工程圖學立體化教材建設的研究與實踐

楊勇勤+陸載涵+劉桂紅

摘 要 文章介紹了工程制圖立體化教材的建設思路、內容和特點，提出一種用計算機三維造型更新傳統畫法幾何的教學體系，用“構型要素—立體—投影圖”的思維模式，取代原畫法幾何“立體—投影圖”的思維模式，用構型要素、布爾運算等現代設計思路分析基本幾何體、組合體、剖視圖、零件圖等的畫圖、看圖，拓寬了學生思路，化解了學習難點。教材的配套多媒體輔助教學系統中開發的“零部件拆裝和測繪”和 “構型設計樂園”等內容，豐富了教學環節和教學手段的多樣性，提高了工程圖學課程的教學質量。

關鍵詞 工程圖學 立體化教材 教材建設

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2015.12.026

Research and Practice of Engineering Graphics

Stereoscopic Textbook Construction

YANG Yongqin[1]， LU Zaihan[2]， LIU Guihong[2]

（[1] Hubei University of Technology， Wuhan， Hubei 430068；

[2] Hubei University of Technology Engineering and Technology College， Wuhan， Hubei 430068）

Abstract This paper introduced the Engineering Drawing three-dimensional thinking of building materials， content and features， proposed a system of traditional teaching descriptive geometry update with three-dimensional computer modeling， with "configuration elements - perspective - projection" mode of thinking， to replace the original painting law geometrical "perspective - projection" mode of thinking， with modern design ideas analyzes configuration elements， Boolean operations and other basic geometry， assembly， cross-sectional view， part drawings and other drawing， pictures， broaden the students' thinking， to resolve the difficulties in learning . Textbooks supporting multimedia assisted teaching system developed "parts disassembly and mapping" and "Configuration Design Paradise" and other content， enrich the diversity of teaching and teaching methods， improving the quality of teaching engineering graphics course.

Key words engineering graphics； stereoscopic textbooks； textbook construction

工程圖學是工科各專業的通識類基礎課程，隨著現代科學技術尤其是計算機技術的發展，工程圖學教學體系、教學內容及教學手段已發生了重大變化，而教材是教學改革成果的具體體現，又是進一步指導教學改革的可操作性文件，因此，研究新的教材體系，編寫與時俱進的工程圖學立體化教材，更好地為工程制圖教學服務，是當前圖學教育工作者研究的課題之一。

1 工程圖學立體化教材建設思路

立體化教材應立足于現代教育理念和現代信息技術平臺，為教學提供一種綜合性的教學資源，滿足教學需要，促進教學改革。工程圖學立體化教材建設目標是利用各種形式的教學資源，如紙質教材、多媒體課件、習題解答、虛擬模型和虛擬實驗等，將教學內容、教學方法和教學思路等都匯聚其中，建成內容豐富、形式多樣的綜合性教學資源系統，形成更大的教學能力，促進教學改革和優質教學資源的共享。

2 立體化教材體系

由湖北工業大學等八所院校合編，北京理工大學出版社出版的立體化教材《工程制圖》對上述問題作了一些探索。該立體化教材由紙質教材及配套習題集和多媒體教學系統組成，多媒體教學系統包括授課模塊、習題指導模塊、零部件拆裝和測繪模塊、構型樂園模塊、備課與教案模塊、試題庫模塊等，現簡介如下。

2.1 教學內容的先進性

2.1.1 用拉伸體和回轉體拓寬傳統畫法幾何中的基本體

本教材提出一種用計算機三維造型更新傳統畫法幾何的教學體系，按計算機造型中最常用的造型方式將基本立體分為基本幾何體、拉伸體和回轉體，將生成拉伸體和回轉體的平面圖形稱為基圖。基圖不但可以是多邊形，還可是圓、組合線圖（由直線和曲線組成的平面圖形）及布爾運算圖等。①因此引入拉伸體和回轉體可以擴大畫法幾何基本體的內涵，拓寬學生思路。

2.1.2 改變思維模式

本教材中提出了一種構型要素圖示法：用構型要素的實形投影來給定空間形體。拉伸體基圖上任一點的運動軌跡稱為拉伸線，給定拉伸體基圖和任一拉伸線的實形投影，則可以確定該拉伸體的空間位置和形狀，因此基圖和任一拉伸線的實形投影是拉伸體的構型要素。同理基圖和回轉軸線的實形投影是回轉體的構型要素。由此提出了一種新的觀點：空間形體不僅可以用幾何元素（點、線、面）確定，也可以用構型要素確定。了解構型要素和三面視圖的關系是畫圖與看圖的重要基礎。

如圖1所示，給出了構型要素基圖A和基圖B及其任一拉伸線的投影a''，b''，則可以完全確定兩個拉伸體的空間形狀和相對位置，并畫出三視圖。這種構型要素圖示法將原畫法幾何教學模式中立體到投影圖的思維模式，改為構型到立體再到投影圖的思維模式。

圖1 由基圖和拉伸線構造空間形體

在學習基本立體時我們讓學生設計構型要素，或根據給定的構型要素畫出三視圖。在學習組合體時讓學生分析構成組合體的基本體的構型要素和布爾運算方式。在閱讀組合體視圖、零件圖和裝配圖時引導學生從視圖中找出構型要素，根據構型要素構思出組合體或零件的結構形狀。在視圖表達方案討論時，引導學生根據基本立體的構型要素確定視圖數量，和檢查視圖表達是否完整。

