關于在機械制圖課程中引入共享虛擬模型庫的教學探討

王文靜，董玉德，段國奇

（合肥工業大學機械與汽車工程學院，安徽合肥230009）

關于在機械制圖課程中引入共享虛擬模型庫的教學探討

王文靜，董玉德，段國奇

（合肥工業大學機械與汽車工程學院，安徽合肥230009）

本文探討了《機械制圖》課程教學方法，從教學過程中的幾個難點出發，利用三維CAD軟件建立虛擬模型庫，改變傳統教學模式，把先進的計算機輔助教學方法融入到傳統的課程中去，增強了學生的感性認識，生動、形象地將大量資源庫展示給學生，培養和發展了學生的觀察力和想象力，并且實現了資源共享，體現了模型庫帶來的教學優越性。

機械制圖；三維模型庫；SolidWorks；教學；

制圖課程是工科院校普遍開設的專業基礎課程。課程定位在培養學生的空間想象能力、圖形表達能力和計算機繪圖能力。制圖教學的關鍵是投影概念的建立，在長期的工程制圖教學工作中，發現學生對機械制圖的學習有兩個突出的難點：一是立體圖形轉化為平面圖形，二是平面圖形轉化為立體圖形。解決這些問題均需較好的空間想象能力。傳統的教學模式是借助于實物模型或掛圖，學生仍難以突破難點，且學習興趣不高。為了克服這些難點，我們利用合肥工業大學數字化設計與制造研究中心建設的機械設計開放式教學平臺，實驗嘗試了用三維CAD軟件Solidworks來建立共享虛擬模型系統，利用三維軟件和計算機輔助教學技術CAI相結合，使得整個制圖教學過程生動形象，教學內容直觀，并增強交互性，同時也為課程的教學改革提供了技術手段。

一、建立共享虛擬模型庫的目的

模型是機械制圖教學中不可缺少的工具，它可以幫助學生理解教學的內容，對培養學生的空間想象能力，提高學生識圖的能力都起了非常重要的作用。現在有不少的學校還在延續傳統的教學方法，仍然用實物模型作為教學工具，這些模型體積大，不易攜帶，模型種類也有限，這些缺陷制約著制圖教學的發展，學時量不斷增加，教師講得口干舌燥，但效果不顯著。隨著三維CAD軟件的發展，我們在此平臺上開發了虛擬模型庫對制圖教學進行補償并豐富傳統的實物模型。虛擬模型庫，就是用三維CAD軟件技術在計算機上建立形體的三維幾何模型庫，在組合體的教學中，用三維CAD虛擬模型使得原本枯燥的機械制圖課程形象生動起來，使學生對一些抽象的概念通過三維實體模型獲得大量的感性認識，激發學生的學習興趣。

二、建設虛擬模型庫的方法

本虛擬模型庫采用Solidworks軟件制作，用計算機虛擬模型取代傳統教學實物模型。Solidworks是由美國Solidworks公司推出的功能強大的三維機械設計軟件系統，以其易用性、創造性成為領先的、主流的三維CAD解決方案。具有面向對象的參數特征，因此，非常適合教學需要。具體實施辦法為：

（一）構筑制圖課程的教學體系，建設虛擬模型結構圖

本課程在教學模式上采用主線式課程體系，由體到面，同時貫穿二維和三維并重的思想。如圖1所示，以三維造型技術為主線，以二維制圖基本投影為輔，融合基礎投影理論，課程自始至終貫穿著模型的空間立體與平面圖形相互轉化的思維訓練。[1]

圖1 課程教學體系

模型室的結構如圖2所示，將模型按特征組合，以便備課使用，同時也可以提供給學生自主學習。在教學過程中，教師可以根據教學需要分組設計不同的教學任務，每組學生根據自己的教學任務要求，從素材庫中調用零件模型，借助三維CAD軟件提供的測繪與裝配功能進行零件建模以及裝配體建模，然后利用Solidworks軟件的工程圖功能進行零件模型和裝配體模型的二維平面圖的繪制。這種以虛擬環境為背景的教學模式，有利于激發學習者的觀察力、發現力、想象力、邏輯聯想力，有利于認知思維深化與發展，增強了培養分析與工程能力的力度，開闊了學生的視野，極大提高了學習的趣味性與教學效率。[2][3]

