淺談ＵＧ三維建模在《機械制圖》教學中的應用

摘要：UG是由美國UGS公司開發的CAD/CAM一體化的軟件，它具有強大的三維造型功能，可使復雜的建模與工程制圖工作變得簡單、明了。因此，將它應用到《機械制圖》教學中，非常有利于學生對空間形體的分析，可逐步培養學生的空間想象能力、空間分析能力以及對多種圖樣的繪制和閱讀能力。

關鍵詞：UG；建模；空間想象能力；空間分析能力

《機械制圖》是機械類專業重要的專業技術基礎課，對于剛步入技工學校校門的學生而言，是一門全新的課程。由于空間概念薄弱，又缺乏必要的生產實踐經驗，學生在學習上遇到的困難較多。傳統教學法多以模型輔助，但模型數量有限，特別是復雜結構的模型更是稀缺。在截割與相貫、復雜組合體的投影這些難點內容的教學中，學生反映很難理解。UG三維實體的建模功能，可在計算機上虛擬建立立體模型并附以顏色，以動態顯示，把截交線的形成、相貫線的產生以及立體內部的復雜情形表現得淋漓盡致。不但可以加強學生對物體的感性認識，擴展和培養學生的空間構思能力，激發學生的學習興趣，調動學生學習的積極性和主動性，而且可以強化教師和學生的計算機應用能力。此外，還可以為學生以后學習計算機輔助制造等后續課程打下良好的基礎。下面運用實例討論一下UG建模的教學應用。

實例一：求正六棱柱的截交線

如圖1所示，正六棱柱被水平面P和正垂面Q截切后產生缺口，求截割體的投影。

傳統教學過程為：（1）演示六棱柱模型，選擇棱面垂直于水平面，且兩棱面為正平面位置放置。（2）將未切割的六棱柱的三投影做出。（3）在六棱柱模型上解釋切割情況，并分析：水平面上截交線的水平投影反映實形，正面投影和側面投影積聚為一條直線，正垂面上截交線的正面投影積聚為一條直線，而另外兩個投影是類似的縮小圖形。（4）在主視圖上做出切割的特征視圖。（5）在左視圖和俯視圖上利用點線的投影關系做出截交線的投影。

圖1 拉伸成的六棱柱和三棱柱

傳統教學的缺陷與不足是：（1）由于模型不容破壞，切割只能用語言表達，不夠直觀。（2）學生對切割過程的認識缺乏動感，對培養和提高學生的空間想象能力顯得幫助不夠。（3）由于對切割過程認識的不足，當缺乏模型演示或說明的時候，學生往往感到不知該如何分析，造成了學習上更大的困難，甚至喪失學習的信心。

用UG輔助教學的過程如下：

1.模型的制作：（1）在二維草圖上調用“基本曲線”命令，畫出正六邊形。（2）在三維模式下，調用“拉伸”命令拉伸成正六棱柱。（3）移動WCS。（4）選取正六棱柱欲要挖切的平面，在二維草圖上調用“基本曲線”命令，畫出一個三角形。（5）在三維模式下，調用“拉伸”命令拉伸成三棱柱（如圖1）。（6）調用“布爾運算”中的“差集”命令，選取三棱柱，完成帶缺口的正六棱柱（如圖2）。

圖2 被挖切的六棱柱

2.演示設計：（1）以動畫方式演示正六邊形拉伸為正六棱柱的過程，并設正六邊形為水平放置，則六條棱與水平面垂直，故六棱面的水平投影積聚為正六邊形。（2）以動畫方式分別演示用水平面和正垂面切割六棱柱，觀察六棱柱的變化，如割面（棱面）出線、割線（棱線）出點，加深學生對物體由于切割產生形狀變化的認識。（3）以動畫方式反復演示三角形拉伸成三棱柱的過程，要求學生注意觀察切割過程，再次理解割面（棱面）出線、割線（棱線）出點。

3.思維設計：（1）在動畫演示切割后要求學生將該切割過程在腦中自行完成演示，如割線、割面、割體，建立形象思維。（2）出示一截割體的切割特征視圖，先初步分析，后要求學生在腦中思考切割過程并進行描述，如割到了哪個面？哪根線？截交線的形狀如何？等等。（3）假設缺口水平向右擴大，即六棱柱有五條棱線被切割，此時截交線形狀有何變化？要求學生在腦中自行完成切割過程并能描述，展開認識互動，最后總結出切割范圍的變化必將引起截交線形狀的變化，進一步認識截交線形狀與切割的關系。

