以三維建模為基礎(chǔ)的機(jī)械制圖教學(xué)改革實(shí)踐研究

杜 昕

（陸軍勤務(wù)學(xué)院，重慶 401311）

0 引言

一直以來(lái)，機(jī)械制圖的課程教學(xué)將重點(diǎn)與目標(biāo)放在畫(huà)圖與讀圖上，教學(xué)中要求學(xué)生先學(xué)畫(huà)幾何，將點(diǎn)、線以及面于各投影面當(dāng)中的關(guān)系理清，再學(xué)習(xí)如何畫(huà)零件圖和裝配圖，致使很多學(xué)生在學(xué)習(xí)機(jī)械制圖時(shí)比較吃力、學(xué)得枯燥，甚至對(duì)于學(xué)習(xí)失去興趣，教學(xué)質(zhì)量低下。近年來(lái)，隨著三維CAD（Computer Aided Design，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）軟件的推出，機(jī)械制圖課教學(xué)的重點(diǎn)與目標(biāo)已經(jīng)從原來(lái)的讀圖與畫(huà)圖，逐步轉(zhuǎn)為機(jī)械零件的三維（3-Dimension，3D）建模設(shè)計(jì)上，零件的三維造型已經(jīng)成為了機(jī)械制圖教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容，這一轉(zhuǎn)變使得學(xué)生在學(xué)習(xí)中得到了更多的樂(lè)趣與靈感，有效促進(jìn)了學(xué)生創(chuàng)新思維與創(chuàng)新活力的培養(yǎng)。

1 基于三維建模的機(jī)械制圖教學(xué)計(jì)劃改革

1.1 二維/三維草圖繪制基礎(chǔ)操作教學(xué)

這部分操作需6 個(gè)學(xué)時(shí)便可完成，教師教會(huì)學(xué)生相關(guān)軟件的基礎(chǔ)操作，例如：何使用二維草圖繪制工具，草圖的添加和刪除，畫(huà)圖的基本指令、比較常用的快捷鍵、圖形的修復(fù)及快速繪制圖畫(huà)的技巧等，讓學(xué)生充分意識(shí)到學(xué)會(huì)二維草圖繪制是學(xué)習(xí)三維建模的基礎(chǔ)，任何三維模型都是通過(guò)二維草圖的拉伸、切除、旋轉(zhuǎn)、掃掠以及放樣等構(gòu)建出來(lái)的[1]。

1.2 零件特征建?；痉ń虒W(xué)

教師需要教會(huì)學(xué)生正確使用所有與零件特征建模相關(guān)的建模命令，讓學(xué)生了解產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)均是零件建模，而零件模型又是以特征為基礎(chǔ)。零件建模如同“積木”，需要先構(gòu)建出可以將零件基本形狀反映出來(lái)的特征，再以此為基礎(chǔ)特征將其他特征一一加入，例如拉伸、旋轉(zhuǎn)、倒角以及圓角等，要讓學(xué)生知道機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)并非憑空想象出零件圖投影關(guān)系，而是需要以零件具體的特征開(kāi)展三維建模。因此，需要通過(guò)更多的典型機(jī)械零件模型實(shí)例開(kāi)展建模教學(xué)，并通過(guò)實(shí)例激發(fā)學(xué)生對(duì)于三維建模的興趣，提升學(xué)習(xí)效率[2]。

1.3 三維建模軟件當(dāng)中的裝配體基礎(chǔ)操作教學(xué)

教師需要指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)把單個(gè)構(gòu)建出來(lái)的三維模型零件，在裝配體當(dāng)中依據(jù)各個(gè)零件之間同軸、相切以及重合等配合關(guān)系組裝起來(lái)，使其構(gòu)成完整產(chǎn)品。教學(xué)時(shí)，教師可以采用干涉檢查的命令與用關(guān)鍵零部件透明顯示等方法，對(duì)總裝中的各個(gè)子零部件實(shí)際的裝配位置進(jìn)行控制，讓學(xué)生充分學(xué)習(xí)到三維模型裝配的基礎(chǔ)技能，為以后的生成裝配圖學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)[3]。

1.4 三維建模軟件中的工程圖生成教學(xué)

