虛擬模型庫在《工程制圖》教學(xué)中的應(yīng)用

楊小平

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

《工程制圖》是工科專業(yè)學(xué)生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，它對后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)有著直接的影響[1].隨著招生規(guī)模的不斷擴大，學(xué)生的整體素質(zhì)存在逐漸降低的現(xiàn)象，還有教學(xué)改革伴隨的學(xué)時量減少等都對《工程制圖》教學(xué)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，許多學(xué)生在該門課程的學(xué)習(xí)中存在困難.為了提高教學(xué)質(zhì)量，教師在上課時采取了很多辦法，如傳統(tǒng)的掛圖和實物模型、如今的計算機繪圖等，這些方法能夠增強學(xué)生的感性認(rèn)識，有助于學(xué)生的課程學(xué)習(xí)，但同時存在一定的不足.傳統(tǒng)的掛圖和實物模型有著成本高、攜帶困難、數(shù)量有限以及與教材不一致等缺點，單一的計算機繪圖因為沒有形成體系也已不能滿足現(xiàn)代教學(xué)的需求[2].

隨著科技的發(fā)展，計算機技術(shù)普遍應(yīng)用到課堂教學(xué)，應(yīng)用計算機輔助設(shè)計軟件建立三維虛擬模型庫，開發(fā)之后可以作為教學(xué)資源應(yīng)用到《工程制圖》教學(xué)中，既豐富了多媒體教學(xué)手段，也能幫助學(xué)生能更好地掌握該門課程的學(xué)習(xí).

1 虛擬模型庫的設(shè)計

本文根據(jù)高等教育出版社《工程制圖》教材內(nèi)容建立的虛擬模型庫包括了教材配套模型庫(基本形體、組合體、機件表達(dá)方法、標(biāo)準(zhǔn)件等)、習(xí)題集配套模型庫和測繪配套模型庫，涉及教學(xué)內(nèi)容中的全部模型.利用計算機軟件制作的虛擬模型，既實現(xiàn)了三維實體展示和動態(tài)仿真，又能夠?qū)崿F(xiàn)二維圖形的表達(dá)，便于教師和學(xué)生使用，不受時間和空間限制[3-5]，模型庫結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 模型庫結(jié)構(gòu)圖

2 虛擬模型庫的建立

2.1 用SolidWorks軟件建立虛擬模型庫

目前計算機繪圖軟件較多，主要有Pro/E、CAXA、UG、SolidWorks 等，本文以SolidWorks 2018為例建立《工程制圖》虛擬模型庫.用SolidWorks軟件的拉伸、鏡像、旋轉(zhuǎn)、倒角等功能繪制出基本實體模型，通過修改尺寸生成新的虛擬模型，建立的虛擬模型實體及分解圖如圖2所示.

圖2 軸承座虛擬模型實體及分解圖

2.2 生成二維視圖

用SolidWorks軟件建立的虛擬模型能直接生成二維視圖，包括三視圖、局部視圖、剖視圖和軸測圖等，在生成的視圖中可標(biāo)注尺寸.由于模型和視圖是相互關(guān)聯(lián)的，可通過修改兩者中的任意一個尺寸得到新的三維模型和視圖，生成的三視圖(如圖3所示).

圖3 軸承座三視圖

2.3 模型的動態(tài)仿真

在教學(xué)過程中，保存模型文件為*.eprt 格式，用EDrawings 軟件直接打開，通過設(shè)置動畫路徑，仿真虛擬模型動態(tài)，或者旋轉(zhuǎn)、縮放等全方位展示機件的結(jié)構(gòu)；亦可通過橫斷面工具對機件進(jìn)行剖切，展示機件的復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如階梯孔的交線等[6-10].EDarwings 工作界面如圖4所示.

圖4 EDarwings工作界面

2.4 學(xué)習(xí)平臺的構(gòu)建

《工程制圖》虛擬模型庫學(xué)習(xí)平臺采用Dreamweaver 軟件來搭建.主界面根據(jù)教材內(nèi)容設(shè)置了立體教材、實踐教學(xué)、電子資源和教學(xué)錄像等模塊，方便學(xué)生學(xué)習(xí)，虛擬學(xué)習(xí)平臺如圖5所示.

