基于虛擬教學平臺的機械制圖體驗式教學改革設計與實踐

周蕊++金玉陽

【摘要】結合本校實際情況介紹虛擬教學平臺的結構功能，針對當代大學生的特點和機械制圖課程教學中遇到的問題，提出研究性教學改革設計方案，將計算機繪圖與機械制圖課程相結合，基于CAD虛擬三維環境開展體驗式教學，使學生在學習操作SolidWorks軟件的同時，逐漸培養空間想象力，形成由三維實體到二維平面圖相互轉換的思維能力，同時結合CAI課件以及Bb平臺教學平臺資源，舉例說明各重點章節的教學方法，以實現學生從教促學方式向自主學習方式的轉變，發展學生的自我探究意識與構思創想能力。

【關鍵詞】虛擬教學平臺 體驗式教學 機械制圖

【中圖分類號】G642.0 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）09-0041-03

Experiential Teaching and Practicing in Mechanical Drawing Based on Virtual Teaching Platform

ZHOU Rui

（College of Aeronautical Engineering，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China）

【Abstract】This paper described the structure and function of the virtual teaching platform with combined with the actual situation. The design of research teaching was proposed for the characteristics for the college students and the problem appeared in the mechanical drawing class. The combination of computer aided design and mechanical drawing course was implemented. The experiential teaching based on virtual 3D environment with CAD was present in order to achieve the change from the way of promoted learning to the way of self-learning. The student will gradually develop the imagination space by learning how to operate the software SoildWorks， and forming ability of conversion from 3D to 2D with combining with the CAI courseware and Bb teaching platform. These changes will help to develop the students abilities of self-inquiry conscious and creative idea.

【Key words】 Virtual teaching platform Experiential teaching Mechanical drawing

一、引言

機械制圖是一門著重培養學習者空間思維能力和構思創想能力的課程，同時也是一門實踐性非常強的重要專業基礎課程。學習這門課程對學生的空間認知能力、想象力、繪圖能力都有較高的要求[1-2]。但實際教學中發現，很多學生形成三維空間想象力很困難，單純使用講授不利于學生對知識的消化和吸收，即使采用現代教學演示方法，如多媒體教學等，其效果并不顯著。

故作者認為，基于虛擬教學平臺在三維虛擬學習環境中進行體驗式教學應該是一種不錯的嘗試，將講授控制在必要的范圍之內，利用有限的教學時間讓學生由被動學習變為主動學習，鼓勵學生獨立解決問題，真正參與到課堂互動中來，可有效地提高學生的認知水平，發展學生的探究意識與能力。

二、虛擬教學平臺的階段性特點及結構功能

虛擬教學平臺的構建[3]分為以下三個階段：初級階段、中級階段和高級階段。其中初級階段是指，吸取傳統教學優點，結合CAI課件、CAD及VR技術，實現以教師個人為單位的虛擬教學平臺構建；中級階段則指逐步完善教師個體虛擬教學平臺，實現局域網內資源共享；高級階段是構建面向本教學領域的CORBA—公共對象請求代理結構，實現異構網絡、不同系統間的信息集成，進而構建面向異地教學資源的分布式網絡化研究中心，以實現群體協同工作的模式。

以作者所在學校為例，其虛擬教學平臺主要有以下3部分構成，其功能結構如圖1所示。

1.多媒體教學（CAI課件）

隨著CAI（Computer Aided Instruction，計算機輔助教學）的不斷發展，多媒體教學廣泛應用到課堂，尤其是對于制圖課程來說，CAI課件確實帶來了革命性的變化，其動態的演示過程使學生更容易理解和觀察，故成為當今教學的主要手段，也為虛擬教學平臺創造了條件，進行必要知識的講授。

2.Bb教學平臺資源共享

Bb教學平臺是在計算機網絡的基礎上，將各教學單位結合在一起，成立專門的分布式網絡化研究中心管理機構，負責協調和組織教學系統不同單位的資源，以便促進教師、設施的優化組合，協調各方關系，提高教學科研設置的利用率，實現資源共享。制圖課程中的CAI課件，虛擬模型庫，以及相關練習題都共享在此平臺，方便學生自主學習。

