三維建模引入機械制圖教學實踐研究

[摘要]論述了將三維建模引入機械制圖教學的必要性，指明引入三維建模的目的，指出了目前存在的幾點誤區，詳細論述了三維建模與制圖知識有機結合的方式和內容，最后給出了這種教學實踐取得的初步成果和幾點思考。

[關鍵詞]三維建模；機械制圖；UG

[中圖分類號]G642.0 [文獻標識碼]A [文章編號]1005-4634(2012)03-0089-05

0 引言

傳統的教學模式使三維建模技術的學習滯后于機械制圖課程學習。本文分析了將三維建模引入機械制圖教學的必要性，目的是輔助學生培養良好的圖學思維品質，更為有效地掌握制圖知識的學習，詳細說明三維建模與制圖知識有機結合的實施方法和取得的初步成果。

1 引入的必要性

1.1 三維建模引入機械制圖是教學的基本要求

工程圖學課程指導委員會在其新修訂的教學基本要求中指出：將“應用繪圖軟件繪制工程圖樣及其進行三維造型設計的能力”并列地列入工程圖學課程任務中，還將計算機造型技術的基本原理和計算機造型操作技術列入工程圖學的基礎。

1.2 三維建模技術是現代社會對人才的需求

隨著計算機科技迅猛發展和三維軟件逐步深入廣泛應用，現代企業正在逐步或已完成由二維設計到三維設計的轉變，國內諸多企業、研究所已在實行無圖紙生產。產品的方案規劃、概念設計、結構設計、實體建模、有限元分析、運動仿真、優化設計等，整個過程均通過計算機及其相關軟件完成，整個過程不產生紙質的二維圖紙，二維工程圖不再是工程界交流設計思想的唯一工具，三維實體模型逐漸成為交流的媒介。企業這一實況要求高校在培養學生時必須盡早讓學生掌握三維建模思想、方法和某一三維建模軟件。

1.3 三維設計是對設計本身的回歸

在過去，工程設計人員先根據產品的功能需求設計，構思產品結構形狀，而后將產品繪制成二維圖紙用來交換設計思想；交流的人員得先看懂圖紙，發揮空間想象力構思產品三維形狀，這經歷了由三維一二維一三維的轉換。二維圖紙作為交換媒介，在轉換過程中或多或少存在信息的不完全轉換或丟失，增加出現誤解的概率。從這個角度講，三維設計是對產品設計過程的回歸，工程師在設計產品時首先構思產品整體三維形狀。因此，在制圖教學中，要盡早培養和訓練學生正確使用計算機工具，熟練使用某一軟件創建產品三維模型，將學生心中所想即刻變為眼前所見(計算機屏幕真實顯示)，并通過這個工具反復訓練學生的空間想象和構形能力。這樣培養的學生進入社會后能較快適應企業產品設計模式，與企業需求接軌。

2 引入的目的

三維建模的引入，其目的是輔助學生思維，培養學生良好的圖學思維品質，更好地掌握制圖學習方法和對制圖知識的深層次把握，著力提高學生制圖基本功。

機械制圖課程的主要任務是培養學生工程圖形表達能力(二維、三維表達與初步的構型設計能力)、圖形形象思維能力(空間想象能力)和工程圖樣的繪制能力(徒手繪圖、尺規繪圖和計算機繪圖與造型能力)。這些任務均圍繞“圖樣”展開，因圖樣是工程界的技術語言，是設計師交流設計思想的主要媒介。要想學生能看懂圖樣，必須著力培養學生的空間想象能力，空間想象力有著先天因素，但在制圖課上有效的訓練對學生空間想象力的培養也至關重要。

