基于AutoCAD技術《機械制圖》課教學方法的探討

郭延文

（湘潭大學 湖南 湘潭 411100）

1.問題的提出

圖樣是表達和交流技術思想的重要工具，是企業工程技術部門的一項重要技術文件。設計人員通過圖樣來表達設計意圖。加工人員以圖樣作為生產依據，機械設備操作人員也要通過圖樣來了解機器設備的結構和性能。所以機械工程技術人員必須熟練掌握這一工具，要具有繪制和閱讀機械圖樣的能力[1]。

《機械制圖》是大專院校、科研所的機械類及其相關專業學生必修的一門主干技術基礎課[2]，在課程設置中，《機械制圖》一般是安排在大學一年級第一學期開設，開設該課程是為了培養學生的空間能力、立體思維能力、讀圖能力、繪圖能力和嚴謹的工作作風，為后續課程或將來繼續深造打下基礎，也為其走向工作崗位打下基礎，以滿足現代企業對綜合性應用型人才的需求。《機械制圖》是一門實踐性很強的課程[3,4]，其主要內容包括制圖的基本知識、投影基礎、基本立體及其交線的投影、組合體的視圖及尺寸標注、軸測圖、圖樣的畫法、常用件和標準件、零件圖、裝配圖等。

剛進入大學的新生由于缺乏工程實際方面的感性認識和實際經驗[5]，在課程學習過程中有許多內容在短時間內難以理解和掌握，譬如立體的投影、立體的截交線和相貫線、組合體的三視圖、機件的結構及其表達方法、機器的裝配及其裝配圖等。總而言之，就是空間想象能力不夠的情況下，難以理解空間體和投影圖之間的關系。

《機械制圖》課程傳統的教學方法是結合教學模型、三角板、圓規、粉筆等在黑板上作圖和板書為主，體現為平面性教學[6]。在該方法的教學過程中，如果繪圖對象很簡單，通過教學模型的展示，學生能夠理解和聽懂，反之，必須要求學生具有良好的空間想象能力，否則理解就很困難了，因為缺乏較復雜對象的教學模型。這樣一來，對大多數學生來講，在有限的時間里，由于空間想象能力的缺乏，傳統的教學方式只有效地傳授給學生較少量的知識[6]，學生也只能理解和接受較少的知識。如果在《機械制圖》課程教學中應用AutoCAD技術，再結合多媒體，使授課內容形象、直觀和生動，且通俗易懂，大大降低《機械制圖》課程學習的難度，節省課堂教學時間，且能夠激發學生的學習積極性和興趣[7]，讓學生快速地掌握該門課程的知識和重點、難點，提高課堂的教學質量和效率。

AutoCAD是由美國Autodesk公司開發的設計類軟件，自1982年誕生以來，一直是工程設計領域應用最廣的軟件，其最為基本功能之一就是繪圖，可以繪制二維圖形、三維立體圖形，而且操作簡單。

筆者從事《機械制圖》課程的教學已經多年，應用AutoCAD繪圖技巧和相應功能，對于該課程的教學頗有幫助，現從以下幾個方面談談Auto-CAD在該門課程教學中的運用情況。

2.三面投影體系［1，2］

為了表示物體的整體大小和形狀，必須從幾個不同方向畫出物體的投影圖，在工程圖樣中，通常采用與物體的長、寬、高對應的三個互相垂直的投影面，這樣就構成投影的三面投影體系，工程圖樣就是基于這樣的投影體系，對于初學者來說，有些學生理解不了投影體系，搞不清投影體系形成的投影（也叫視圖）與物體之間的關系，也不明白投影與工程圖樣的聯系，如圖2-1所示。

圖2-1 幾何體的三視圖

如果運用 AutoCAD 繪制其立體模型圖［8，9，10］，如圖2-2所示。結合多媒體可以簡單而又直觀地說明三面投影體系及三視圖，如圖2-3所示。

圖2-2 幾何體在三面投影體系中空間狀態

圖2-3 幾何體的三面投影體系及三視圖

3.截交線和相貫線

截交線是截平面與立體表面的交線，相貫線是指立體表面相交形成的交線[1,2]。對于這些概念，多數同學都能理解，但是對于各種截交線和相貫線具體形態，由于空間想象能力的不足，許多同學想象不出，因此給教學帶來困難。鑒于此，適當運用AutoCAD的繪圖功能，特別是三維繪圖功能，此問題就迎刃而解了。

3.1 理解和繪制平面立體的截交線

如圖3-1所示，這是一個由基本幾何體（三菱椎體）切割而成的幾何體，對于初學者來講，較難想象出其空間面貌。因而正確繪制出截交線（截交線都是直線段）就更難了。

圖3-1 幾何體三視圖

圖3-2 幾何體的立體圖

如果用AutoCAD的三維繪圖功能，建立其立體模型［9，10］，如圖 3-2 所示，而且能從不同的視角觀察，那么直觀的空間形態就會容易理解了，有了這樣的立體效果圖的幫助，在繪制其圖形就簡單了。

