三維CAD軟件輔助“機械制圖”課程教學模式探索

謝中敏

江蘇航空職業技術學院 江蘇鎮江 212134

“機械制圖”是工科類專業相互交流的技術語言，是一門培養學生看圖、讀圖以及繪圖能力的專業基礎課程，“機械制圖”能力的掌握直接影響到學生對后續專業課程的學習。提高空間想象能力是學生學好“機械制圖”課程的關鍵，是制圖老師在教學過程中應當重點關注的課題。基于設計制造崗位調研，職業院校培養的學生應適應企業崗位能力的需要，即學生要求既能看懂常規機械圖紙，又懂得運用CAD軟件將機械零部件進行正確表達。實踐反復證明，“機械制圖”課程是理論與實踐并重，主要研究包括制圖基礎知識，點、線、面的投影，組合體、常用機件的表達方法、零件圖以及裝配圖的表達。學習難點是掌握更多三維實體和平面圖之間的投影規律，能看懂零件并采用合適的表達方法將其繪制，也能根據平面零件圖繪制出其三維圖并進行裝配。在傳統的教學過程中，主要采用黑板、掛圖、PPT為主要教學工具，教學內容常為比較空洞的二維平面內容，教學過程平淡乏味，學生興趣差、接受能力弱，導致教學效果不佳。隨著三維CAD軟件的成熟和普及，在課程中利用三維軟件輔助“機械制圖”教學，能使教學內容形象化，并有效降低二維圖形到三維模型的轉換難度，有效提高學生的學習效果[1-3]。

本文將探討三維CAD軟件與“機械制圖”教學聯合運用的教學模式，旨在豐富教學模型的同時，降低抽象三維知識的教學難度，增加了學生對知識消化、理解和運用的能力，不斷提升學生的學習興趣。

一、三維CAD建模軟件與“機械制圖”的聯系

隨著數字化技術的興起與快速發展，繪圖工具的使用也得到全面提升，由傳統的手工繪圖發展至計算機輔助繪圖，CAD軟件技術以自身的優勢進入現代化工業設計與制造行業，一方面提升了繪圖精度與速度，另一方面加強了“機械制圖”與三維CAD建模軟件的多效融合。在現階段，雖然二維工程圖在表達非幾何信息(如表面粗糙度、幾何公差與尺寸公差等)時仍然具有一定的優勢，但是在了解裝配形體的時候還需要三維建模實體來突出形體特征。因此，在制圖教學中引入現代化設計新技術符合信息化技術的發展。將三維CAD建模軟件融入工程圖中是“機械制圖”教學改革中重要的手段，兩者在相互配合使用的過程中，可根據教學場合和教學內容選擇采用融合并進還是分離。三維模型實體可以幫助學生建立自己的立體世界，看的模型多了，思維得到拓寬，空間想象能力也就隨之提高。

目前，AutoCAD是教學中應用最多的繪制二維平面圖形的軟件，它快速、易學、簡單，與“機械制圖”課是工科專業的必修專業基礎課。目前市場上開發應用的三維CAD建模軟件較多，在高校教學應用中普遍的有AutoCAD、Pro/E、UG、CATIA、SolidWorks等軟件，這些三維CAD軟件都有自身獨特的三維建模模塊和強大的建模編輯功能，具有一定的直觀性。三維CAD軟件所具備的繪圖功能，使得“機械制圖”的教學內容發生較大變化、不斷革新教學方式。在學習“機械制圖”傳統內容中結合三維軟件的學習，既是順應先進制造技術所需的一種發展趨勢，也是制圖課程教學改革為之努力的一個方向。基于三維CAD軟件的實體建模，將三維虛擬模型引入“機械制圖”的課堂上，用以豐富教學形式，激發學生的學習興趣[4-5]。

二、融合三維CAD軟件的“機械制圖”課程教學改革方式

(一)創設教學環境，打造三維模型庫

在工程制圖中，零件的結構形狀千差萬別，但是按照零件的形狀特征以及零件在儀器設備中所起到的作用可以將零件分為四大類：軸套類零件、輪蓋類零件、叉架類零件以及箱體類零件。為了打破教學過程中三維模型想象困難的教學難點，而起到更好的教學效果，以及便于學生在學習中更好地掌握零件特征，根據資料收集匯聚資料庫里二維零件圖，應用三維CAD軟件繪制出相應的三維模型，建立三維模型庫。