筆者所實踐的將三維建模引入制圖教學中，輔助學生的空間思維，經實踐證明是行之有效的，具體做法將在后續實施過程中詳細論述。

3 幾點誤區

1)三維建模引入制圖教學，千萬不能將軟件命令講解、實際操作訓練作為制圖課的主要內容。至于學生課上練習時間不足，可通過課后自行上機解決，有效延長學習過程。

2)三維建模引入機械制圖教學，而非三維設計。在制圖課上根本無法解決設計問題。因設計產品涉及到的內容很多，需要機械設計、機械零件、機械制造工藝等課程支撐，在制圖課上解決的是針對已設計的產品如何進行表達(包括二維和三維)，如何讀懂圖形，如何理解圖形，從圖形中想象設計者的設計意圖，是一個交流表達的媒介和手段。

3)三維建模軟件選擇與學習，不能一味機械地操作軟件與追求熟練程度，在學習軟件時，應著重把握三維建模的思維方法，這對幾乎所有軟件的學習均有效。面對不同軟件，僅僅是操作方法與用戶界面發生變化，本質的建模方法、思路是一致的，要注意把握這個核心。

4)引入三維建模后是否需要學習二維的內容。由于歷史原因和現實情況，二維與三維將長期共存…，二維的基本內容不可刪減，但畫法幾何部分可適當刪減，增加三維的內容。以下三點決定了必須學習二維部分：第一，三維造型軟件的建模思路：很多特征建模需要先繪制二維草圖，再通過拉伸、旋轉、掃描等工具生成三維實體。第二，目前很多單位還沒有完全轉變為無圖紙化生產，二維圖紙在很多企業仍是交流的工具。第三，二維圖的尺寸標注、技術要求比較方便，且有國標可以參照，目前仍然沒有關于三維圖如何進行尺寸與技術要求標注的標準。

5)學會了三維建模與計算機二維繪圖，是否可以不學習手工繪圖。這點絕對不可以。首先制圖基本任務之一是培養學生的繪圖能力，包括徒手繪圖、尺規繪圖和計算機繪圖及造型。在這三種繪圖能力中，徒手繪圖能不受軟、硬件條件限制快速地表達設計思想，應重點強化訓練；尺規繪圖能讓學生明白平面圖形的繪制方法，只有通過嚴格的尺規繪圖訓練，學生才能充分理解并掌握平面圖形的畫法，為后續計算機繪圖打下基礎。另外尺規繪圖有利于培養學生嚴謹的作風和一絲不茍的精神，明白科研工作是絕對不能馬虎的。在計算機飛速發展的今天，可以適當弱化尺規繪圖，但不能缺少高質量的尺規繪圖訓練；計算機繪圖要以手工繪圖為基礎，兩者本質區別在于使用計算機和軟件命令代替了鉛筆、繪圖儀器和圖紙，這兩者僅是繪圖工具發生了變化，本質并沒有改變。

4 教學實踐研究

4.1 引入模式

筆者嘗試將三維建模引入機械制圖教學過程，仍以機械制圖基本知識講解為主，在保持原有機械制圖知識體系完整性的基礎上，將三維建模思路、方法、軟件的使用，穿插講解，為制圖基本內容的學習服務。

4.2 引入內容及具體教學安排

1)在制圖基本知識與技能部分，講完尺規作圖與平面圖形畫法后，做適量的圖板作業，引入UG草圖繪制，教學生繪制簡單的平面圖形，此部分引入UG草圖主要是為后續建模打下基礎。因為三維實體造型一般是先繪制二維草圖，再用拉伸、旋轉、掃掠等工具完成三維建模。圖1和圖2是筆者安排的草圖練習，學生通過親自動手操作，加深理解平面圖形的畫法，也對UG草圖功能有初步了解，學會了簡單應用。