4.物體截割用UG輔助教學的優點：（1）動態觀察帶缺口的正六棱柱，使學生初步了解立體截切后的形狀及各平面與投影面之間的位置關系。（2）UG能把三維建模圖形自動生成6個基本視圖和1個軸測圖，可根據需要篩選。如圖3所示，只選用最常用的基本三視圖。（3）UG還可以把同一類型題，如求截交線問題，可求不同物體的截交線，只需要在歷史樹上加以修改，即只需要在“草圖1”、“草圖2”上畫不同的圖形，自動生成不同的截交體及截交線。（4）利用UG三維建模來幫助學生弄清投影圖中各圖線與立體圖表面交線的對應關系，進行平面與立體之間的雙向思維，逐步培養學生的空間想象能力。

圖3 投影三視圖

實例二：組合體的建模及剖析

對于組合體，特別是復雜的組合體，應用UG進行教學更是傳統手段無法相比的。UG是一個參數化軟件，它的二維平面圖與三維立體圖是相互關聯的。也就是說，如果修改三維立體圖，相應的二維平面圖也會自動修改；反之亦然。因此在教學時可以選用一些結構典型的組合體為例，將立體展示給學生，然后要求學生利用課堂練習時間畫出二維平面圖。教師可以利用UG制圖模塊快速生成二維平面圖功能，公布答案。這樣教師就節約了大量板書的時間。同時在教學設計有意地對立體圖進行修改，看看學生是否能夠舉一反三。

圖4 軸測圖、三視圖

組合體的形狀千變萬化，而無論組合體多么復雜，都可以看成是由基本幾何體經過切割挖切、疊加靠齊、相交和相切等方式組合而成。如圖4所示，軸承架可看成是由帶有半圓孔和矩形槽的長方體底座、與底座后側面靠齊的支撐板、圓柱筒和肋板等基本幾何體組合而成。

為了使學生更好地觀察組合體的形成過程，觀察并認識組合體各組成部分間的連接關系，可利用UG對其進行實體建模，首先將各組成部分的形狀用二維草圖做出，然后在三維狀態下通過編輯命令進行再加工，以加速其建模工作。

UG三維造型軟件不但能生成三維模型，而且還可以生成二維投影圖，通過三維與二維圖形之間的相互交替，學生可對復雜的圖形或者空間很難想象出來的部分恍然大悟，甚至對模型內部結構不清楚的地方，還可以采用不同的剖切方式，從不同角度采用動態觀察器進行動態觀察，把零件的內部形狀表達得淋漓盡致。這樣，可以實現教師與學生的教學現場交流，培養學生邊學習，邊思考，邊提出問題的參與式學習方法，避免“滿堂灌”教學造成的學生對教師的過分依賴，使學生養成獨立思考的良好習慣，逐步提高學生的空間想象能力和空間分析能力，大大提高教與學的效率。UG輔助教學與傳統教學的對比如下表。

隨著計算機繪圖技術的普及與應用，各行各業為了提高效益會逐漸放棄傳統的手工儀器繪圖，而采用計算機繪圖。計算機技術輔助繪圖速度快、精度高，而且繪圖質量大大高于手工繪圖。因此，改造傳統的機械制圖課程教學方法與手段勢在必行。通過實踐教學表明，UG三維造型在《機械制圖》課中的應用，把傳統教學手段和現代教學手段有機地融合起來，使教學的效率與效果大為提高，激發了學生主動學習的興趣，調動了他們學習的積極性，激發了他們的創新意識，從而使技校畢業生的綜合素質得到進一步提高，使他們的能力適應社會的需要。

參考文獻：

[1]錢可強.機械制圖[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2004.

[2]陳紹春，盧建濤.工程制圖課程三維建模的測繪實驗課設想[J].廣西高教研究，2001，（5）.

[3]趙波，龔勉，等.UG CAD實用教程[M].北京：清華大學出版社，2004.

作者簡介：

呂勇（1972—），男，研究生學歷，廣西廣播電視大學高職學院講師，主要從事模具CAD/CAM教學和計算機應用軟件的開發研究。

金秀麗（1960—），女，講師，廣西廣播電視大學高職學院講師，主要從事機械制圖教學和CAD軟件應用的教學。

（本欄責任編輯：周秀峰）