魏劍

（三明學(xué)院 福建 三明 365000）

三維建模融入《工程制圖》課程教學(xué)改革與實(shí)踐*

魏劍

（三明學(xué)院 福建 三明 365000）

在計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)條件下，將三維建模融入到《工程制圖》課程是時(shí)代發(fā)展的需求。通過對現(xiàn)有教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革，合理安排課時(shí)，處理二維圖形與三維模型的關(guān)系，可以更好地培養(yǎng)學(xué)生的工程圖學(xué)能力。

三維建模；工程制圖；教學(xué)改革

《工程制圖》是理工科的一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的技術(shù)基礎(chǔ)課。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展以及CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用和普及，學(xué)生除了要學(xué)習(xí)傳統(tǒng)工程制圖技能，還要學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)繪圖、三維建模等新知識。如何解決學(xué)時(shí)少、內(nèi)容多的矛盾，處理好二維圖形與三維模型的關(guān)系，更好地培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力就成為了工程制圖教學(xué)改革的方向。

傳統(tǒng)《工程制圖》課程體系

傳統(tǒng)《工程制圖》課程教學(xué)內(nèi)容由三大部分組成：一是畫法幾何，其核心內(nèi)容是學(xué)習(xí)投影理論，包括點(diǎn)、線、面和基本立體的投影特性及作圖方法、軸測投影和換面法，培養(yǎng)學(xué)生圖解簡單空間幾何問題的能力和空間想象力、空間分析能力。二是制圖基礎(chǔ)，其核心內(nèi)容是學(xué)習(xí)技術(shù)制圖標(biāo)準(zhǔn)、組合體與機(jī)件常用的基本表示法，培養(yǎng)學(xué)生繪制和閱讀投影圖的基本能力，掌握標(biāo)注尺寸的基本方法。三是機(jī)械圖，其核心內(nèi)容是學(xué)習(xí)零件圖和裝配圖的有關(guān)知識。

三維數(shù)字化技術(shù)的現(xiàn)狀

在當(dāng)今的經(jīng)濟(jì)與信息時(shí)代，3D技術(shù)的應(yīng)用在迅速改變著人們的生活。目前，三維數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用在工業(yè)設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)、模具、數(shù)控、仿真等方方面面，傳統(tǒng)的制造業(yè)也發(fā)生了巨大變化。二維工程圖樣不再是工程界唯一的技術(shù)語言，應(yīng)用三維CAD技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品造型和設(shè)計(jì)分析是制造業(yè)今后發(fā)展的必然趨勢。

傳統(tǒng)工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程一般由三維設(shè)計(jì)構(gòu)思、二維工程圖表達(dá)、讀圖還原三維實(shí)體模型、三維制造與裝配等步驟組成?，F(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程一般由三維設(shè)計(jì)構(gòu)思、三維建模、三維分析計(jì)算、三維CAE/CAM組成。兩者最大的區(qū)別在于設(shè)計(jì)思想的表達(dá)，前者人為地增加了二維圖紙這一中間環(huán)節(jié)，而在二維圖形與三維模型的相互轉(zhuǎn)換過程中容易出現(xiàn)一些問題，可能影響設(shè)計(jì)思想和專業(yè)知識的表達(dá)。三維數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展消除了二維與三維的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，且三維模型比二維工程圖更加符合人類的思維方式和設(shè)計(jì)習(xí)慣，可以更好地提高設(shè)計(jì)效率。

從我國制造業(yè)現(xiàn)狀來看，絕大多數(shù)企業(yè)已經(jīng)廢棄圖板，在產(chǎn)品的研發(fā)、分析等環(huán)節(jié)采用了三維技術(shù)，而最終的生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)仍將其轉(zhuǎn)換為二維圖形進(jìn)行生產(chǎn)。二維工程圖和三維模型長期并存是我國制造業(yè)的現(xiàn)狀。工程制圖課程的定位、培養(yǎng)目標(biāo)、課程體系、教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)手段都應(yīng)不斷調(diào)整以適應(yīng)時(shí)代發(fā)展對該課程的要求。

