利用三維技術提高《機械制圖》的教學效果研究

王群山，劉美蘭，張秋云

(商水縣第二職業中專，河南 商水 466100)

利用三維技術提高《機械制圖》的教學效果研究

王群山，劉美蘭，張秋云

(商水縣第二職業中專，河南 商水 466100)

為了提高中等職業技術學校學生的機械制圖的教學效果，提高學生的專業基礎能力，運用現代技術-計算機三維技術，直觀生動地展現傳統教學中的平面到立體、立體到平面等難題，極大地提高了學生的理解能力與掌握程度，同時提高了學生的學習興趣和熱情，最終提高了學生的專業知識和技能，改善了機械制圖的教學效果。

三維技術；機械制圖，建模技術

《機械制圖》是中等職業技術學校機械、數控技術等專業的一門專業基礎課。既有系統的理論知識，又有實踐性較強的專業技能。它往往要求學生掌握繪圖的基本技能，掌握正投影的基本原理和表達空間形體的方法，既培養學生零部件三維空間的思維能力和想象能力，又培養學生讀圖和繪制機械工程圖樣的能力。由于中職學生的基礎薄、底子差，對知識的理解和運用能力不強。教學設備落后，傳統的“黑板、粉筆、一張嘴”教學方法，已難以把現代學生的學習積極性調動起來。同時以考分考核為目的的教學手段也阻礙了學生對機械制圖等能力的培養，學生只能停留在理論的空洞想象中。這就造成很多學生學習機械制圖普遍感覺很難，甚至有些學生有恐懼感。

筆者在長期的教學實踐中發現，學生們普遍存在空間想象能力不足，由平面圖形往往無法想象到具體的空間立體形狀。同時有些學生對所學知識的靈活運用能力較差。因此如何把復雜的幾何問題簡單化及形象化一直是《機械制圖》教學的難點。筆者認為教師應該從機械制圖教學中遇到的難點作為突破口，運用現代教育教學理念和計算機新技術引導學生，激發學生學習的興趣，提高機械制圖的教學效果。

1 《機械制圖》教學的現狀

目前《機械制圖》教學多采用“粉筆——黑板——掛圖——模型”的傳統教學方法。盡管它通過手繪圖方式訓練和提高了學生的理解和動手能力，但是以教師為中心、填鴨式的單向教學嚴重制約著學生空間想象能力的培養。黑板做圖費時費力，重復勞動多，課堂時間利用率不高；掛圖和模型單一，缺乏連續性，難以直觀準確地表達立體，阻礙了學生的學習興趣。同時，教師與學生之間缺乏互動，課堂氣氛呆板沉悶，不能讓學生參與進來；老師照本宣科，只重理論不重實效，加上內容枯燥，教材陳舊等等，這些都不利于培養學生的觀察判斷、空間想象、分析思維以及創新創造能力。不僅影響了教學效果，也難以實現素質教育的目標。因此，傳統教學手段已不能適應現代制圖教學的形勢和要求，需要運用現代三維新技術突破機械制圖教學難點，增強學生學習興趣，改善機械制圖的教學效果。

2 三維技術的優勢及特點

三維技術就是使用三維CAD軟件工具對機械零部件的空間立體特征進行直觀形象的建模分析技術。它非常適用于機械零部件圖的三維到二維的相互轉化，從而可以用來中職機械制圖的教學，以幫助中職生對該課程中難點的理解與認識，更有利于提高他們的學習效果。目前在國內使用較多的三維CAD軟件有CATIA、UG、Pro-E、Solidworks、Solidedge等，這些軟件的三維功能都很強大，基本上都能滿足機械制圖教學的使用。

這里主要以CATIA軟件為例，簡單介紹一下三維技術的優勢及特點。使用CATIA軟件可以對零部件進行三維實體建模、曲面造型、虛擬裝配、運動分析及工程圖轉化等，并且可以對各個模型或部件進行渲染及動態演示，可以極大地提高學生學習的興趣。通過對立體模型各部分剖視、旋轉、組合、拆分，可以鍛煉學生的形體分析法，增強學生的感性認識和空間構思能力。CATIA的建模模塊提供了草圖、曲線、拉伸/旋轉實體、拉伸/掃掠曲面等工具，可以設計各種復雜結構的實體和曲面。制圖模塊可以獲得與三維模型相對應的二維圖，并且可以完成任意的剖視圖。同時，當3D模型改變時，二維圖也會隨之更新。這兩個功能模塊在協助講解組合體以及機件的表達方法內容時，能通過迅速改變實體的形狀，讓學生從各種不同的角度觀看和了解形體，提高學生視圖的分析能力。為了了解復雜裝配體的內部結構，可以利用三維CAD建立裝配體的爆炸圖，并且還可以添加約束以進行運動仿真。非常直觀地展示出裝配體中各零件之間的裝配約束關系，使學生進行便于觀察與理解，這樣教學內容清晰、生動，極大地增強了學生感知和認知。

3 三維技術在《機械制圖》教學中的應用

用現代化手段來展示立體空間模型，使學生由三維立體形狀快速轉換到二維平面圖形的飛躍已成為教學的重要手段。用三維圖來解決二維圖的有關問題，形象直觀，有利于激發學生學習興趣，調動學習的積極性，是一個行之有效的方法。下面通過解決機械制圖教學過程中的重點難點，討論三維CAD技術在機械制圖教學中的實際應用。

（1）組合體的應用舉例。此例考查組合體表面間的連接關系。組合體中各基本體間的表面連接關系一般分為相接、相切和相交幾種情況。此題考查了相接與相切。四個圖例顯示圓筒與底板均為相切，故無交線、難點，底板上放置的物體不同得到的交線也不一樣。如圖1所示。如果只是給學生說出答案，他們未必能掌握。而如果把幾個物體的三維圖并排放著，如圖2所示。讓學生認認真真找出它們之間細微的差別，反復比較它們之間的區別，學生就會清晰地記著，由于放置的物體不同，那么交線也會不一樣。這也培養了學生認真負責的學習態度和一絲不茍的學習作風。