圖2 三維造型模型庫結構圖

（二）零件模型設計

復雜的零件都是以簡單的零件建模為基礎的，而零件建模的基本組成單元則是特征，主要包括草圖特征、放置特征、定位特征。草圖特征是從草圖幾何圖素創建的特征，如拉伸、旋轉等；放置特征是指不用繪制草圖，直接指定參數后確定其在零件中的位置即可創建特征，如各種孔、圓角、倒角、拔模、螺紋、陣列、鏡像等；定位特征是指輔助定位新特征，如基準面、基準軸和點等基本幾何元素，這些幾何元素可作為其他幾何體構建時的參照物，在創建零件的一般特征、曲面、零件的剖面以及裝配中起著重要作用。

（三）裝配模型設計

裝配建模是利用solidworks軟件將三維零件模型調入到裝配環境，然后定義零件間的配合關系，進而來模擬實際裝配過程。裝配體模型設計分為自底向上和自上向下兩種設計方法或配合以上兩種方法產生裝配體。

自底向上的裝配方法主要是由已設計好各個零件、按各零件在裝配模型中的位置及配合要求直接裝配成符合設計意圖的設計模型的設計方法。各零件在裝配設計之前，設計者已有一個明確的設計思路，零件的尺寸大小、結構形式、各零件之間的連接與定位方式已經完全確定。設計者可將已設計好的零件運用“插入/零部件/現有零件/裝配體”命令，將此零件插入到裝配體模塊中，并添加相關有效的配合關系，使零件在裝配模型中處于一個正確的位置。

自上向下的裝配方法是直接在裝配模型中利用已有零件的點、邊線或面等幾何要素，根據設計思路，在現有零件的面或基準面上創建零件草圖，從而根據零件的結構特點，選用合適的零件設計方法，在裝配圖中直接創建新的零件設計方法。

三、三維虛擬模型庫在教學中的應用實例

傳統教學側重于二維制圖，教學規律“面體面”，這要求學生必須具備一定空間思維能力，對于初學者來說，很難通過二維視圖在腦海中清晰地勾勒出三維形體，若在教學中引入三維虛擬模型，強化三維造型形成二維視圖的過程，上面的問題也就迎刃而解了，即教學規律調整為“體面體”。

（一）組合體視圖中的應用

讀組合體視圖是制圖教學的重點和難點，教學中采用形體分析法和線面分析法，要求學生積極思考，充分想像，在頭腦中形成空間點、線、面，綜合起來想清楚組合體的整體形狀和各部分連接關系。教學中常常用切蘿卜、捏橡皮泥的方法來制作實物形體，幫助學生提高空間想像能力。但這種方法適用于簡單形體，對于如圖3所示的復雜形體，根本制作不出來，而借助SolidWorks軟件構建的模型，不管形體有多復雜，都能讓學生直觀地看出復雜的形體也是由一些圓柱體、長方體、圓錐體、孔等簡單的形體組成，如圖4所示。此外，還能利用SolidWorks強大的編輯功能改變組合體的位置和尺寸，來觀察相貫線的變化趨勢，如圖5所示。利用三維CAD軟件制作的虛擬模型，能表達組合體的組合形式，各個面、線的實際形狀以及各部分的連接關系并且能進行實時動態旋轉變換和視圖定向，如圖6所示。使學生看清重點部分或細小結構的形狀，讓他們自己分析各個視圖的形狀特征，逐步增加他們對視圖中線和框的感性認識，幫助學生實現了從空間到平面、從平面到立體的轉換，激發了學生的空間想像能力，幫助學生應用線面分析法和形體分析法獨立分析視圖、讀懂視圖。[4][5]因此，學生覺得制圖課比以前生動了許多，容易了許多，學習興趣也提高了。

（二）剖視圖中的應用

剖視圖是機件的另一種表達方法，主要表達機件內部的孔、槽。剖視圖的形成是假想用剖切面剖開機件的，學生很難理解“假想”，弄不清剖視圖的形成過程、剖切平面的剖切位置，不知道哪些實體被剖切平面剖切，哪些地方要畫剖面線。例如，溢流閥主閥的內部結構，僅僅依賴于投影原理去想象內部結構，是抽象的模糊的。如果我們將三維CAD制作的溢流閥主閥模型從模型庫中抽調出來，如圖4和圖5，便能很好將三維模型展示，以幫助學生建立空間立體思維能力。[6]