改革后的工程制圖課程體系

從我校培養(yǎng)應(yīng)用型理工科人才的定位出發(fā)，結(jié)合非機(jī)類專業(yè)在后續(xù)課程中較少涉及機(jī)械類課程的特點(diǎn)，本課程的培養(yǎng)目標(biāo)定位于：使學(xué)生具有一定程度的二維讀圖能力；具有三維造型的理論基礎(chǔ)，熟悉三維形體的形成過程，掌握較復(fù)雜形體的三維造型思路；加強(qiáng)徒手繪圖訓(xùn)練；通過完成設(shè)定的教學(xué)項(xiàng)目了解實(shí)際工程項(xiàng)目在設(shè)計(jì)過程中的三維造型及工程圖的完成過程。在教學(xué)實(shí)踐中，根據(jù)畫法幾何和機(jī)械制圖學(xué)習(xí)的不同階段需要，穩(wěn)步引入三維建模內(nèi)容，進(jìn)而形成完整的教學(xué)體系。以電子信息工程專業(yè)60學(xué)時(shí)工程制圖課程為例，教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置和安排如表1所示。

表1 工程制圖課程教學(xué)計(jì)劃安排表

在畫法幾何的基本立體部分，我們引入草圖概念，對拉伸體、回轉(zhuǎn)體的形成及參數(shù)進(jìn)行說明，使學(xué)生掌握三維實(shí)體造型的基本方法，對立體形成直觀認(rèn)識。

截交線、相貫線是本課程的難點(diǎn)之一。通過三維建模，學(xué)生可以清楚地了解截交、相貫的概念以及各種位置下的截交線及相貫線的形狀。在教學(xué)過程中，我們以兩正交圓柱進(jìn)行各種布爾運(yùn)算為例，如圖1所示。雖然相貫體形狀不同，但相貫線形狀卻是相同的，通過動(dòng)畫的形式表達(dá)，這種方式總結(jié)出來的投影規(guī)律更便于學(xué)生理解和掌握。

圖1 正交圓柱的相貫線圖

圖3 雙向構(gòu)形想象圖

在制圖的基本知識中，我們將國家標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整為學(xué)生自學(xué)內(nèi)容，將線型、尺寸的標(biāo)注貫穿到立體的投影、組合體的三視圖、機(jī)件常用的基本表示法等章節(jié)中講解，圖數(shù)結(jié)合，以利于學(xué)生學(xué)習(xí)三維建模知識。

組合體一章是培養(yǎng)學(xué)生形象思維能力最關(guān)鍵的章節(jié)。我們通過開展單向、雙向、多向構(gòu)形想象訓(xùn)練，激活學(xué)生的想象與思維，拓寬學(xué)生思路，使學(xué)生將大腦沉積的表象進(jìn)行全面的調(diào)動(dòng)、整理，產(chǎn)生新的表象，如圖2、3、4所示。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的組合體建模，有利于學(xué)生對組合體構(gòu)形方法的掌握。

軸測圖在整個(gè)教學(xué)體系中起到二維和三維間相互轉(zhuǎn)換的橋梁作用，對教師徒手繪制立體圖有較高的要求。

機(jī)械圖部分比較簡單，均從三維造型入手，先認(rèn)識標(biāo)準(zhǔn)件、常用件，再熟悉其工程圖畫法。應(yīng)先掌握典型零件的造型分析思路，再學(xué)習(xí)零件圖；先熟悉裝配體的裝配順序，再由三維模型直接生成二維工程圖。

圖4 多向構(gòu)形想象圖

教學(xué)實(shí)踐

在教學(xué)實(shí)踐中，采用的教學(xué)環(huán)節(jié)有課堂講授、習(xí)題練習(xí)、計(jì)算機(jī)上機(jī)操作、考核等。

