利用UG技術(shù)加強(qiáng)《機(jī)械制圖》課堂教學(xué)的探索

李寶軍，毛敬濤，武永巨

（德州學(xué)院職教學(xué)院，山東德州 253023）

Unigraphics NX（簡(jiǎn)稱(chēng)UG）是當(dāng)前世界上最頂級(jí)、最先進(jìn)和緊密集成的面向制造行業(yè)的CAD/CAE/CAM高端軟件。由于其強(qiáng)大的設(shè)計(jì)、分析、制造和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的功能，國(guó)內(nèi)外許多企業(yè)都將它作為首選軟件。在我國(guó)的航天、航空、飛機(jī)、汽車(chē)、家用電器等領(lǐng)域也得到了廣泛的使用。

UG軟件，它基于完全的三維實(shí)體復(fù)合造型、特征建模、裝配建模技術(shù)，能設(shè)計(jì)出任意復(fù)雜的產(chǎn)品模型，再加上技術(shù)上處于領(lǐng)先地位的CAM模塊、內(nèi)嵌的CAE模塊，使CAD、CAE和CAM有機(jī)集成，使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析和制造一次完成。其三維建模和制圖模塊非常有益于《機(jī)械制圖》的實(shí)踐教學(xué)。

1 利用UG，建立3D虛擬模型庫(kù)

3D虛擬模型庫(kù)相對(duì)于傳統(tǒng)的實(shí)物模型庫(kù)，有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.1 經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)

3D虛擬模型庫(kù)的建立只需要教學(xué)人員進(jìn)行微機(jī)操作就能很快的建立起來(lái)，可以說(shuō)是“零成本”。這樣可以減少實(shí)物模型的數(shù)量，減少不必要的支出，節(jié)約教育成本。

1.2 靈活性優(yōu)勢(shì)

實(shí)物模型的種類(lèi)與數(shù)量是制造廠家設(shè)計(jì)好的，且數(shù)量上都是有限，而教材的變化較大，這使其很難完全滿足教學(xué)的要求。而3D虛擬模型庫(kù)可以由教學(xué)人員根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的要求很靈活的“制造”出需要的“模型”，從而使細(xì)膩模型庫(kù)不斷的在補(bǔ)充和擴(kuò)大，可以較好的服務(wù)課堂教學(xué)。

1.3 強(qiáng)直觀性優(yōu)勢(shì)

實(shí)物模型一般尺寸相對(duì)較小，離講臺(tái)較遠(yuǎn)的同學(xué)很難看清楚實(shí)物模型的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，這卻給課堂教學(xué)效果帶來(lái)了一定影響。這些同學(xué)往往只能在下課后，再近距離觀察實(shí)物模型，以彌補(bǔ)課上無(wú)法看清的缺憾。

3D虛擬模型可以通過(guò)UG進(jìn)行任意的放大、移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，使每一個(gè)同學(xué)都可以看清楚模型的每個(gè)細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)。

1.4 可復(fù)制性

3D虛擬模型可以任意復(fù)制。我們把虛擬模型庫(kù)上傳到網(wǎng)站上，這樣學(xué)生可以在課下的任何時(shí)間，進(jìn)行下栽和學(xué)習(xí)。

2 利用UG，加強(qiáng)學(xué)生空間想象力的培養(yǎng)

在機(jī)械制圖的教學(xué)中，對(duì)學(xué)生的要求主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是讀圖能力要強(qiáng)；二是繪圖能力要過(guò)硬。讀圖能力包括：在平面和立體幾何的基礎(chǔ)上，熟悉投影關(guān)系知識(shí)，再通過(guò)專(zhuān)項(xiàng)讀圖訓(xùn)練來(lái)重點(diǎn)提高由平面圖形轉(zhuǎn)向三維實(shí)體的空間想象能力，我們稱(chēng)之為2D→3D模式。繪圖能力包括：在掌握機(jī)械制圖基礎(chǔ)知識(shí)與有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)后，通過(guò)實(shí)物練習(xí)等方式來(lái)表達(dá)三維實(shí)體的平面表達(dá)能力，我們稱(chēng)之為3D→2D模式。由此兩點(diǎn)可見(jiàn)，空間想象力既是本課程的一個(gè)重要培養(yǎng)目標(biāo)，更是學(xué)好本課程的一個(gè)重要基礎(chǔ)。

然而，在多年教學(xué)過(guò)程中，筆者發(fā)現(xiàn)由于學(xué)生首次接觸工程圖樣，有相當(dāng)數(shù)量的學(xué)生缺乏空間想象力，使讀圖和畫(huà)圖的能力難以達(dá)到預(yù)期的效果。