(1)軸套類零件：該類零件的主體形狀特征結構是由幾段直徑不同的同軸圓柱體或者圓錐體組成，且軸向尺寸遠大于徑向尺寸，在零件表面結構上常有鍵槽、凹坑、中心孔、退刀槽等細微結構。這些結構在二維圖中直觀性較差，且常用局部放大圖表達，增加了學生讀圖的困難。因此，在教學過程中我們建立了軸套類零件模型庫，如圖1所示，全方位展現零件的主觀特征，大大提高學生學習制圖的興趣。

(a)轉軸

(2)輪蓋類零件：輪類零件通常是與軸采用鍵、銷等連接件連接傳遞扭矩，比如帶輪、齒輪等。盤類零件在設備中常起到定位、密封與支撐作用，如法蘭盤等。該類零件的主體特征是扁平狀，局部常有輪輻、沉孔等細微結構。由于零件是徑向尺寸遠大于軸向尺寸，且二維表達時只有右視圖與主視圖，讀圖較難，細微的結構表達不清晰，對于盤類零件與軸類零件的裝配不易理解，因為我們應用三維CAD軟件繪制出輪蓋類零件相應的三維模型，建立輪蓋零件三維模型庫，如圖2所示。

(a)平帶輪

(3)叉架類零件：該類零件形狀特征較為復雜多變，結構按照作用可分為工作部分、支撐部分以及連接部分。連接部分形狀彎曲，斜扭較多，二維圖不易理解，支撐部分伴有凹坑、凸臺和油槽等一些細微結構。這樣的圖形給學生的第一印象是復雜難懂，大大降低了學生的學習主動性。對于高職院校的學生來說將二維讀圖空間想象成三維圖是難上加難，圖中采取了多處移出斷面圖與局部剖視圖。因此，在講解該類零件的機件表達方法時我們首先利用三維CAD軟件繪制出其三維模型，如圖3(a)所示，加深學生對叉架零件的特征了解，突出表達用法的使用技巧。

(a)支架

(4)箱體類零件：該類零件多為鑄件，內結構多為薄壁圍成的空腔，用于裝載。外結構都較為復雜，二維圖可觀性較差，沒有規律性，難以想象出箱體類零件的框架結構以及周圍分布的螺孔、倒角等細微結構，如圖4所示。該零件為閥體，表面結構有螺孔、耳廓、軸孔、通孔等結構，且為左右對稱結構，該零件圖采用全剖視圖、半剖視圖和局部剖視圖等表達方法。對于部分機件表達方法掌握一般的學生來說，讀該圖存在一定難度，很難想象出細微結構所處的部位，學習效果達不到預期。因此，我們可以通過三維CAD軟件建立箱體類零件三維模型庫，如圖5(a)所示，該圖為閥體的三維模型圖，我們可以清晰看出耳廓與螺紋孔的位置，直觀性較強，同時幫助學生加強對機件表達方法的理解，增強學生對制圖的熱愛以及計算機軟件的興趣。

圖4 閥體

(a)閥體(一)

(二)整合課程內容，培養良好崗位能力

職業教育的指導思想是以培養崗位能力為本位，本著“理論夠用、技能為重”的教學理念，我們將三維CAD軟件與“機械制圖”課程緊密結合，為后續課程的學習以及就業發展提供幫助。計算機繪圖是企業員工需要具備的一種重要技能，順應了教學改革的趨勢，我們將“機械制圖”與三維CAD軟件整合，“機械制圖”課程涵蓋的內容較多，為了適應學生學習，課程整合為三個教學實踐模塊，九個學習項目以及相應的融合三維CAD軟件項目。進行模塊化的教學內容安排，“機械制圖”與多維CAD軟件融為一體，計算機繪圖知識穿插在“機械制圖”內容的教學各環節，這樣既可以避免減少高職教育理論課學時少，又有利于學生理解和掌握制圖的基本理論，建立較強的空間思維能力，提高教學效率，教學效果顯著，又體現了“與專業結合、為崗位服務”的設計理念，詳見下表。

將“機械制圖”與三維CAD軟件整合后的課程內容模塊表

三、教學效果反饋

實踐證明，“機械制圖”融入三維CAD軟件的模型庫是符合職業院校課程改革的趨勢，在三維CAD軟件與“機械制圖”課程的融合過程中，兩者是可以實現優勢互補、本末相長。在SolidWorks軟件幫助下我們建立了軸套類零件、輪蓋類零件、叉架類零件以及箱體類零件三維模型庫，將授課中的一些重點、難點內容生動形象地展示在學生面前，直觀性較強，使學生的感性認識增強；另外，由于學生對于計算機軟件的興趣，可以弱化單純制圖課程的枯燥乏味，對于提高學生的學習效果和教學質量起到促進作用。