（一）課堂講授

采用多媒體與板書相結(jié)合的方式，教師先使用PPT文檔中的三維模型以及二維圖樣，通過豐富的色彩和動(dòng)畫演示刺激學(xué)生大腦接受信息，加深印象，然后關(guān)閉三維模型，顯示不完整的二維圖形，要求學(xué)生回憶三維模型的結(jié)構(gòu)形狀，補(bǔ)畫完整三視圖；也可以給出物體的二維圖形，讓學(xué)生繪出物體的軸測圖，訓(xùn)練學(xué)生的形象記憶能力。這種二維圖樣與三維模型的轉(zhuǎn)換訓(xùn)練，能使學(xué)生豐富表象、強(qiáng)化記憶空間形體的結(jié)構(gòu)形狀和二維圖樣的特點(diǎn)、激發(fā)大腦積極地思維。經(jīng)過反復(fù)訓(xùn)練，學(xué)生能從三維形體特征和二維圖樣的表達(dá)特點(diǎn)中抽象出規(guī)律性的表象，這樣的表象積累，有利于培養(yǎng)學(xué)生的空間想象力。但多媒體課件中每幀畫面停留的時(shí)間和動(dòng)畫過程難以與學(xué)生的反應(yīng)速度相匹配，所以對于個(gè)別章節(jié)（如交叉直線的投影特性、相貫線的求法）應(yīng)采用板書形式，講課的節(jié)奏要符合初學(xué)者的認(rèn)知速度和思維習(xí)慣。多媒體與板書兩者不可偏廢，以求更好地滿足學(xué)生的實(shí)際需要，達(dá)到更好的教學(xué)效果。

（二）加強(qiáng)實(shí)踐

圖5 補(bǔ)畫組合體視圖所缺圖線圖

工程制圖的實(shí)踐內(nèi)容主要有課后作業(yè)、徒手繪圖和上機(jī)實(shí)踐，這些對于學(xué)生理解、消化課堂教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生形象思維和邏輯思維相結(jié)合的思維方式極為重要，應(yīng)根據(jù)學(xué)生知識水平和接受能力布置必做題和選做題。學(xué)生做完題目后需要得到及時(shí)反饋或真實(shí)的三維模型，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使此項(xiàng)要求得以實(shí)現(xiàn)。在點(diǎn)、線、面投影部分的答案主要用Flash制作二維動(dòng)畫，通過計(jì)算機(jī)演示功能將解題思路和步驟體現(xiàn)出來。其他章節(jié)的答案附加了三維模型及生成的二維工程圖。圖5為組合體三視圖的習(xí)題集練習(xí)答案。每周安排2課時(shí)輔導(dǎo)答疑，幫助學(xué)生解決學(xué)習(xí)過程中遇到的問題。

徒手繪圖可以在任何場合將自己的設(shè)計(jì)思想展現(xiàn)出來，所以即使在計(jì)算機(jī)普及的今天，徒手繪圖仍應(yīng)作為重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)而被保留。同時(shí)，要鼓勵(lì)學(xué)生選修AutoCAD2006、UG NX精彩建模、Solidedge三維實(shí)體設(shè)計(jì)等課程，引導(dǎo)學(xué)生參加由中國工程圖學(xué)會舉辦的全國CAD技能等級考證，以使學(xué)生達(dá)到職業(yè)教育“雙證制”（畢業(yè)證、職業(yè)技能等級證書）要求，增強(qiáng)就業(yè)競爭力。

（三）嚴(yán)格考核

筆試采用閉卷形式，重點(diǎn)考核畫法幾何、制圖基礎(chǔ)知識、組合體視圖補(bǔ)漏線或補(bǔ)視圖、機(jī)件的各種表達(dá)方法等內(nèi)容。計(jì)算機(jī)繪圖能力和三維造型能力的考核在選修課中進(jìn)行。

結(jié)語

三維建模融入到傳統(tǒng)工程制圖課程，對本課程教學(xué)具有重要意義。學(xué)生通過計(jì)算機(jī)造型對圖形和形狀關(guān)系能形成較具體的認(rèn)識，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。教學(xué)方法在保留部分內(nèi)容板書的前提下應(yīng)更多采用多媒體教學(xué)形式。上述教學(xué)模式將計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖形技術(shù)結(jié)合得更加緊密，符合現(xiàn)代三維設(shè)計(jì)過程，符合時(shí)代發(fā)展對工程制圖課程教學(xué)提出的要求，強(qiáng)化了對學(xué)生三維形象思維能力和邏輯思維能力的培養(yǎng)，有效地提高了學(xué)生的制圖能力。

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G712

A

1672-5727（2012）04-0169-02

三明學(xué)院教學(xué)改革項(xiàng)目《工科學(xué)生制圖技能等級考試培訓(xùn)工作的研究與實(shí)踐》（項(xiàng)目編號：L0909/Q）

魏劍（1977—），女，山西平定人，碩士，三明學(xué)院講師，研究方向?yàn)闄C(jī)械CAD。