三維CAD軟件輔助工程圖學教學的探索與實踐

[摘要]從點線面的相對位置、截切和相貫、組合體、剖視圖、規定畫法和簡化畫法、尺寸標注、部件的工作原理和裝配等七個方面探討了三維CAD軟件輔助教學的方法和應用。實踐證明，在工程圖學的教學中，恰當合理地使用三維CAD軟件作為多媒體教學課件和傳統教學手段的補充，可以有效地提高學生對模型的認知能力，有利于營造研究型教學情景，結合啟發式、提問式、討論式等教學方法，使學生參與到教學中，從而激發學生學習的主動性和積極性，實現師生互動。

[關鍵詞]工程圖學;教學改革;三維CAD;輔助教學;探索

[中圖分類號]G642.41[文獻標識碼]A[文章編號]1005-4634(2010)03-0061-04

0引言

目前普遍采用多媒體課件進行工程圖學的教學，它具有圖文并茂、直觀生動、信息量大、教學效率高和適合大班上課等優點。通過語言、動畫、圖片和數據的應用，使學生在較短的時間內得到更多的信息。盡管傳統教學中的模型可以用多媒體課件中的圖片代替，但一般是靜止的，不能動態地從各個方向觀察模型和動態演示模型的生成過程。為了彌補這些不足，筆者除了合理使用多媒體課件和傳統手段進行教學外，還采用三維CAD軟件Autodesk Inventor[1]進行輔助教學[2]。在講授截交相貫、組合體、尺寸標注等內容時用三維CAD軟件現場動態地生成三維模型及其視圖，以幫助學生建立空間概念、培養對空間形體的認知能力和形象思維能力，使學生更好地理解所學的內容。

1三維CAD軟件輔助教學的方法和應用

1.1點、線、面的相對位置

以三維CAD軟件講解畫法幾何內容，不僅可以動態的講解點、線、面相對位置的空間幾何模型，幫助學生建立起空間概念[3]，而且還可以反映出畫法幾何在三維建模中的應用。例如:在講解用換面法求解兩條一般位置異面直線的最短距離時，可借助三維CAD軟件進行空間分析。事先畫好如圖1(a)所示的圖形，作出與其中任意一條直線AB平行的工作平面(V1)，將直線AB投影到該平面，再作出與該平面和垂直的工作平面(H2)，然后將AB和CD直線投影到該工作平面，AB的投影積聚成一個點(a2)b2，并過該點作出c2d2的垂線即為所求，如圖1(b)所示。可以用下拉菜單“工具”→“測量距離”命令測出實際距離。

1.2截切和相貫

借助三維CAD軟件可以動態地演示截交和相貫的形成及變化。例如在講解平面與圓錐相交時，事先創建好模型和工作平面，如圖2上圖所示，然后利用軟件的“切割”命令進行截切，得到圖2下圖所示的結果。

在講授兩圓柱體的相貫時，事先創建好圖3所示的模型。講解時重新定義工作平面改變兩圓柱的相對位置，讓學生觀看相貫線的變化，如圖4所示。兩相貫體的相對大小可以通過改變草圖的尺寸來改變，如圖5和圖6所示。還可以將截交和相貫模型轉換成視圖，利用三維模型和其視圖的相關性，在模型改變后察看其視圖的變化。

1.3組合體

可以事先創建好如圖7(a)所示的三面體系(工作平面)和組合體，然后利用軟件提供的“投影幾何圖元功能”將組合體的各組成形體分別向各投影面投影，使學生形象地了解組合體及其投影的關系，如圖7(b)所示。但這種方法有兩個不足，一是當投影面與相貫線和截交線的對稱面平行時往往投影失敗，二是將不可見輪廓投影成了實線，需要在草圖上添加和修改。必要時可將模型轉換成工程圖以彌補這種方法的不足。

形體分析法是學習組合體的重點分析方法，僅用課件講授，學生的印象不深，也不夠直觀形象，借助三維CAD軟件可彌補其不足。圖8表示了組合體的建模過程，通過這個過程，使學生更加深刻地理解了形體分析法。在建模時，還可形象地說明組合體的組合方式和表面連接關系及基準和尺寸。