筆者認(rèn)為：學(xué)生頭腦中儲(chǔ)存的原有表象（舊形象）的多少和質(zhì)量是決定其空間想象能力是否豐富和發(fā)達(dá)的關(guān)鍵因素之一。因此，如何有效的積累原有表象就成為了培養(yǎng)學(xué)生“空間想象”的關(guān)鍵問(wèn)題。

合理利用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行輔助教學(xué)是增加學(xué)生表象的重要手段之一。筆者在教學(xué)過(guò)程中利用UG軟件在電腦上建立三維立體模型，讓學(xué)生從各種角度觀察，引導(dǎo)學(xué)生的思考和認(rèn)識(shí)，以豐富學(xué)生的表象材料和質(zhì)量，從而提高其空間想象能力。例如：我們?cè)谥v授《兩圓柱體相交的相貫線》章節(jié)時(shí)，很多同學(xué)對(duì)相貫線的空間形態(tài)想象不出來(lái)。筆者通過(guò)UG做出了圖一所示的模型，并使其旋轉(zhuǎn)，讓同學(xué)們對(duì)該相貫線進(jìn)行多角度的觀察。然后，我們?cè)龃蠹t色圓柱體的直徑，如圖二、圖三所示，讓同學(xué)們進(jìn)行進(jìn)一步的對(duì)比觀察。通過(guò)這種直觀的教學(xué)方法，學(xué)生一般都會(huì)對(duì)圓柱體相貫線有了比較深刻的印象。

圖一

圖二

圖三

3 利用UG，加強(qiáng)課堂師生的互動(dòng)，提高課堂教學(xué)效果

現(xiàn)在很多院校都在利用現(xiàn)代多媒體技術(shù)進(jìn)行課堂教學(xué)的改革和探索方。目前得到普遍應(yīng)用的課件制作軟件是利用Powerpoint。然而，目前許多此類(lèi)機(jī)械制圖的多媒體課件存在以下弊端：

3.1 部分課件雖然內(nèi)容豐富，外表華美，但究起內(nèi)容只是課本內(nèi)容的翻版，上課僅僅播放一下課件，毫無(wú)互動(dòng)可言。

3.2 有些課件制作看似實(shí)現(xiàn)了師生的互動(dòng)，但實(shí)際無(wú)法真正體現(xiàn)師生之間的交互作用。課件中雖然大量的設(shè)計(jì)了提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的環(huán)節(jié)，但給人的印象不夠深刻，師生的溝通始終受到已經(jīng)設(shè)計(jì)好的思路的羈絆和約束。這中互動(dòng)是死板的互動(dòng)，缺乏靈活性，它難以隨諸多客觀因素的影響而隨之改變，并對(duì)講課內(nèi)容作相應(yīng)的調(diào)整。這也是目前很多多媒體課件無(wú)法達(dá)到的。

而UG的制圖模塊功能比較強(qiáng)大，可以很容易的從三維的虛擬模型得到二維的視圖。這使師生之間的溝通可以很快的反映到二維的視圖當(dāng)中，交流變的更加流暢和生動(dòng)。下面我以《機(jī)件表達(dá)方法的選擇》一課的講授為例來(lái)進(jìn)行討論。

對(duì)同一機(jī)件可以有很多種不同的表達(dá)方案，對(duì)不同的方案進(jìn)行比較，選擇出最優(yōu)的的表達(dá)方案。本節(jié)的教學(xué)目的正是通過(guò)這種多種方案的提出、比較、討論和選擇，來(lái)鍛煉和提高學(xué)生對(duì)機(jī)件表達(dá)方法的綜合應(yīng)用。筆者給出圖四所示的模型，由多名學(xué)生提出自己的表達(dá)方案，然后師生共同討論并選擇出最優(yōu)表達(dá)方案。以下是由某學(xué)生提出表達(dá)方案，筆者在計(jì)算機(jī)上同步繪制二維視圖的過(guò)程

圖四

圖五

學(xué)生：用沒(méi)空的大端面作為主視圖方向，采用主視圖、俯視圖和右視圖。

操作：轉(zhuǎn)入“制圖”模塊，點(diǎn)“基本視圖”圖標(biāo)。添加三視圖，如圖五所示。

學(xué)生：主視圖采用階梯剖的方式做全剖視圖。剖切面通過(guò)前后對(duì)稱(chēng)面和左側(cè)的1個(gè)孔。

操作：刪除主視圖，點(diǎn)“剖視圖”圖標(biāo)，選中俯視圖，添加剖切符號(hào)并得到剖視圖。如圖六所示。

圖六

圖七

學(xué)生：在俯視圖上對(duì)后端面的孔做局部剖。

操作：在俯視圖上插入“藝術(shù)樣條”（即波浪線）。并點(diǎn)“局部剖”圖標(biāo)，創(chuàng)建局部剖視圖，如圖七所示。

從以上步驟可以看出，學(xué)生的表達(dá)與教師計(jì)算機(jī)的操作基本同步，這使師生之間的互動(dòng)流暢而生動(dòng)，它不是限定在即定框框上的死板的互動(dòng)，而是真正意義上的互動(dòng)。這種互動(dòng)給教學(xué)內(nèi)容的擴(kuò)展，學(xué)生思維的開(kāi)發(fā)等都有極大的幫助。