圖2 組合體三維模型

（2）切割體的應用舉例。此例在教科書上要求用線面分析法識讀壓塊三視圖。運用線面分析法讀圖就是將視圖中的每一個線框看作物體上的一個面（平面或曲面）的投影，利用投影關系，在其他視圖上找到對應的圖形，再分析這個面的投影特性（真實性、積聚性、類似性）。確定這些面的形狀，從而想象出物體的整體形狀。這個方法看似簡單，但大部分學生難以辦到。這類切割體在運用線面分析法之前需要先進行形體分析。如果進行形體分析時就知道物體怎么切割的，并且能用三維圖表達出來，那么線面法就無用武之地，如圖3所示，由三視圖可知，其基本形體是一個長方體（如圖4所示），右部從上往下開有一個沉頭孔；由主視圖知，長方體左上方切掉一角；由俯視圖可知，長方體的左前方和左后方各切掉一塊；由左視圖知，長方體的下前方和下后方有各切去一個長條，如圖5所示。分析之后，如此這樣就可以畫出三維圖形了。用三維圖形不就比用線面分析更能引起學生的興趣和求知欲。再者，有了三維圖再去求證線面關系，如此反反復復學生不就掌握了嗎？

圖3 切割體壓板三視圖

圖4 切割體基本體

圖5 三維切割示意圖

（3）相貫線的應用舉例。如圖6所示，五組視圖中左視圖相同，主、俯視圖位置排錯，請把對應的主、俯視圖連起來。此題主要考查的是相貫線，相貫線的作圖方法一般是輔助平面法。步驟：①求特殊點；②求一般點；③連接各點并判斷其可見性。雖然這個步驟很簡單，但是如果沒有三維圖讓學生憑空想象，大部分同學感到為難。而借助于三維圖卻能一目了然，如圖7所示。把這幾個三維圖放置在一起比較，學生能很直觀的理解圓柱與圓柱相貫為圓弧，圓柱與長方體相貫為錯位線，且內相貫與外相貫同理，況且有了三維圖，無論從哪個角度都可以觀察到相貫線的走勢是一樣，這為以后再碰見類似的題打下了堅實的基礎，也為圓筒壁上開圓孔或方槽打下了基礎。為此，學生會覺得輕輕松松就把相貫線給掌握住了，這也增強了學生的學習興趣。

圖6 相貫線的五組視圖

（4）剖視圖的應用舉例。此例為三維圖形在剖視圖中的應用，如圖8所示。剖視圖顧名思義假想把物體剖切開來看看內部的形狀。在講解剖視圖時同學們容易迷糊的一般有以下幾點：①不知道在什么地方畫剖面線；②不知道剖切的位置；③ 容易漏畫剖切面后面的可見輪廓線；④剖切后的虛線當省不省。針對以上幾點，無論老師講解再清楚明白，學生還是難以接受。這時如果有三維圖形那就輕松多了。如此例，根據主俯視圖先讓學生想象出物體的形狀：半圓頭的長方底板，右邊U型的立板，切槽和鉆孔，左邊放置一個圓柱和長方體相連的一個物體，且切去一個和外形一樣的槽，在槽的下方還鉆了一個通孔，同時薄壁上前后各開了一個長方體槽，這時拿出三維圖形去印證學生的想象。如圖9所示。然后老師再清楚講解階梯剖的剖切位置，移去移除部分，將保留部分投影到W面，讓學生再想象還剩余什么，最后把剖切后的三維視圖展示給學生，如圖10所示，這樣學生就很容易掌握了剖視圖。在這一教學過程三維模型視圖起著至關重要的作用。

圖8 補畫全部左視圖

圖9 零件三維模型

圖10 零件的三維剖視圖

4 三維技術在機械制圖教學應用引發思考

以上只是針對教學中的幾個例子作為分析，并不能以偏概全，并且零件圖和裝配圖更適合用三維圖去表達，在此不再一一舉例說明。通過這樣的題例可知，制圖教學并不是很難，只要用心。當前是以網絡技術和計算機為主體的信息技術飛速發展，知識經濟、網絡經濟迅猛發展的時代。作為教師也應該更新教育觀念、教育模式、教學方式和教學手段，以便跟上時代發展的腳步，主動探索各個學科應該怎樣更好地契合當前時代發展的需要，為國家培養更多更精的高技術人才。

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Research on Teaching Effect of“M echanical Draw ing“by Using 3-D Technology

WANG Qun-shan，LIU Mei-lan，ZHANG Qiu-yun
（Shangshui County Second Vocational Technical Secondary School，Shangshui，Henan 466100，China）

In order to improve the teaching effectofmechanical drawing of secondary vocational technical school，improve the students'ability，using themodern technology，computer three-dimensional technology，vividly visual plane to the threedimensional，three-dimensional to plane in traditional teaching，has greatly improved the students'ability in understanding and mastering of knowledge，at the same time improved the students'learning interest and enthusiasm，eventually improved the students'professionalknowledgeand skills，and the teaching effectofmechanicaldrawing.

3-D technology；mechanicaldrawing；modeling technology

G434

A

2095-980X(2016)08-0081-03

2016-06-29

2015年周口市職業教育教學改革項目，立項名稱.如何提高機械制圖的教學效果。項目批準號ZJ201508，項目主持人：王群山，主要成員：張秋云，劉美蘭

王群山（1973-），男，河南商水人，大學本科，主要研究方向：教研課題。