虛擬模型庫在《工程制圖》教學中的應用

楊小平

(甘肅農業大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

《工程制圖》是工科專業學生必修的一門專業基礎課程，它對后續專業課程的學習有著直接的影響[1].隨著招生規模的不斷擴大，學生的整體素質存在逐漸降低的現象，還有教學改革伴隨的學時量減少等都對《工程制圖》教學提出了嚴峻挑戰，許多學生在該門課程的學習中存在困難.為了提高教學質量，教師在上課時采取了很多辦法，如傳統的掛圖和實物模型、如今的計算機繪圖等，這些方法能夠增強學生的感性認識，有助于學生的課程學習，但同時存在一定的不足.傳統的掛圖和實物模型有著成本高、攜帶困難、數量有限以及與教材不一致等缺點，單一的計算機繪圖因為沒有形成體系也已不能滿足現代教學的需求[2].

隨著科技的發展，計算機技術普遍應用到課堂教學，應用計算機輔助設計軟件建立三維虛擬模型庫，開發之后可以作為教學資源應用到《工程制圖》教學中，既豐富了多媒體教學手段，也能幫助學生能更好地掌握該門課程的學習.

1 虛擬模型庫的設計

本文根據高等教育出版社《工程制圖》教材內容建立的虛擬模型庫包括了教材配套模型庫(基本形體、組合體、機件表達方法、標準件等)、習題集配套模型庫和測繪配套模型庫，涉及教學內容中的全部模型.利用計算機軟件制作的虛擬模型，既實現了三維實體展示和動態仿真，又能夠實現二維圖形的表達，便于教師和學生使用，不受時間和空間限制[3-5]，模型庫結構如圖1所示.

圖1 模型庫結構圖

2 虛擬模型庫的建立

2.1 用SolidWorks軟件建立虛擬模型庫

目前計算機繪圖軟件較多，主要有Pro/E、CAXA、UG、SolidWorks 等，本文以SolidWorks 2018為例建立《工程制圖》虛擬模型庫.用SolidWorks軟件的拉伸、鏡像、旋轉、倒角等功能繪制出基本實體模型，通過修改尺寸生成新的虛擬模型，建立的虛擬模型實體及分解圖如圖2所示.

圖2 軸承座虛擬模型實體及分解圖

2.2 生成二維視圖

用SolidWorks軟件建立的虛擬模型能直接生成二維視圖，包括三視圖、局部視圖、剖視圖和軸測圖等，在生成的視圖中可標注尺寸.由于模型和視圖是相互關聯的，可通過修改兩者中的任意一個尺寸得到新的三維模型和視圖，生成的三視圖(如圖3所示).

圖3 軸承座三視圖

2.3 模型的動態仿真

在教學過程中，保存模型文件為*.eprt 格式，用EDrawings 軟件直接打開，通過設置動畫路徑，仿真虛擬模型動態，或者旋轉、縮放等全方位展示機件的結構；亦可通過橫斷面工具對機件進行剖切，展示機件的復雜內部結構，如階梯孔的交線等[6-10].EDarwings 工作界面如圖4所示.

圖4 EDarwings工作界面

2.4 學習平臺的構建

《工程制圖》虛擬模型庫學習平臺采用Dreamweaver 軟件來搭建.主界面根據教材內容設置了立體教材、實踐教學、電子資源和教學錄像等模塊，方便學生學習，虛擬學習平臺如圖5所示.

圖5 學習平臺首頁

3 虛擬模型庫應用于《工程制圖》課程教學的優勢

3.1 模型制作方便，圖樣更豐富

虛擬模型可以采用不同材質顯示，通過鼠標實現平移、轉動和縮放，如同實物展示一樣具有很強的視覺效果，操作過程也非常簡便.對于結構比較復雜的形體采用旋轉剖、半剖或者全剖的方式，加上一些動畫效果，展示出形體的內部結構，使原本抽象難懂的模型結構變得更簡單、形象.虛擬模型還可以根據教學計劃的修訂及時調整，對不同的教學內容選用不同的模型，使教學更具有針對性.

3.2 便于學生預習和復習

隨著《工程制圖》課程教學計劃的不斷修訂，教學理論學時不斷壓縮，但課程的核心教學內容又不能減少.多媒體教學節約了課堂繪圖時間，教學的信息量也隨著增大，這對學生的學習接受能力提出了嚴峻的考驗.通過虛擬模型庫的學習，學生可以做好課前預習和課后復習，當復習中遇到疑難點時，學生利用模型庫中的模型，通過虛擬實驗，增強感官認識，加深理解，從而解決問題.《工程制圖》教學中，把虛擬模型庫與網絡技術結合起來，拉近了教與學兩個重要環節的距離，突破了傳統教學方法在時間和空間上的限制，是網絡時代優越性的完美體現.虛擬實驗如圖6所示.

圖6 虛擬實驗

3.3 攜帶方便，成本低廉

虛擬模型庫建成后教師攜帶方便，內容更豐富，當教學計劃和教學內容發生變化時，只要對其進行更新即可.與傳統的實物模型庫相比，虛擬模型庫減少了儲藏和管理環節，既方便了教學又降低了教學成本.

3.4 有助于實踐教學

目前，實踐教學已然成為現代高校教育改革的重點之一，教學中的各種技能大賽非常普遍，《工程制圖》課程的學習有助于工科學生實踐技能的培養.大部分工科學生都需要參與拆裝和測繪實踐環節的培養訓練，傳統教學過程往往受到模型品種不全及數量不足的限制，很大程度上影響了實踐的教學效果.應用虛擬模型庫，教師可以在機房指導學生利用三維軟件提供的功能對模型進行拆裝和測量，再利用二維繪圖軟件完成零件圖和裝配圖的繪制，并修改相應的線型尺寸，得到理想圖形，既提高了學生的計算機繪圖水平，又節約了教學資源.待學生掌握基本技能和測量方法后，再引導學生進行實物拆裝和測繪.試驗表明，這種模式靈活方便，能充分調動學生積極性，使學生對這門課程產生濃厚的興趣，變被動接受為主動學習.

4 結束語

《工程制圖》虛擬模型庫的開發，解決了傳統教學中的不足，把原本抽象難懂的模型結構變得簡單、直觀、通俗易懂，減輕了教師的輔導工作量，增強了學生的空間想象力和繪圖能力，提高了學生的學習興趣.由于學習平臺的構建需要強有力的網絡系統支持，所以虛擬模型庫也要根據教材內容不斷完善.