基于AutoCAD的3D 教學模式在工程制圖教學中的應用?

趙繼成，王蘭美

（山東理工大學 農業工程與食品科學學院，山東 淄博 255049）

0 引言

工程制圖教學中，空間想象力的培養是非常重要的一個環節，為了培養學生的空間思維能力，需要進行大量的二維與三維之間的雙向思維訓練。傳統的工程制圖教學模式多使用掛圖或實物模型，把二維的投影圖和空間實體結合起來，幫助學生讀圖。隨著現代教學方法和手段的提高，CAI輔助教學在現代課堂上表現出明顯的優勢，同時，在許多工科學生的課程設計和畢業設計中，已經廣泛使用 AutoCAD、UG、Pro／E、SolidWorks等造型工具。在這一趨勢的推動下，制圖課程已開始將三維造型內容的學習納入教學內容體系［1］，這使得工程制圖教學過程的直觀性得到充分顯現，在很大程度上彌補了學生空間想象不足帶來的教學障礙，培養了其空間思維能力。

1 工程制圖教學改革現狀

國內主流的工程制圖教學改革模式是把三維建模融入教學當中。比如清華大學童秉樞教授總結了現有各院校提出的三維內容引入方式以及由此形成的新課程體系［2］；浙江大學施岳定教授通過添加式、分離式、結合式、融合式等多種模式引入計算機繪圖和三維模式；華南理工大學陳熾坤提出從三維模型入手，直接建立從體到圖的教學體系等。總之，將三維建模引入工程制圖教學當中是未來工程制圖教學改革的一個模式。

引入三維建模并不是完全意義上取代二維繪圖，目前二維繪圖就其自身來講也有很多優勢，比如：對教學條件要求不高；可以增強初學者對工程圖的讀圖能力等。因此，工程制圖教學短期內仍然需要從“畫法幾何—二維繪圖”開始，同時引入三維建模，以培養學生的空間思維能力和對工程制圖的興趣。

2 工程制圖教學中存在的問題

教育部工程圖學教學指導委員會于2004年針對工程圖學教學的基本要求，提出了工程圖學課程的6項任務［3］：①培養使用投影的方法用二維平面圖形表達三維空間形狀的能力；②培養對空間形體的形象思維能力；③培養創造性構型設計能力；④培養使用繪圖軟件繪制工程圖樣及進行三維造型設計的能力；⑤培養儀器繪制、徒手繪畫和閱讀專業圖樣的能力；⑥培養工程意識，貫徹、執行國家標準的意識。

日常教學工作也是圍繞該任務展開的，教學過程中存在的問題大致可歸納如下：

（1）學生缺乏空間想象能力。空間想象能力差是阻礙工程制圖學習的一個重要問題，其表現在兩個方面：一方面是圖與物體分離，學生看到零件想象不出三視圖和見到三視圖想象不出零件的結構；另一方面是學生缺乏實踐經驗，對許多零件感到陌生，見到零件后所留的印象也不深。例如，投影基礎和幾何元素的投影圖是課程的基礎，但入門較難，學生不易建立空間投影體系，難以在腦海中勾畫出點、線、面、體等元素在空間的形狀和位置，很容易在學習開始階段就失去學習興趣。

（2）截交線、相貫線作圖是難點。截交線、相貫線分別表示平面截切物體產生的交線和物體與物體相交產生的交線，在二維投影圖中，它的主要表現是抽象、不直觀，尤其是在曲面立體與曲面立體相貫方面表現得更加明顯。初學者在二維和三維之間的轉換上存在許多障礙，想象不出空間物體的結構，作圖也會遇到困難。

（3）實物教學模型靈活性差。實物模型在工程制圖教學過程中發揮著很好的作用，能夠把抽象的物體展現在眼前，變得更加具體，但是隨著現在工程制圖課時量的壓縮，同時又要傳授較大的信息量，課堂上帶著很多教學模型是比較困難的事情，況且題目若有變化，模型不能立即更新，使用起來很不方便。

（4）對工程圖樣的讀圖、繪圖能力下降。過多地依賴三維模型，會造成學生思維懶惰，不能養成良好的讀圖習慣，讀圖能力下降；智能化的三維建模軟件可以生成二維工程圖樣，但是多數三維建模是基于特征的建模，生成的工程圖樣在尺寸標注上不是完全符合國家標準，甚至是錯誤的，單靠三維模型自動生成工程圖樣顯然不是一個一蹴而就的過程，仍然需要在牢固掌握工程圖樣的基礎上再利用三維造型，才是正確的學習順序。