3.CAD虛擬學習環境

隨著CAD技術的不斷發展和完善，繪圖設計已從最初的二維逐步普及到三維立體繪圖，這不僅是改變了立體顯示效果，其參數化特征建模使設計功能和設計自動化水平大幅提高。機房統一安裝了CAXA和SolidWorks軟件供學生使用，使學生在CAD虛擬環境中完成體驗式課堂教學。

三、基于CAD虛擬三維環境的體驗式教學

自制圖課程經歷改革之后，幾乎以CAI課件進行講授，較之前看掛圖、黑板手繪講解的時代，課堂效率更高也更易被學生接受，但由于課時大幅壓縮，學生在課堂上看得多動手少，學習效果并不理想，學生的讀圖和畫圖水平并沒有隨著現代化教學手段的升級而有明顯提高，反而略有下降。這一現象可由經驗之塔[4]理論做很好地詮釋，即教育應從做的具體經驗入手，逐步過渡到抽象經驗，符合人們認識事物的規律。單純地完成講授，往往是基于完成教學任務、方便教師教的角度設計的，而不是從學生的學習需求和學習可能性出發。

尤其是大對學生，要更多地鼓勵以主動的方式去學習，將學生探究的態度、意識及能力當作教學的重要任務[5]。故提出在CAD虛擬三維環境中進行體驗式教學，可以讓學生直接參與到其中，易于培養學生的觀察和認知能力，使立體模型和平面三視圖之間的轉換更容易理解；同時結合CAI課件進行知識點及方法的必要講授，讓學生在聽和看的同時，可以自己體驗建模的過程，有助于學生的理解和吸收，很多學習難題就可迎刃而解。

下面舉例說明如何利用上機課營造的CAD虛擬學習環境，同時結合CAI課件完成體驗式制圖課堂教學。

1.平面與立體相交

關于截切，很多初學者認為很難想象出物體截切后的樣子很難，畫出其三面投影更是無從下手。若在課堂上利用SolidWorks演示物體截切過程，且采用多視圖展開顯示，如圖2所示，可啟發學生的空間想象力，同時學生可以通過電腦用鼠標自行拾取模型中的任何一個面、線或是點，系統里將會同時顯示出它在三視圖中的相應位置，可幫助學生理解立體模型與三視圖的轉換關系，同時結合CAI課件講授作圖方法及步驟。學生由三維模型入手，親自體會模型中點、線、面在三視圖中對于的位置關系，更容易理解吸收。

2.立體與立體相交

相貫的難點在于，隨著兩個相交立體尺寸的變化，相貫線的形態、位置呈規律性變化。若用SolidWorks構建兩個相交立體，利用模型樹展開特征編輯尺寸，可隨時改變其中一個立體，使學生方便觀察相貫線的變化過程，如圖3所示，提升學生的形象思維，便于自己總結歸納出相貫線的變化規律，同時再結合CAI課件講授如何利用表面取點法和輔助平面法來進行相貫線的求解。

3.組合體

組合體的繪制需要學生具有一定的空間想象力，通過已知兩個視圖的投影構思出立體模型，然后進行未知視圖的投影；若用SolidWorks進行模型的構建，可利用特征樹當中的回溯棒來模擬學生的構思過程，如圖4所示，幫助學生進行立體思維訓練，提升形象思維和空間創新能力，逐步掌握形體分析法和線面分析法的求解過程。

圖4 組合體挖切和疊加過程

4.剖視圖

剖視圖需要表達立體內部的結構形狀，更是需要學生具有很好的空間分析能力。學生總是搞不清楚哪里需要剖切，哪里應該畫剖面線。利用SolidWorks的拉伸切除功能不僅能幫助學生構思建模，還可沿假想平面切開，使學生真實地觀察到不同剖切位置得到的內部結構形狀，如圖5所示，從而加深對剖視圖畫法的理解和認識。