2)正投影作圖基礎部分，講完投影基本理論后，引入長方體，由長方體的投影展開去思考其6個面的投影-12條邊的投影-8個頂點的投影。最終引導學生總結點的投影是一切投影的基礎，線的投影是由線上兩點的投影確定，面的投影由線的投影確定，體的投影由面的投影確定。點、線、面、基本體投影講完后安排學生進行UG基本體素的建模，結合三視圖知識簡單地介紹UG工程圖功能，學生通過操作UG軟件能立即看到三維實體與二維視圖的投影對應關系，并去比較自己心中所想象的三視圖與屏幕上顯示的三視圖是否吻合，反復思考三維實體與二維視圖的投影對應關系。同時，筆者注意在基本體上指定一些特殊位置點、線、面，引導學生思考其投影并及時總結規律，配以對應的練習訓練，效果較好。另外學生通過創建多種實體模型，在大腦中儲存了這些模型信息，對后面的學習大有裨益。學生空間想象能力差的一個重要因素是大腦中存儲的模型信息太少了，一旦學生積累了一定量模型信息，再靈活組織與應用，學生的空間想象能力會有較大提高。

3)立體表面交線是制圖學習的難點之一。由于學生空間想象力不夠，幾乎不能完全正確地想象立體被切割后表面交線的形狀，筆者利用UG創建未切割前的形體，而后讓學生想象用截平面切割后，分析截平面與被切形體幾個面相交，由此想象出截交線形狀，再通過UG現場操作演示，動態旋轉全方位觀察截切之后截平面形狀，不斷與自己心中所想象的形狀進行對比，分析兩者相符合程度，若發現完全不符，則要仔細琢磨找出具體哪個特征被忽略了，而后再去操作截平面切割立體，通過表面取點法繪制截交線投影。這樣反復操作，心中積累一定量立體模型，并不斷琢磨立體被各個位置截平面切割后截交線形狀，不斷思考，反復經歷立體建模、切割，觀察截交線、繪制截交線等內容，對學生空間想象力培養比較有效。圖3是筆者在講截交線時所采用的一個例子。

對于相貫線，重點講解兩圓柱正交情形，其它情形作簡單了解。兩圓柱正交時，因圓柱直徑不同，相貫線會發生變化，引導學生建模、觀察、分析并總結規律。圖4是筆者在講相貫線時所采用的一個例子。

通過UG三維建模的恰當引入，使原本教學中的難點得到了有效解決，學生不再為想象不出來而覺得截交線、相貫線作圖無從下手，教師也不再為學生作圖困難而苦惱，最重要的是學生學會一種解決問題的思維方法，受益匪淺。

4)組合體是制圖學習中承上啟下的重要環節，既是對前面點、線、面、體投影的綜合應用，又是后面機件的幾何化模型。組合體學習圍繞畫圖、讀圖和尺寸標注三大經脈，貫穿這三大經脈的分析方法是形體分析法，輔以線面分析法。筆者在教學過程中注重分析組合體的形成過程，并通過UG演示各個特征成形過程，將讀圖與畫圖貫穿于特征建模時繪制草圖形狀過程中，將尺寸標注貫穿于特征建模時對草圖添加尺寸約束。

組合體的尺寸標注，可采用逐步造型法，在造型過程中需要輸入的尺寸，在標注時必須注出。比如創建一個圓柱，必須輸入底面直徑和高度，因此標注圓柱時有兩個尺寸：直徑和高度。在講切割型組合體尺寸標注時，注意建模過程盡量與實際加工順序相吻合，建模時需要的尺寸即為組合體加工時必須保證的尺寸。

組合體讀圖是教學中的重中之重，常見的二求一或補畫所缺圖線練習，這類題首先應根據給出的視圖想象三維形體，而后再去補畫漏線或第三視圖。在此筆者根據給出的視圖，抓住特征視圖，逐步創建組合體三維形體，并不斷對照給出的視圖，觀察投影的變化，通過逐步切割或疊加，最終完成形體的建模，而后根據創建的三維模型，再補畫漏線或第三視圖。