2.1.3 引入布爾運算化解教學難點

組合體的讀圖是傳統教學中主要難點之一，通過基圖得到拉伸體和回轉體并進行相應的布爾運算，則可化解組合體讀圖的難點。如閱讀圖2a所示的組合體時，在主視圖中找出基圖1，在俯視圖中找出任一拉伸線a，學生能立即構思出如圖2（b）所示拉伸體；同理在主視圖中找出基圖2，在俯視圖中找出拉伸線b，可構思出第二個拉伸體；在俯視圖中找出基圖3，在主視圖中找出拉伸線c，可構思出第三拉伸體（圖2c）。再通過布爾運算中的并集和差集1+2-3就能構造出空間形體（圖2d）。圖2e為1、2、3三個基圖。

（a）已知條件 （b）拉伸體1

（c）拉伸體3 （d）三維形體 （e）基圖

圖2 組合體讀圖

2.2 教學環節和教學手段的多樣性

為滿足教師進行多媒體課堂教學和學生自主學習的需要，研制了和教材配套的《工程制圖多媒體輔助教學系統》。系統主要采用Flash作編輯工具和主要素材制作工具，可生成普通版和網絡版。該系統不但有常規的“授課模塊”、“習題指導模塊”，還增加了用于教師備課的“備課與教案模塊”，用于考試的“試題庫模塊”，用于教學環節的“零部件拆裝和測繪模塊”，用于學生課外自學和拓寬知識的“構型設計樂園模塊”。

“試題庫模塊”用AutoCAD制作，便于教師組合生成自己的考題。“備課與教案模塊”為可改編的PPT文件，便于教師根據自己的教學經驗和安排改編成自己的教案。

零部件測繪是工程圖教學過程中很重要的實踐性教學環節，根據實際教學常用的部件測繪，采用三維制作技術，建立虛擬三維零部件繪圖環境，設計了大量的彩色動畫，以形象、生動、直觀的形式解析拆繪工作的全過程，展示了實際工作的思維、步驟和總體工作要領，與生產實際過程緊密連接，并設計出虛擬拆裝時能對學生的操作是否正確進行自動判斷和自動評分的智能系統。拓寬了學生知識面、開發了學生自主學習能力。

本模塊由兩大部分組成：虛擬部件測繪和模擬測試。

零部件測繪包括：測量工具、齒輪減速器、安全閥、千斤頂、齒輪油泵。

減速箱等其他幾個部件都是機械行業最典型的零部件，每一項里面都包括7類選項：（1）拆卸部件；（2）了解裝配關系，分析工作原理；（3）繪制裝配示意圖；（4）編寫零件明細表；（5）用膠紙在零件上貼上編號；（6）測繪零件；（7）根據零件草圖畫裝配圖。

部件拆裝模擬測試包括滑動軸承、快換鉆套、千斤頂的模擬拆裝。在子目錄下測試分為：拆裝成績、正確次數、錯誤次數、總得分、總扣分，錯誤一次扣5分，界面中間有部件立體圖，界面下面有資料庫、實驗說明、裝配圖、零件組裝、投影組裝、拖動組裝、返回等按鈕選擇。

部件拆裝模擬測試是要學生看懂裝配圖后，在虛擬的彩色裝配體上拆卸出指定的零件，操作方法是學生用光標點擊需要拆卸的零件，點擊時會彈出“拆錯了，扣5分，請繼續努力”或“你真棒！得分”的小漫畫。

在構型設計樂園模塊中有構型要素素材庫，學生可以點擊屏幕右側的一系列構型要素代碼，彈出不同的要素，再逐步構造出基本體，繪制出該基本體的三視圖。也有基本體素材庫，學生點擊相關代碼，彈出不同的基本體，并拖動基本體組合成不同相對位置的組合體。還有不同形狀的法蘭盤、底板、上蓋等機械零件要素，可構造出不同的機械零件。

構型設計教育是一種關于創造的教育。形體的構型設計是創造性設計的重要表達形式。基于構型設計工程圖學課程的教學目標是：培養學生創造性構型設計的能力。這是學生創新能力培養的重要形式之一，也是培養學生工程素質的關鍵。②

3 結束語

本立體化教材引入計算機三維造型方法更新傳統畫法幾何的教學體系，用“構型要素—立體—投影圖”的思維模式，取代原畫法幾何“立體—投影圖”的思維模式，用構型要素、布爾運算等現代設計思路分析基本幾何體、組合體、剖視圖、零件圖等的畫圖、看圖。拓寬了學生思路，化解了學習難點。教材的配套多媒體輔助教學系統中開發了“零部件拆裝和測繪”和 “構型設計樂園”等內容，豐富了教學環節和教學手段的多樣性，拓寬了學生的知識面，引導學生強化空間概念，增強構形能力。

注釋

① 陸載涵，張向華等.工程制圖[M].北京：北京理工大學出版社，2010：1-125.

② 陳錦昌，陳熾坤等.基于構型設計的工程圖學教學體系的探討[J].北京：工程圖學學報，2006（5）：130-132.