5.零件圖和裝配圖

由于缺乏工程實踐經驗，學生對零件圖和裝配圖的認讀不夠深入，尤其是技術要求部分，若只聽老師講授書中知識點，學生不好理解也很難記住。若在CAI課件講解的基礎上結合SolidWorks建模、裝配以及工程圖的相關功能，可以很好地將零件圖和裝配圖的有關知識串聯在一起，加深學生的理解，提高學生的識圖讀圖能力。

以裝配體齒輪減速器為例，如圖6所示，其零件組成包含軸類、盤類、箱體類以及標準件和常用件。通過拉伸切除功能即可讓學生在上機時自行完成零件軸、端蓋以及齒輪的構建；標準件可以根據代號直接從SolidWorks的標準件庫中調取；箱體建模較為復雜，由于課時有限由老師輔助完成；通過學生自己建模可加深其對零件上的工藝結構如鑄造圓角、倒角及螺紋等的理解。然后通過裝配功能，讓學生自己觀察各零件之間的聯接關系、傳動路徑以其在裝配體中的作用，待完成裝配關系之后，可利用鼠標拖動簡單實現運動仿真，方便學生觀察理解減速器的工作原理，進而有助于對技術要求的掌握。最后可利用工程圖模塊，將零件或裝配體進行自動投影，選擇適合的剖切方法完成視圖表達，如圖7所示，進一步加深學生對裝配體內部結構及裝配關系的認識。

四、結論

1.隨著科學技術的不斷發展，虛擬現實在教育中的應用得到不斷的推廣，三維虛擬學習環境也在此基礎上得到不斷完善，本文提出的基于CAD虛擬三維環境的體驗式教學改革設計， 可以在很大程度上實現以教促學方式向自主學習方式的轉化，將計算機繪圖與機械制圖課程相結合，在采用CAI課件講授的同時讓學生逐步掌握軟件建模的基本功能，使學生可以主動探究、獨立學習。

2.通過部分上機課程實踐，學生反饋出了很好的吸收效果。此種教學模式強調了學生通過自身體驗來獲得知識，教師為促進學生探究而講授，將講授控制在必要的范圍之內，留出指導、輔助學生學習的時間，讓學生自己去發現問題。若進一步結合CAXA平面繪圖軟件，在硬件條件允許的情況下，可實現完全在CAD虛擬平臺中開展機械制圖課程教學。

3.在虛擬教學平臺中，教學內容可以不斷更新，使課程練習內容及時跟上技術的發展，符合當代大學生喜歡不斷求新的心理特征，同時，與時俱進的教學內容有利于活躍學生的思維，激發其學習興趣，展現其創新意識。

4.隨著計算機技術的不斷發展，各種圖形及分析軟件的功能日益強大，將制圖教學與CAD技術緊密結合，已成必然趨勢，此外，若結合工程實踐開展教學，利用CAD軟件功能解決工程問題，可預先引導學生將多門課程的知識進行有效地融合，為后續課程的深入學習拋磚引玉，為拓展學生素質教育開啟嶄新的平臺。

參考文獻：

[1]楊惠英，王玉坤.機械制圖[M].北京：清華大學出版社，2011：1-5.

[2]孫蘭鳳，梁艷書.工程制圖[M].北京：高等教育出版社，2014，1-10.

[3]趙海暉，綦耀光，牛文杰.虛擬教學平臺與機械制圖柔性教學[C].第一屆中國圖學大會，煙臺，2007，555-557.

[4]孫子嫻.基于VR-Platform的三維虛擬學習環境的設計與開發[D].上海師范大學碩士論文，2009.

[5]陳佑清，吳瓊.為促進學生探究而講授——大學生研究性教學中的課堂講授變革[J] .高等教育研究，2011，32（10）：94-99.

項目資助：CAUC-ETRN-2015-61