融入三維建模的工程圖學教學改革與實踐

【摘要】將三維建模引入工程圖學教學中是當今圖學教育的一個熱點。本文介紹了作者在這方面教學改革試點的情況。

【關鍵詞】工程圖學，三維建模，改革，實踐

【中圖分類號】G420 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097（2007）08—0038—04

一、前言

三維CAD技術的快速發展和應用的日益普及，使設計和制造的理論和技術都發生了巨大變化。三維CAD實體造型、特征造型軟件已在一些大中型企業和科研院所應用，隨著市場競爭的加劇，作為工程設計和產品開發工具的三維CAD應用必將普及。那么，如何將三維CAD技術融入工程圖學教學中來是我國圖學界近兩三年來討論的一個熱點問題，國內一些重點院校相繼開展了這方面的教學研究[1-4 ]，進行了一些教學試點。自2004年以來，我們在這方面進行了一些探索，對工程圖學的課程體系、內容、教學方法及手段進行了改革，并取得了一定成效。

二、教學改革的基本內容與實施

（一）以三維建模為主線，計算機繪圖與傳統教學兼容并重

將三維建模的原理、方法和技能融入到工程圖學課程中，形成以三維建模為主線，計算機繪圖與傳統教學兼容并重的教學體系。在保證原有教學大綱的基本要求不變的前提下，將總學時定為136學時，分三個學期完成，三個學期的學時安排分別為40、64、32，其中新增三維建模內容18學時，三維構形與建模實踐20學時，同時將計算機繪圖（講課8學時、實驗18學時）融入到相應的章節中，課程主要教學安排見表1。

針對大一新生的特點，我們選擇了較簡單易學的SolidEdge三維造型軟件作為三維建模工具。在講完截交線、相貫線、平面圖形的繪制后，學生具備了初步的制圖知識，再引入三維建模內容，介紹了草圖繪制、尺寸與幾何約束、拉伸、旋轉、掃掠、放樣、除料等生成基本體的方法和技能，學生通過自己創建基本體，并用各種位置平面去截切，觀察在其表面產生的交線，加深了對截交線、相貫線這部分內容的理解。

在講完組合體讀圖后，引入創建復雜幾何體的方法，內容包括參考平面、圓角、倒角、陣列等特征，學生在讀懂二視圖后，建立其三維模型，可以更有效地幫助學生掌握形體分析方法和訓練空間想象能力，同時在上機實驗中增加了三維構形與建模練習，激發了學生的學習興趣。圖1為學生創建的組合體模型。

講零件圖時，在學生對零件的工藝結構有了大致地了解以后，引入了孔、抽殼、傾斜、肋板、螺旋、螺紋等零件建模的置放性特征[5]，學生可利用這些特征來創建零件上一些常見的工藝結構，并引入了三維模型向二維視圖轉換的方法、編輯手段和尺寸標注等內容，大大簡化了零件圖的繪制。圖2為學生創建的零件模型。講典型零件的建模時，強調采用滿足設計要求和工藝要求的建模方式，加強工程意識培養。如軸類零件的建模可采用旋轉法、拉伸疊加法、除料加工法來實現，其中除料法與軸類零件的加工工序相符，因此要求學生采用此方法建摸。

在第三學期講授的裝配圖部分，引入了模型裝配，使學生體會現代設計過程中的協同性及模擬裝配過程，進一步理解裝配圖中零件間的連接、定位及裝配關系。

（二）優化教學內容，奠定創新設計能力的知識結構基礎

1、降低部分原有教學內容的難度

首先，適當降低了畫法幾何部分內容的難度，刪減了直觀性差、與繪制和閱讀機械工程圖樣的聯系也不緊密的點、線、面及相互位置關系的定位、定量投影作圖內容。其次，降低了相貫線部分的難度，因為在三維CAD中，形體及其位置確定后，相貫線就自然形成了，而較復雜的相貫線求解對空間思維能力培養的作用不大。

2、加強軸測圖、徒手圖訓練

徒手繪圖是學生應掌握的基本技能之一，它在交流設計思想、現場測繪記錄圖樣時經常使用，而軸測圖對設計構思很有幫助，對發展抽象思維所必須的空間想象力、空間構思力、空間分析力等能起到催化作用。因此，在教學環節中，加強了對學生繪制軸測圖能力的培養，如加畫二補三的組合體軸測圖，并鼓勵學生自由創意，大膽構思。在零件圖、裝配圖部分，由于有了計算機繪圖這種現代化的先進手段，適當削弱了手工儀器繪圖的訓練，改畫徒手圖，重點強調視圖表達的正確性和尺寸標注的合理性，這樣，學生的徒手繪圖、計算機繪圖能力得到了綜合訓練與提高。

