎn)，底板上放置的物體不同得到的交線也不一樣。如圖1所示。如果只是給學(xué)生說出答案，他們未必能掌握。而如果把幾個(gè)物體的三維圖并排放著，如圖2所示。讓學(xué)生認(rèn)認(rèn)真真找出它們之間細(xì)微的差別，反復(fù)比較它們之間的區(qū)別，學(xué)生就會(huì)清晰地記著，由于放置的物體不同，那么交線也會(huì)不一樣。這也培養(yǎng)了學(xué)生認(rèn)真負(fù)責(zé)的學(xué)習(xí)態(tài)度和一絲不茍的學(xué)習(xí)作風(fēng)。

圖2 組合體三維模型

（2）切割體的應(yīng)用舉例。此例在教科書上要求用線面分析法識(shí)讀壓塊三視圖。運(yùn)用線面分析法讀圖就是將視圖中的每一個(gè)線框看作物體上的一個(gè)面（平面或曲面）的投影，利用投影關(guān)系，在其他視圖上找到對應(yīng)的圖形，再分析這個(gè)面的投影特性（真實(shí)性、積聚性、類似性）。確定這些面的形狀，從而想象出物體的整體形狀。這個(gè)方法看似簡單，但大部分學(xué)生難以辦到。這類切割體在運(yùn)用線面分析法之前需要先進(jìn)行形體分析。如果進(jìn)行形體分析時(shí)就知道物體怎么切割的，并且能用三維圖表達(dá)出來，那么線面法就無用武之地，如圖3所示，由三視圖可知，其基本形體是一個(gè)長方體（如圖4所示），右部從上往下開有一個(gè)沉頭孔；由主視圖知，長方體左上方切掉一角；由俯視圖可知，長方體的左前方和左后方各切掉一塊；由左視圖知，長方體的下前方和下后方有各切去一個(gè)長條，如圖5所示。分析之后，如此這樣就可以畫出三維圖形了。用三維圖形不就比用線面分析更能引起學(xué)生的興趣和求知欲。再者，有了三維圖再去求證線面關(guān)系，如此反反復(fù)復(fù)學(xué)生不就掌握了嗎？

圖3 切割體壓板三視圖

圖4 切割體基本體

圖5 三維切割示意圖

（3）相貫線的應(yīng)用舉例。如圖6所示，五組視圖中左視圖相同，主、俯視圖位置排錯(cuò)，請把對應(yīng)的主、俯視圖連起來。此題主要考查的是相貫線，相貫線的作圖方法一般是輔助平面法。步驟：①求特殊點(diǎn)；②求一般點(diǎn)；③連接各點(diǎn)并判斷其可見性。雖然這個(gè)步驟很簡單，但是如果沒有三維圖讓學(xué)生憑空想象，大部分同學(xué)感到為難。而借助于三維圖卻能一目了然，如圖7所示。把這幾個(gè)三維圖放置在一起比較，學(xué)生能很直觀的理解圓柱與圓柱相貫為圓弧，圓柱與長方體相貫為錯(cuò)位線，且內(nèi)相貫與外相貫同理，況且有了三維圖，無論從哪個(gè)角度都可以觀察到相貫線的走勢是一樣，這為以后再碰見類似的題打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為圓筒壁上開圓孔或方槽打下了基礎(chǔ)。為此，學(xué)生會(huì)覺得輕輕松松就把相貫線給掌握住了，這也增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

圖6 相貫線的五組視圖

（4）剖視圖的應(yīng)用舉例。此例為三維圖形在剖視圖中的應(yīng)用，如圖8所示。剖視圖顧名思義假想把物體剖切開來看看內(nèi)部的形狀。在講解剖視圖時(shí)同學(xué)們?nèi)菀酌院囊话阌幸韵聨c(diǎn)：①不知道在什么地方畫剖面線；②不知道剖切的位置；③ 容易漏畫剖切面后面的可見輪廓線；④剖切后的虛線當(dāng)省不省。針對以上幾點(diǎn)，無論老師講解再清楚明白，學(xué)生還是難以接受。這時(shí)如果有三維圖形那就輕松多了。如此例，根據(jù)主俯視圖先讓學(xué)生想象出物體的形狀：半圓頭的長方底板，右邊U型的立板，切槽和鉆孔，左邊放置一個(gè)圓柱和長方體相連的一個(gè)物體，且切去一個(gè)和外形一樣的槽，在槽的下方還鉆了一個(gè)通孔，同時(shí)薄壁上前后各開了一個(gè)長方體槽，這時(shí)拿出三維圖形去印證學(xué)生的想象。如圖9所示。然后老師再清楚講解階梯剖的剖切位置，移去移除部分，將保留部分投影到W面，讓學(xué)生再想象還剩余什么，最后把剖切后的三維視圖展示給學(xué)生，如圖10所示，這樣學(xué)生就很容易掌握了剖視圖。在這一教學(xué)過程三維模型視圖起著至關(guān)重要的作用。

圖8 補(bǔ)畫全部左視圖

圖9 零件三維模型

圖10 零件的三維剖視圖

4 三維技術(shù)在機(jī)械制圖教學(xué)應(yīng)用引發(fā)思考

以上只是針對教學(xué)中的幾個(gè)例子作為分析，并不能以偏概全，并且零件圖和裝配圖更適合用三維圖去表達(dá)，在此不再一一舉例說明。通過這樣的題例可知，制圖教學(xué)并不是很難，只要用心。當(dāng)前是以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)為主體的信息技術(shù)飛速發(fā)展，知識(shí)經(jīng)濟(jì)、網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展的時(shí)代。作為教師也應(yīng)該更新教育觀念、教育模式、教學(xué)方式和教學(xué)手段，以便跟上時(shí)代發(fā)展的腳步，主動(dòng)探索各個(gè)學(xué)科應(yīng)該怎樣更好地契合當(dāng)前時(shí)代發(fā)展的需要，為國家培養(yǎng)更多更精的高技術(shù)人才。

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Research on Teaching Effect of“M echanical Draw ing“by Using 3-D Technology

WANG Qun-shan，LIU Mei-lan，ZHANG Qiu-yun
（Shangshui County Second Vocational Technical Secondary School，Shangshui，Henan 466100，China）

In order to improve the teaching effectofmechanical drawing of secondary vocational technical school，improve the students'ability，using themodern technology，computer three-dimensional technology，vividly visual plane to the threedimensional，three-dimensional to plane in traditional teaching，has greatly improved the students'ability in understanding and mastering of knowledge，at the same time improved the students'learning interest and enthusiasm，eventually improved the students'professionalknowledgeand skills，and the teaching effectofmechanicaldrawing.

3-D technology；mechanicaldrawing；modeling technology

G434

A

2095-980X(2016)08-0081-03

2016-06-29

2015年周口市職業(yè)教育教學(xué)改革項(xiàng)目，立項(xiàng)名稱.如何提高機(jī)械制圖的教學(xué)效果。項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)ZJ201508，項(xiàng)目主持人：王群山，主要成員：張秋云，劉美蘭

王群山（1973-），男，河南商水人，大學(xué)本科，主要研究方向：教研課題。