三維CAD動態建模輔助工程制圖教學的方法

吳擎　楊揚　夏俊芳　劉梅英

[摘 要]三維動態建模輔助工程制圖教學實踐的方法是通過組合體投影、組合體形體分析等內容與三維動態建模的多視角、草圖建模、參數驅動等特點有機結合，使得投影規律、組合體的畫圖和讀圖等內容直觀化、動態化，符合學生的認知思維。教學實踐表明，該教學方法是行之有效的，可有效提高學生的學習興趣和積極性，增強學生的空間想象力和空間思維能力，培養畫圖和讀圖能力。

[關鍵詞]工程制圖 三維CAD動態建模 動態輔助

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2015）09-0161-02

隨著計算機技術和圖像算法的快速發展，將二維、三維CAD融入工程制圖課程的教學改革逐漸受到廣泛關注。[1]國外一些大學也正嘗試無紙化教學，將三維造型和計算機繪圖直接引入工程制圖課程。國內一些大學在工程制圖教學中也嘗試引入三維CAD軟件，具體體現在：王建華等系統論述了三維建模入手的工程制圖教學改革方案；[2]張京英等對比和論述了不同的三維CAD教學模式；[3]張淑艷等介紹了三維CAD輔助工程制圖教學的方法；[4]同時《畫法幾何及機械制圖》等教材也在書中前面章節首先簡單介紹了三維CAD軟件，將計算機三維造型的內容與二維繪圖一樣，融合到教學的全過程中，成為全書的主線，以便輔助學生學習。[5]

本文主要研究三維CAD動態建模在工程制圖教學中與知識點的融合和應用，采用動態建模過程在視圖投影、相貫線、組合體畫法和組合體讀圖等幾個知識點來闡述這一方法，增強了學生學習的興趣，提高了學生的構型思維，加速了學生在三維和二維之間的思維轉換效率，教學效果良好。

一、動態多角度觀測物體與視圖直觀建立

如圖1（a）所示為一幾何形體在投影面系中投影的過程，其中藍色的為物體，白色線框圍成的為投影面系，選擇任何一投影面時，可以直接將物體投影至該投影面，形成視圖，使學生直觀感受投影視圖的生成。圖1（b）采用三維圖形選擇四視圖模式，采用三維軟件一步形成主視、俯視、左視和正等軸測圖，當從正等軸測視圖上選取形體上任意點、線、面，并高亮表示時，都可以看到其他視圖中也隨即高亮顯示，以此幫助學生建立空間概念，進一步加深學生對“長對正，高平齊，寬相等”的理解。

二、組合體動態畫圖和讀圖模型

如圖2所示的組合體由底板、圓柱、肋板組成。組合體造型過程和投影視圖的變化如圖所示，圖中給出了三維模型隨著基本體增加，相應視圖發生變化的情景。其中第一幅是底板，可由草圖拉伸成型；圓柱由繞旋轉軸的草圖旋轉成型；肋板由草圖拉伸成型。從圖中可以清楚地分析出輪廓線和內部線框的投影，即輪廓線為最外圍，內部線框是由其他特征在輪廓線內進行的切割、凸起等操作形成，按照投影關系動態演示形成組合體的各個基本體的視圖，明確了畫圖的順序。

三、相貫線變化動態觀測

圖3所示的是圓柱與圓錐相貫時，圓柱直徑尺寸變化引起的相貫線變化的典型特征。用來說明表面性質和相對位置相同而尺寸不同時對相貫線的影響。建模采用參數驅動方式將這一過程動態化，直觀的幫助學生理解這一演化過程，便于掌握相貫線畫法。

四、剖切面表達剖視圖形成

圖4給出了一個典型的軸類零件的三維模型動態顯示過程。此軸類零件主體由5部分構成，其中兩端和中部都開有鍵槽。圖4（a）是完整的三鍵槽軸模型，圖（b）-（d）是平行于軸端面的截面沿著軸線分別對三個鍵槽進行截切。這樣可以清楚的看清截面與零件體的結交線，分析出其輪廓形狀，便于學生理解。

五、結束語

在工程制圖課程的教學當中，首先需要解決三維立體物體投影二維的問題，即繪圖的“空間-平面”的過程，再解決由“平面-空間”的讀圖過程。在課堂教學中，選擇性的采用三維CAD設計和造型，利用其動態演示功能，多視角觀測，可以事半功倍的將傳統教學中抽象的概念明晰化，提高效率，再結合手工制圖，可以增強課堂學習效果，降低了抽象的構圖思維入門難度，可以顯著提高學生空間想象力，培養學生的圖形分析、圖像二維和三維轉換的能力。[6]

[ 注 釋 ]

[1] 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（4）：130-135.

[2] 王建華，李曉民，楊莉，呂梅.由三維建模入手的工程制圖課教學改革實踐[J].工程圖學學報，2008（6）：123-126.

[3] 張京英，羅會甫，張彤，等.三維造型設計與工程圖學的有效融合[J].工程圖學學報，2011（6）：151-154.

[4] 張淑艷，雷光明，成彬，等.三維CAD輔助工程制圖教學的方法[J].圖學學報，2014（3）.

[5] 常明著.畫法幾何及機械制圖（第4版）[M].武漢：華中科技大學出版社，2009.

[6] 陳彩萍，譚建榮.工程制圖CAI課件中學習情境的設計[J].工程圖學學報，2011（1）：138-142.

[責任編輯：鐘 嵐]