因為這里并不是講授組合體的三維建模，所以要求教師操作要熟練，速度要快。或者事先建好，利用“抑制特征”功能將某些特征抑制，演示時，再按順序一個個解除，以節省時間。這時還可以將模型轉換成工程圖，觀看建模每一步的投影變化。

1.4剖視圖

剖視是機件表達法中的重點內容，按照以往的方法進行講授，學生印象不深，也不能很好地理解，在作業中經常出現各種錯誤。在課件講解的基礎上，筆者還借助三維CAD軟件創建剖視圖的功能說明一些剖視圖的概念。例如剖切平面的位置和選擇、剖視圖的標注、剖切平面后方的可見部分容易漏畫的投影;全剖視、半剖視和局部剖視，互相平行的剖切平面(階梯剖視)和相交的剖切平面(旋轉剖視)的概念等，如圖9所示。

1.5簡化畫法和規定畫法

國家標準規定的簡化畫法、規定畫法與實際情況有許多不同。例如肋板的畫法、當剖切平面通過標準件和實心件時按不剖的畫法、過渡線的畫法等。在以往的教學中只是介紹，不講為什么，學生不理解，只能死記，因印象不深，往往記不勞。如圖10所示，我們利用三維CAD軟件將實際情況與規定畫法進行比較[4]，讓學生們討論哪種畫法在表達上更清楚，然后由教師進行總結，分析為什么這樣規定。這樣使學生不僅理解了，并且印象深刻，便于記憶。

1.6尺寸標注

尺寸標注是工程圖學課程的一個難點，按以往的教學方法學生不易掌握，在標注時常常出現遺漏、重復和錯誤。針對這些問題，筆者在教學中講完原有的內容后，借助三維CAD軟件畫出草圖(如圖11(a)所示)，在教師進行引導和啟發下，讓學生討論應該標出哪些尺寸才能使其全約束。在學生給出的尺寸標注完畢后拖動圖形(沒有全約束，圖形就會散)，由系統檢驗尺寸的完整性，發現遺漏的尺寸。并且在全約束(如圖11(b)所示)后再進行標注，由系統自動指出多余的尺寸。當然，這只能解決平面圖形尺寸的問題，對于組合體和零件的尺寸，可在建模的同時講(如圖8所示)，使學生充分理解為什么尺寸標注要求齊全，如何分析和標注才能保證尺寸的齊全。

1.7部件的工作原理和裝配

利用三維CAD軟件還可以將部件的工作原理和裝配過程制作成動畫給學生播放，使學生進一步了解部件的工作原理、裝配順序和裝配關系。可以用Inventor表達視圖制作裝配動畫，如圖12所示。用驅動約束或Inventor Studio或運動仿真等多種功能制作原理動畫，如圖13和圖14所示。還可以由教師利用三維軟件的裝配功能將事先建好的零件進行裝配，使學生深入了解各零件間的裝配關系。

2結束語

教學實踐證明，以多媒體課件為主，三維CAD軟件和傳統手段為輔，三種手段的密切配合、取長補短，收到了較好的效果。利用三維CAD軟件的各種功能，可以有效地提高學生對模型的認知能力和加深對教學內容的理解，更為重要的是，這種教學手段便于營造學生主動學習的氛圍，結合啟發式、提問式、討論式等教學方法，使學生參與到教學中，從而激發學生學習的主動性和積極性，實現師生互動。顯然，三維CAD軟件輔助教學有利于研究型教學法的實施，更好地貫徹以學生為主體，以教師為主導的教學理念。

參考文獻

[1]陳伯雄，董仁揚，張云飛.Inventor Professional 2008機械設計實戰教程[M].北京:化學工業出版社，2008:35-194.

[2]康蘭.采用三維CAD軟件教學的工程圖學教學實踐[J].工程圖學學報，2007，28(6):152-156.

[3]王飛.基于三維軟件度量問題的圖解.工程圖學學報[J].2006，(增刊):33-37.

[4]王飛.基于Inventor的三維CAD軟件的二維表達問題[J].工程圖學學報，2006，27(5):29-33.