工程圖是一個(gè)產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計(jì)以及制造過(guò)程中必不可少工具，雖然當(dāng)前的三維設(shè)計(jì)技術(shù)水平明顯提升，但是三維模型并不能完全將設(shè)計(jì)的參數(shù)表達(dá)出來(lái)，例如加工需要的尺寸精度、幾何公差以及表面的粗糙程度等，依舊需要通過(guò)二維工程圖進(jìn)行表達(dá)。因此，采用三維零件模型進(jìn)行工程圖的創(chuàng)建，也必須要加入到現(xiàn)代機(jī)械制圖課教學(xué)當(dāng)中，通過(guò)先建模再進(jìn)行機(jī)械零件圖生成的方式開(kāi)闊學(xué)生的思路，培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力，并以此掌握零件實(shí)際的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外表特征，再經(jīng)由三維建模軟件的生成標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范生成完整的機(jī)械零件圖。三維建模軟件擁有強(qiáng)大的工程圖生成功能，同時(shí)具備了與我國(guó)國(guó)標(biāo)的繪圖模板與標(biāo)注符號(hào)以及各類(lèi)輔助視圖工具，可以讓學(xué)生通過(guò)較為簡(jiǎn)單的工程圖環(huán)境設(shè)置，在最短的時(shí)間內(nèi)生成與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范相符的機(jī)械零件圖[4]。

1.5 三維建模與機(jī)械制圖結(jié)合教學(xué)

在這部分課程的教學(xué)中，教師需要先為學(xué)生構(gòu)建一個(gè)三維零件模型，再讓學(xué)生依據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)自己生成機(jī)械零件圖，指導(dǎo)正確地將零件模型以及零件圖的方式表達(dá)出來(lái)，例如：通過(guò)半剖或者全剖將零件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)表達(dá)出來(lái)；對(duì)于比較細(xì)微的結(jié)構(gòu)則以放大局部的方式表達(dá)；某一個(gè)非正面方向的外觀輪廓?jiǎng)t采用方向視圖表達(dá)，這些表達(dá)方式都能將相關(guān)知識(shí)更直觀地表達(dá)出來(lái)，讓學(xué)生更快理解。之后給學(xué)生提供一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范零件圖，讓學(xué)生通過(guò)三維建模軟件構(gòu)建出對(duì)應(yīng)的三維零件模型；或者讓學(xué)生依據(jù)實(shí)物模型，進(jìn)行測(cè)量后構(gòu)建三維模型，以這種由三維零件模型轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械零件圖繪制，再將機(jī)械零件圖轉(zhuǎn)變成為三維模型構(gòu)建；由實(shí)物模型至三維數(shù)字模型的構(gòu)建等逆向訓(xùn)練與結(jié)合的方式實(shí)施教學(xué)的改革，全面提升學(xué)生的機(jī)械繪圖技能。

1.6 全面改革考核方式

目前，大部分的機(jī)械制圖專(zhuān)業(yè)考核依舊還是以紙質(zhì)試卷為主，但是教學(xué)模式已經(jīng)發(fā)了改變，如果考核方法不變，考核方式就失去了原有的公平性與有效性。因此，在課程教學(xué)生結(jié)束后，可以將傳統(tǒng)的筆試考核轉(zhuǎn)變?yōu)樯蠙C(jī)考核，通過(guò)下面3 種形式開(kāi)展考核。

（1）給學(xué)生提供紙質(zhì)正等測(cè)圖，并將尺寸標(biāo)注出來(lái)，讓學(xué)生運(yùn)用三維建模軟件構(gòu)建出三維模型，以此對(duì)學(xué)生的三維建模軟件操作熟練程度進(jìn)行考核[5]。

（2）給學(xué)生提供紙質(zhì)零件圖，讓其運(yùn)用三維建模軟件構(gòu)建出三維模型，對(duì)學(xué)生的在機(jī)械零件圖方面的讀圖能力進(jìn)行考核。

（3）給學(xué)生提供三維數(shù)字模型，讓其依據(jù)規(guī)范生成正確的機(jī)械零件圖，對(duì)學(xué)生是否能夠使用三維建模軟件進(jìn)行正確的機(jī)械零件圖繪制能力進(jìn)行考核，通過(guò)全方位的考核方式在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的同時(shí)，提高學(xué)生的實(shí)踐能力。

2 以三維建模為基礎(chǔ)的機(jī)械制圖教學(xué)內(nèi)容改革

2.1 對(duì)教學(xué)的順序進(jìn)行改革

為了與學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律相符，機(jī)械制圖課程教學(xué)應(yīng)該轉(zhuǎn)變先三維、后二維的教學(xué)順序，將三維建模課程引入到教學(xué)內(nèi)容中，由體起始，先三維之后再投影，同時(shí)注重三維造型能力與二維繪圖能力教學(xué)，加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生的空間思維，多進(jìn)行三維建模與徒手草圖的訓(xùn)練，補(bǔ)充工程圖標(biāo)注和注釋?zhuān)嫣嵘虒W(xué)效率[6]。