4 利用UG，培養(yǎng)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)興趣

《機(jī)械制圖》是一門(mén)理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，內(nèi)容枯燥、抽象，需要學(xué)生有較好的空間想象能力。學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，隨著學(xué)習(xí)難度的不斷增加，學(xué)習(xí)的興趣和主動(dòng)性都逐漸的下降，有的同學(xué)甚至完全喪失興趣。蘇霍姆林斯基說(shuō)過(guò)：“所有智力方面的工作，都要依賴(lài)于興趣，興趣是最好的老師，是學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)，增長(zhǎng)智慧的動(dòng)力，是激發(fā)學(xué)生不斷創(chuàng)新的源泉?！敝挥袑W(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)產(chǎn)生興趣，才能極大地提高其學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性。也唯有感興趣，想學(xué)，愿學(xué)，方能在學(xué)習(xí)過(guò)程中克服種種困難，體驗(yàn)到學(xué)習(xí)的樂(lè)趣，取得學(xué)習(xí)的成功，因此，如何提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣是擺在教師面前的一個(gè)重要課題。

4.1 利用UG的三維建模技術(shù)化難為易，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

學(xué)生學(xué)習(xí)制圖課程的最大困難是空間想象力的缺乏。利用UG將枯燥難懂的二維視圖轉(zhuǎn)化成鮮活的三維模型，有效的降低了學(xué)習(xí)的難度。而且我們?cè)诶肬G建立模型的過(guò)程，就象兒時(shí)玩耍的“積木”，通過(guò)簡(jiǎn)單的操作，一個(gè)個(gè)色彩斑斕、生動(dòng)鮮活的模型被“變”了出來(lái)。UG的這種“魔力”牽動(dòng)著學(xué)生的“心”、“眼”、“口”、“手”，使學(xué)生感到學(xué)習(xí)《機(jī)械制圖》其樂(lè)無(wú)窮，越學(xué)越想學(xué)，越學(xué)越愛(ài)學(xué)。

4.2 利用UG進(jìn)行《機(jī)械制圖》教學(xué)可有效實(shí)現(xiàn)教師與學(xué)生的互動(dòng)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)《機(jī)械制圖》的興趣。

教師在運(yùn)用UG軟件講解制圖知識(shí)時(shí)，學(xué)員可以直觀的通過(guò)電腦看到虛擬的三維世界，并根據(jù)自己的想象提出自己想法，教師根據(jù)學(xué)生的反應(yīng)運(yùn)用UG軟件將學(xué)員的想象變?yōu)樘摂M的現(xiàn)實(shí)來(lái)驗(yàn)證學(xué)生的想象。這樣可以在學(xué)生思想中激起強(qiáng)烈求知的欲望，與研究制圖學(xué)的極大興趣，使學(xué)習(xí)的內(nèi)因與外因有效的結(jié)合起來(lái)，更好的發(fā)揮學(xué)生的認(rèn)知的主觀能動(dòng)性，促進(jìn)學(xué)習(xí)效率的提高。

筆者對(duì)所教授的班級(jí)54名同學(xué)進(jìn)行了在不同教學(xué)模式的授課實(shí)驗(yàn)，并做了興趣調(diào)查，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下表：

UG教學(xué)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的影響統(tǒng)計(jì)（表一）

通過(guò)表二的對(duì)比分析可以看出，在UG教學(xué)模式下對(duì)《機(jī)械制圖》很感興趣的學(xué)生人數(shù)增加了近26%，而一般感興趣的學(xué)生和不感興趣的學(xué)生分別下降了22.2%和7.4%。從以上結(jié)果可以看出，大部分學(xué)生對(duì)采用UG模式的教學(xué)表現(xiàn)出了濃厚的興趣。

如何利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)來(lái)加強(qiáng)教學(xué)是所有教師共同探討的課題。筆者利用先進(jìn)的UG技術(shù)在《機(jī)械制圖》課程的教學(xué)上做了一些探索，取得了一些經(jīng)驗(yàn)。但是UG的功能遠(yuǎn)不止這些，它的CAECAM模塊對(duì)《機(jī)械設(shè)計(jì)》、《數(shù)控加工》等其他課程的教學(xué)都有很大的幫助。這些需要我們共同學(xué)習(xí)、探索。