3.2 理解和繪制曲面立體的截交線

如圖3-3所示，這是一個由基本幾何體（椎體）切割而成的幾何體，其截交線既有直線段部分，又有曲線段，對于初學者來講，正確繪制出繪制其圖形有相當的難度。

圖3-3 曲面立體的截交線

圖3-4 曲面立體三維模型

如果建立其三維模型，如圖3-4所示，而且能從不同的視角觀察其模型，學生就可以清楚、直觀地看到截交線的位置和形態，這樣就可以把該幾何體的三視圖畫出來了。

3.3 理解和繪制曲面立體的相貫線

如圖3-5所示，這是一個由基本幾何體（椎體）切割和疊加而成的幾何體，輪廓線既有截交線，又有相貫線，其截交線、相貫線既有直線段部分，又有曲線段，對于初學者來講，理解和繪制其圖形有些困難。但是用AutoCAD建立其三維模型，從不同的視角和結構內外觀察其模型，就可以清楚、直觀地看到交線的位置和形態，同時，也理解了這個集合體的結構，如圖3-6所示。

圖3-5 曲面立體的相貫線

圖3-6 曲面立體的相貫線立體模型

4.組合體三視圖的繪制

在工程上稱投影圖為視圖。按機械制圖國家標準的規定，把物體的三視圖，即V面、H面和W面投影分別稱為主視圖圖、俯視圖和左視圖［1，2］。機械零件的種類繁多，形體各異，但通過分析，就不難看出它們的形體都是由一些基本幾何體組合而成，稱為組合體。組合體的組合方式可以分為堆積和挖切兩種基本形式［1，2］。掌握組合體的三視圖的繪制是學畫機械零件圖的基礎，組合體的三視圖是正投影法的應用，綜合了點的投影、直線的投影、面的投影以及他們之間的相互位置關系，繪制其三視圖都是由由簡到繁、由易到難，循序漸進地完成該知識的學習。

在教學過程中，如果只運用傳統的教學方法，會達不到較好的效果和效率，主要是因為，一是組合體的教學模型有限，給學生展示的多半是一些簡單的組合體，代表性不強；二是繪制組合體三視圖時，圖線較多，特別對于一些復雜的組合體來說，更是如此。應用AutoCAD強大的繪圖功能和多媒體技術，這些都不是問題。以下圖組合體的繪制為例說明其三視圖的繪制。

這個組合體結構很典型，也相復雜，要正確繪制其三視圖，必須能夠先想清楚其立體結構，包括其細節，然后按照三視圖的繪制規則完成圖形的繪制。

教學過程分兩大步：一是用AutoCAD三維功能建立組合體的立體模型（備課時完成），講授時能夠改變模型的位置，讓同學們看清其結構，如圖4-1所示。二是用AutoCAD平面繪圖功能完成三視圖，如圖4-2所示。

圖4-1 組合體的立體模型

圖4-2 組合體的三視圖

5.剖視圖

在《機械制圖》課程教學中，隱藏的輪廓線，一般采用虛線表示的形式，如圖5-1所示，當隱藏面較多時，圖紙就變得復雜難懂。針對這一個特點，利用 AutoCAD 軟件的刨切功能［9，10］，可以用軟件將繪制好的實體剖開并著色渲染，如圖5-2所示，學生讀圖時更加直觀明了，這是普通教學工具所達不到的理想教學效果。

圖5-1 隱藏的輪廓線

圖5-2 實體剖開并著色渲染

6.習題課

學習《機械制圖》這門課，最大的特點之一就是多做練習，通過大量練習才能真正對其內容理解、消化和鞏固。所以習題課也是授課教師應該重視和加強的。上課時，傳統的教學方法需要一些教具，比如圓規、三角板、粉筆、教學模型、教鞭、黑板及黑板刷等，在做習題講解時，用這些工具一筆一劃地完成習題圖形，教師在黑板上作圖時，有時身子擋住視線，學生根本看不到做圖步驟，特別是在講授復雜機件的三視圖時，每完成一步必須停下來解說，同時，三視圖的圖線也很多，特別是作圖時的輔助線很多，而這些輔助線不能很好的定位，影響作圖的準確性，同時，有些輔助線是不便檫掉的，使試圖面很混亂，一堂課下來也完成不了一個習題，這不僅僅是授課效率低，而且學生聽課效率也低，達不到很好的教學效果。如果用AutoCAD結合多媒體來講習題課，那就好多了，如圖6-1所示。

用AutoCAD比用傳統方法有幾個優點。

第一.整過講解過程視線沒有任何遮擋，通過教師的講解和使用鼠標、激光筆的指示，學生都能清楚地看到作圖步驟。

第二.對于較復雜的機件完成三視圖時，輔助線很多，AutoCAD能很精準[9,10]的確定其位置，且根據圖面的需要對輔助線可很靈活的處理：隱藏、刪去、保留等，從而保證整個圖面的清晰。

第三.作圖過程可以保留下來，而且可以重復觀看作圖步驟，如果有些同學沒聽懂或看懂，可以在課堂重現作圖步驟或COPY圖形文件，課后再學習，這是傳統方法是達不到的。

第四.效率高，用AutoCAD技術講習題課，一堂課可以講授數個習題。

圖6-1 AutoCAD作圖

7.結論

由上可知，在《機械制圖》這門課的教學中，結合多媒體技術，合理使用AutoCAD軟件的相關功能，特別是AutoCAD軟件的三維設計功能，可以實現“體一平面一空間”的相互轉換，把實體模型以立體圖形的形式展現給學生，同時，教師不但可以將實體模型的整個造型過程展示給學生，而且還可以讓學生通過AutoCAD軟件的演示，觀看到實體的各個細節，增加了教學內容的直觀性，讓學生在讀圖時更加通俗易懂，使教學過程生動有趣，從而充分調動學生學習的積極性和主動性，在很大程度上，提高了教師授課的效率，也提高了學生學習的效果。