（三）以多媒體教學為主，配合傳統的教學工具，科學化組織教學

在教學中，合理使用多媒體課件，揚長避短，充分發揮課件生動形象的優勢，將教學中諸多老師難于講解、學生難于理解的內容化繁為簡，化難為易，化靜為動，使講解內容淺顯化。當畫圖、解題的過程需一步步地詳細演示時，就由老師在黑板上邊畫邊講，因為老師在黑板上畫圖的示范過程，可以使學生獲得繪圖過程的體驗和感受，其中還可隨時插入栩栩如生的三維立體圖。課余組織學生參觀模型室，結合模型具體講解，學生感受更直觀。在做零件圖視圖選擇的大作業練習時，采用“討論式”教學方法，先組織學生分組討論，引導學生運用所掌握的知識進行自己的設計表達，得到不同的表達方案，然后分析比較各種表達方案的優缺點，最后由同學們自己得出一個最佳方案。這樣既調動了學生的學習興趣，又培養了學生獨立解決問題及創新設計的能力。

三、實踐效果

（一）教學效果評價

從2004年開始在車動學院的農業自動化、交通運輸兩個專業四個班首次進行試點，2005年再次在該專業的三個班進行試驗。這兩個專業的學生高考入學成績普遍偏低，往年學生學習工程圖學課的壓力較大，考試成績也較低，經過幾個學期的教學實踐，同學們普遍感到空間想象能力得到提高，“工圖”課不再可怕，考試成績高于全年級平均成績（見表2、表3），學生對知識的掌握和運用能力都有所提高。

（二）學生評價

在課程的問卷調查中，有97%的同學認為在工程圖學課程中融入三維建模內容對該課程的學習有幫助。學生寫到：“在課程中加上三維建模使我們以前想象不出來的立體圖真實地表現出來，可以更真實地看到什么地方存在交線，什么地方不需要交線，非常直觀，這樣不僅提高了我們的學習效率，也增強了我們學習這門課的興趣。”“三維建模增強了對實體的印象，比較容易畫出三視圖，特別是自己動手建模后，對各種結構都非常清楚，對課程學習大有幫助。”“三維建模能讓我們更清楚、更直觀地了解零件的結構形狀，對于我們培養空間想象能力很有幫助。”

學生普遍反映這門課內容豐富，信息量大，教學內容安排比較合理，在掌握制圖基礎知識的同時培養了分析問題、解決問題和構形及圖形表達能力。

四、體會

（一）促進學生能力、素質的綜合提高

通過手工儀器繪圖、草圖訓練和計算機繪圖、形體構思、三維造型軟件學習等方面的訓練，使學生的空間思維能力、計算機繪圖、形體構思、計算機造型能力有了較明顯的提高，為后續的CAD、CAE、CAM等現代設計制造技術課程的學習奠定了良好的理論與實踐基礎。學生在三維建模過程中，學習滿足設計和工藝要求的建模方式，有益于工程意識的培養。

（二）調動學生的學習興趣，提高學習效率

把三維建模、計算機繪圖融入工程圖學教學中，增加了學生對本課程的學習興趣和求知欲，提高了學習效率。在工程圖學的課堂教學中，老師用三維造型軟件進行快速三維建模，產生各種不同的構形變化，創建各種生動逼真的零件模型和裝配模型，學生的形象思維和發散思維的積極性在課堂上被充分調動起來，特別受學生歡迎。很多未進行教改試點的班級的學生，也對此表現出了強烈的好奇心和求知欲望。在2005-2006學年第二學期，該試驗班的選課人數由第一學期的97人增至157人。

五、結束語

教學實踐表明，將三維建模融入工程圖學教學中，有助于對學生的形象思維能力、工程素質與創新意識的培養，極大地調動了學生的學習興趣，試驗班的制圖成績有較大幅度提高，試驗效果較好。

參考文獻

[1]江洪， 吉維峰. 運用三維繪圖軟件SolidWorks改革工程圖學教學的實踐[J]. 工程圖學學報， 2004， 25(1):109~113.

[2]胡青泥， 戴恒震， 高 菲， 等. 面向三維CAD/CAM 技術的機械制圖教學研究[J]. 工程圖學學報， 2002， 23(1):60~142.

[3]Xu Dan， TANG Yingping， QI Feng. Analysis on the Teaching Effectiveness of Textbook\"3D Mechanical Drawing\"[A].In: Proceedings 6th China-Japan Joint Conference on Graphics Education[C].2003.65~67.

[4]田凌，童秉樞，馮涓. 機類機械制圖新課程體系的研究及實踐[J]. 工程圖學學報， 2005， 26(5):120~125.

[5]續丹. 3D設計軟件應用指南[M]. 北京：機械工業出版社，2003. 82.