2.2 對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行全面優(yōu)化

（1）將實(shí)用性低的圖解圖示、基本體與組合體的手工尺規(guī)尺寸標(biāo)注、標(biāo)準(zhǔn)件與較為常用件尺規(guī)作圖等教學(xué)辦容刪除，簡(jiǎn)化截交線與相貫線于企業(yè)當(dāng)中的表示，只介紹其具體的走向便可。

（2）保留制圖的基礎(chǔ)規(guī)定、圖樣基本表示法、標(biāo)準(zhǔn)件與常用件識(shí)讀內(nèi)容、零件圖與裝配圖的測(cè)繪內(nèi)容等無(wú)關(guān)工具的內(nèi)容，增加最新的學(xué)科發(fā)展動(dòng)態(tài)、最先進(jìn)的CAD 技術(shù)以及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定內(nèi)容，加入徒手進(jìn)行草圖與軸測(cè)圖繪制等技能教學(xué)。

（3）補(bǔ)充更多的新知識(shí)，隨著現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)于三維設(shè)計(jì)的要求，教師內(nèi)容應(yīng)該加入更多的三維實(shí)例分析與構(gòu)型，通過(guò)三維建模的介入增強(qiáng)學(xué)生的圖形意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生以職業(yè)能力作為本位的觀念，同時(shí)注重學(xué)生產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝知識(shí)的教學(xué)，增強(qiáng)學(xué)生的三維分析與表達(dá)能力；加入圖學(xué)相關(guān)的技能考證，將“學(xué)、證”融為一體[7]。

3 以三維建模為基礎(chǔ)的機(jī)械制圖教學(xué)方法改革

3.1 以體切入，通過(guò)認(rèn)知模型的建構(gòu)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

“體”是日常生活中最為常見(jiàn)的，因此，機(jī)械制圖教學(xué)可以將體作為切入點(diǎn)，由認(rèn)知模型入手，讓學(xué)生在深入了解構(gòu)型的過(guò)程中，深化其對(duì)于設(shè)計(jì)表達(dá)的理解，讓學(xué)生學(xué)會(huì)相同圖形通過(guò)不同的構(gòu)型可以構(gòu)建出不同的模型。例如，長(zhǎng)方形經(jīng)過(guò)拉伸構(gòu)型后可以構(gòu)成長(zhǎng)方體，經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)構(gòu)型則又可以成為圓柱體。相同模型，又可以通過(guò)不同的形狀進(jìn)行構(gòu)型，例如圓柱體，可以進(jìn)行圓拉伸構(gòu)型，也可通過(guò)長(zhǎng)方形的旋轉(zhuǎn)完成構(gòu)型，提醒學(xué)生在構(gòu)型時(shí)必須以先草圖、后立體，盡量簡(jiǎn)化構(gòu)型步驟為原則。通過(guò)體切入，由認(rèn)知模型開(kāi)始完成構(gòu)型的方法，將機(jī)械零件具體的成型過(guò)程更清晰的展現(xiàn)出來(lái)，提高學(xué)生設(shè)計(jì)和表達(dá)能力[8]。

3.2 從認(rèn)識(shí)圖紙開(kāi)始，增強(qiáng)學(xué)生的視圖表達(dá)能力

在實(shí)際教學(xué)中，教師首先要教會(huì)學(xué)生正確認(rèn)識(shí)圖紙，讓學(xué)生對(duì)于視圖與尺寸的關(guān)系有一個(gè)正確的認(rèn)識(shí)，例如圖形的結(jié)構(gòu)特征是前后對(duì)稱(chēng)，底部沿左至右方向挖槽，從右邊俯視可見(jiàn)挖槽方向，而主視圖可以將底座的外形輪廓反映出來(lái)，故只需要對(duì)主視圖輪廓進(jìn)行拉伸，就可以實(shí)現(xiàn)底座主體的建模，由左視圖可定形尺寸，進(jìn)行左邊的建模；再依據(jù)俯視圖的右邊定形尺寸與定位尺寸，進(jìn)行底座右邊位置建模，最后完成上、下挖槽和左、右挖槽建模即可。

4 結(jié)束語(yǔ)

總之，要實(shí)現(xiàn)基于三維建模的機(jī)械制圖課程的全方位教學(xué)改革，需要從教學(xué)計(jì)劃、教學(xué)方法以及教師內(nèi)容等方面入手。只有通過(guò)完善的教學(xué)計(jì)劃、創(chuàng)新的教學(xué)方式以及豐富實(shí)用的教學(xué)內(nèi)容，全面激發(fā)學(xué)生對(duì)于機(jī)械制圖的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與活力，才能增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力與解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)出具有超高創(chuàng)新精神的綜合實(shí)用型人才。