以往學生認為，這類題目有時能想象出一部分，但由于這些構思均在大腦中，是無形的，看不見，所以到后面的線條或三視圖就逐漸想不明白或想不出來，久而久之學生逐漸失去了信心，最終學得一知半解。現在引入三維建模方法，能將大腦中的構思立即轉化為屏幕中有形的實體，在此基礎上補畫漏線或第三視圖，感覺非常容易，一下子就看透了。當學生每想象出一個形體，每創建一個模型，學生獲得一種成功的體驗，心中很是愉悅，而且還會對此逐漸感興趣，形成學習的良性循環。學生的這種思維方法掌握了，組合體的畫圖、讀圖和尺寸標注就不再是難點，而看成是創建一個個有意義的模型，這樣的學習效果較傳統教學好很多。

5)機件表達方法部分主要解決一個問題，即如何清楚表達機件各部分特征。通過創建實體模型，對表達不清楚的結構剖切后表達，根據剖切平面位置、被剖形體結構特點和剖切范圍形成多種表達方法。

6)標準件與常用件的教學主要讓學生明白國標中對常用件和標準件的一些規定畫法、標記等。筆者結合UG軟件適當增加標準件庫和參數化建模的內容，讓學生明白企業實況。

7)零件圖、裝配圖教學圍繞機械圖樣上包含的4個內容展開講解。介紹讀圖方法并通過建模檢驗學生是否真正讀懂圖形。對于裝配圖，通過爆炸圖讓學生明白機器的組成，通過動畫演示各零件裝配過程和工作過程。筆者在教學過程中引導學生創建千斤頂零件模型并組裝成機器。

5 教學取得的初步效果

筆者采用這種方法在09級模具設計與制造專業093班實施教學嘗試，在制圖教學中引入三維建模內容，后經10級模具102班進行試驗，并不斷修正與總結提高，學生的空間想象能力明顯提高，識圖能力明顯增強，表現在以下三個方面。

5.1 在第一屆華東區大學生CAD應用技能競賽中成績優異

2011上半年，在機電系范圍內選拔學生參加CAD大賽，最終入選的12名參賽學生，有11人是試點班的學生，僅有一名是非試點班的。在參賽的學生中，獲獎的學生有9名，且均為試點班學生，一等獎兩名，二等獎三名，三等獎四名。

5.2 提前入門三維軟件，為后續專業課程學習打好基礎

三維建模在制圖教學中的應用，降低了教學難度，拓展了學生解決問題的思路，提高了教學質量，經過建模實踐，學生對三維形體與二維平面圖形的對應關系把握得更牢，理解更深，提高了空間想象力，尤其在后續進行零件造型、分模及仿真中，試點班學生比非試點班學生接受快，理解透。

5.3 機械制圖期末考試成績對比

09級將模具093作為試點班，10級將模具102作為試點班，，學生最終期末成績對比情況如圖5、圖6。

圖5、圖6清晰地反映了試點班學生成績優秀率、良好率明顯高于非試點班的學生。

6 幾點思考

1)三維建模軟件的學習只是工具，不是根本目的，因此，仍要保持機械制圖整個知識體系的完整性。

2)工具的使用是為了更好地掌握學習的主要內容，所以仍應重視制圖基本知識學習，不要由于引入建模、占用了一定的課時，而對制圖知識一刪再刪，這一點不可取。

3)軟件是工具，具體選擇哪種軟件與學校本身軟硬件資源有關，但是并不影響這種教學模式的嘗試與實踐，Pro/E、UG、SolidWorks、AutoCAD等高、中、低端軟件均可作為工具。

4)制圖課不是重點講解軟件操作課，三維軟件深入學習與應用仍需相關課程來補充。

7 結束語

三維建模引入機械制圖教學，在諸多高校中實施，僅是實施的模式、制圖與建模知識的結合點選擇有所不同。本文側重于原有制圖基礎知識的完整性與系統性，穿插進行三維建模的學習，目的在于輔助培養學生的空間思維能力，實踐證明這種實踐取得了一定的效果。

參考文獻

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