圖5 學(xué)習(xí)平臺首頁

3 虛擬模型庫應(yīng)用于《工程制圖》課程教學(xué)的優(yōu)勢

3.1 模型制作方便，圖樣更豐富

虛擬模型可以采用不同材質(zhì)顯示，通過鼠標(biāo)實現(xiàn)平移、轉(zhuǎn)動和縮放，如同實物展示一樣具有很強的視覺效果，操作過程也非常簡便.對于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的形體采用旋轉(zhuǎn)剖、半剖或者全剖的方式，加上一些動畫效果，展示出形體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使原本抽象難懂的模型結(jié)構(gòu)變得更簡單、形象.虛擬模型還可以根據(jù)教學(xué)計劃的修訂及時調(diào)整，對不同的教學(xué)內(nèi)容選用不同的模型，使教學(xué)更具有針對性.

3.2 便于學(xué)生預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)

隨著《工程制圖》課程教學(xué)計劃的不斷修訂，教學(xué)理論學(xué)時不斷壓縮，但課程的核心教學(xué)內(nèi)容又不能減少.多媒體教學(xué)節(jié)約了課堂繪圖時間，教學(xué)的信息量也隨著增大，這對學(xué)生的學(xué)習(xí)接受能力提出了嚴(yán)峻的考驗.通過虛擬模型庫的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以做好課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，當(dāng)復(fù)習(xí)中遇到疑難點時，學(xué)生利用模型庫中的模型，通過虛擬實驗，增強感官認(rèn)識，加深理解，從而解決問題.《工程制圖》教學(xué)中，把虛擬模型庫與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合起來，拉近了教與學(xué)兩個重要環(huán)節(jié)的距離，突破了傳統(tǒng)教學(xué)方法在時間和空間上的限制，是網(wǎng)絡(luò)時代優(yōu)越性的完美體現(xiàn).虛擬實驗如圖6所示.

圖6 虛擬實驗

3.3 攜帶方便，成本低廉

虛擬模型庫建成后教師攜帶方便，內(nèi)容更豐富，當(dāng)教學(xué)計劃和教學(xué)內(nèi)容發(fā)生變化時，只要對其進(jìn)行更新即可.與傳統(tǒng)的實物模型庫相比，虛擬模型庫減少了儲藏和管理環(huán)節(jié)，既方便了教學(xué)又降低了教學(xué)成本.

3.4 有助于實踐教學(xué)

目前，實踐教學(xué)已然成為現(xiàn)代高校教育改革的重點之一，教學(xué)中的各種技能大賽非常普遍，《工程制圖》課程的學(xué)習(xí)有助于工科學(xué)生實踐技能的培養(yǎng).大部分工科學(xué)生都需要參與拆裝和測繪實踐環(huán)節(jié)的培養(yǎng)訓(xùn)練，傳統(tǒng)教學(xué)過程往往受到模型品種不全及數(shù)量不足的限制，很大程度上影響了實踐的教學(xué)效果.應(yīng)用虛擬模型庫，教師可以在機房指導(dǎo)學(xué)生利用三維軟件提供的功能對模型進(jìn)行拆裝和測量，再利用二維繪圖軟件完成零件圖和裝配圖的繪制，并修改相應(yīng)的線型尺寸，得到理想圖形，既提高了學(xué)生的計算機繪圖水平，又節(jié)約了教學(xué)資源.待學(xué)生掌握基本技能和測量方法后，再引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實物拆裝和測繪.試驗表明，這種模式靈活方便，能充分調(diào)動學(xué)生積極性，使學(xué)生對這門課程產(chǎn)生濃厚的興趣，變被動接受為主動學(xué)習(xí).

4 結(jié)束語

《工程制圖》虛擬模型庫的開發(fā)，解決了傳統(tǒng)教學(xué)中的不足，把原本抽象難懂的模型結(jié)構(gòu)變得簡單、直觀、通俗易懂，減輕了教師的輔導(dǎo)工作量，增強了學(xué)生的空間想象力和繪圖能力，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.由于學(xué)習(xí)平臺的構(gòu)建需要強有力的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)支持，所以虛擬模型庫也要根據(jù)教材內(nèi)容不斷完善.