使用SolidWorks軟件的剖切工具對零件模型選擇不同的位置進行“剖切”，如圖5和圖7，分析剖切位置對剖視圖畫法的影響，從而加深對剖視圖畫法的認識，同時還可以將零件模型生成工程圖，然后利用工程圖工具編輯，畫出相應的剖切線，生成各種剖視圖。使用這樣的功能，對教師講課和學生學習有很大的幫助，不用費很多課時就能很好地完成教學任務，達到事半功倍的效果。

圖3：溢流閥主閥

圖4：溢流閥主閥體模型

圖5：相貫線的變化圖

圖7：溢流閥不同位置剖視圖

（三）裝配圖中的應用

裝配圖表示產品及其組成部分的連接、裝配關系的圖樣。機器或部件是由若干個零件按照一定的裝配關系和技術要求裝配而成的。裝配圖是進行零件設計的依據，也是裝配、安裝、調試、檢驗及其或部件的依據，是工程技術人員間進行設計思想交流和生產過程中的重要技術文件。裝配圖的教學更顯得困難，學生缺乏實際經驗，對裝配圖的結構、工作原理、零件間的裝配、連接關系及主要零件的結構形狀都缺少感性認識，教師總是在課堂上機械地講解裝配圖，學生沒有體驗，接受難度大。SolidWorks強大的裝配模塊，把多個制作好的三維實體零件進行模擬裝配。通過爆炸視圖，學生可了解到機械產品的零件組成情況、各零部件之間的裝配關系以及裝配體的結構。[8]此外，通過產品的運動模擬，學生可了解到機械零件的機構運動和工作原理，如圖8所示。

四、結束語

把三維軟件SolidWorks制作的共享虛擬模型庫應用到機械制圖課程的教學中，使制圖教學與學科發展的前沿相結合，教學的方法、手段、內容能反映學科的最新發展趨勢。教學手段的進步促進了學生多角度思維的融合，培養學生發散性和創造性思維的能力，更重要的是調動了學生學習的主動性和積極性。主要體現在：

1、機械制圖虛擬模型庫，可以利用各種存儲介質保存和攜帶，在使用中可以取代實物模型，在教學中獲得良好的視覺效果。

2、可以方便修改教學模型，及時補充符合新教學內容的模型。針對不同的教學對象、教學要求調整現有的模型，充分滿足教學中對模型種類及數量的需要，節省了實物模型保管所需要的空間，可以達到資源共享，降低了教學成本。

3、利用先進的三維設計技術創建的模型不僅精度高、質感好、形象逼真、色彩豐富，還能將復雜形體的外型與內腔、相貫體中相貫線的變化趨勢、裝配體中零件之間的連接關系充分地展示出來．加上動畫效果，使教學中的知識難點更加清晰、生動、形象。

4、機械制圖共享虛擬模型庫可以不受時空限制使用在網絡教學當中。模型庫中收集了大量典型零、部件的三維模型與二維工程視圖，采用了不同的表達方法。虛擬模型庫可以改變傳統教學的單調模式，轉變教學觀念，以學生為中心，激發學生的學習興趣讓學生由“見多”到“識廣”的轉變，有助于學生從被動學習變為主動學習，從而提高學習效率。[9]

5、虛擬模型庫實現了資源共享的開放式教學模式，促進了教師教學水平和自身價值的提升。

[1]祝永健.基于Solidworks的機械制圖教學改進與應用[J].高教研究，2005，（23）:27-28.

[2]吳欣，徐建成，葛文慶.工程制圖中教學難點的“體驗教學”設計[J].工程圖學報,2008，(6)：139-143.

[3]段麗瑋，劉蘇.從大處著眼，從小處著手——談非機械類工程圖學教學改革[J].工程圖學報，2008，（6）:127-132.

[4]萬靜，謝楊，和麗等.工程制圖虛擬模型室的建立和應用[J].工程圖學報，2008，（4）:150-154.

[5]趙菊娣，國成林等.工程制圖虛擬模型室的開發與研究[J].機械設計與制造，2005，（5）：114-116.

[6]詹才浩.Solidworks應用教程[M].北京：清華大學出版社。2008，8.

[7]賀健琪.基于Solidworks開發機械制圖虛擬模型庫[J].電腦開發與應用2008，(12):69-70.

[8]基于三維CAD技術的高職《機械制圖》教學研究[J].常州信息職業技術學院學報2008，(4):57-59.

[9]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，(1):109-113.

G712

A

1671-5993（2011）01-0072-04

2011-03-03

王文靜(1970-)，女，安徽銅陵人，合肥工業大學在職研究生，安徽醫學高等專科學校講師，主要研究方向為機械原理與機械制圖CAD。