3 基于AutoCAD的3D教學模式的引入

許多優秀的三維軟件如UG、Pro／E、SolidWorks等，更注重的是實體造型和仿真，雖然可以由實體模型生成視圖，但并不能由二維的投影圖直接轉換成三維實體。因此，雖然可以培養學生的空間思維能力，但其對于二維工程圖的繪圖和讀圖能力的提高卻成效甚微；而且這些軟件對計算機性能要求較高，掌握起來也需要一定時間。而AutoCAD雖然是低端繪圖軟件，但卻有其自身的優勢，與其他三維造型軟件相比，更便于短時間內掌握，也具有不錯的三維造型功能；更重要的是在二維繪圖方面AutoCAD具有更大的優勢。

為了解決以上問題，提出了基于AutoCAD的3D教學模式。所謂基于AutoCAD的3D教學模式，是指在教學過程中，教師借助于AutoCAD軟件及開發的開放式3D模型庫開展教學工作。當同學們對二維視圖的空間立體構思有困難時，可適時調出3D模型庫在AutoCAD下進行現場剖切、疊加等操作，也可以根據需要現場建模，豐富逼真地構建各種復雜的三維實體，對照二維投影圖進行講解，正誤對比，培養學生的空間想象力。同時也可以進行二維工程圖樣的繪制，整個過程不僅講述了二維視圖而且也展示了Auto－CAD的操作技巧。

4 教學應用實例

為了保證作圖過程的有序性和盡可能地減少出錯的幾率，下面配合一個教學實例進行作圖過程分析。如圖1所示，求作左視圖，并補齊其他投影。

（1）形體還原。形體還原時可不予考慮內部形狀，主要從外形的主要形體特征入手，勾畫物體形狀；從主視圖和俯視圖看，該形體下半部分的外形是圓柱，上半部分具有球體投影的特征 ，但是左視圖中給了一定的外形限制，因此，上半部分是球體的情況可以排除，這種結構在現實中接觸不多，學生可能對形體沒有概念，在進行投影分析的基礎上，我們可以給出形體還原后的投影和模型，如圖2所示。

（2）求外形交線。外形交線包括形體和形體的外表面相交，孔或槽與形體外表面的交線。作外形交線時可不予考慮內部情況，容易理清思路。該例中外部交線有2組，1組是豎直方向的孔和上面圓柱表面相貫，另一組是下部的“n”形槽和豎直方向圓柱外表面相貫，如圖3所示。

圖1 求做左視圖并補齊投影

圖2 外形結構還原圖

圖3 作出物體外形交線后的投影圖

（3）求內形交線。內形相交指形體內部孔和孔或槽之間的交線。題目中的內形交線是豎直方向圓柱孔和“n”形槽上半部分（半圓柱槽）相貫，此時兩孔半徑相等，相貫線在左視圖上表現為不可見直線，如圖4所示，其中A－A剖視圖為內形相貫線。

（4）補齊投影、描深。最后一步主要是檢查和補全投影工作，檢查有沒有多線、漏線現象，確認無誤后再按國家標準規定的線型要求描深，補齊完整后的投影圖如圖5所示。

圖4 物體內形交線作圖及內形剖視

圖5 補齊完整后的 投影圖

以上作圖步驟是我們在講授過程中應當遵循的一個常規解題過程，也是初學者正確作圖的入門技巧，把三維模型和二維視圖結合起來，更容易發揮計算機作圖的優勢，從而提高學生的學習興趣，和空間想象能力。

5 結束語

基于AutoCAD的3D教學模式的引入，就是在講授工程制圖的同時，充分發揮計算機輔助繪圖優勢，把抽象的空間用三維模型表達出來，同時把二維視圖和三維模型有機結合，全方位培養學生的工程制圖讀圖和作圖能力。

［1］ 葉軍，孫根正．三維建模引入制圖課程的改革研究［J］．工程圖學學報，2008，29（2）：168－172．

［2］ 童秉樞，易素君，徐曉慧．工程圖學中引入三維幾何建模的情況綜述與思考［J］．工程圖學學報，2005，26（4）：130－135．

［3］ 陳錦昌．本科工程圖學課程教學基本要求的修改［J］．工程圖學學報，2004，25（3）：101－105．