基于工程設(shè)計(jì)與三維CAD的工程圖學(xué)的教學(xué)改革與實(shí)踐

顧金梅 彭文利 劉楚輝

摘要：針對(duì)目前工程圖學(xué)課程，學(xué)生空間思維能力較弱、理論知識(shí)抽象難懂的問(wèn)題，將三維建模融合到圖學(xué)課程的教學(xué)中，將三維建模的構(gòu)形設(shè)計(jì)理念與立體的構(gòu)形過(guò)程結(jié)合起來(lái)，直觀展示二維到三維之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，有效的提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及空間思維能力，同時(shí)在教學(xué)過(guò)程中融入工程實(shí)例，以培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，并有效培養(yǎng)了學(xué)生的工程意識(shí)。

關(guān)鍵詞：工程設(shè)計(jì);三維CAD;工程圖學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2016）36-0132-02

一、引言

工程圖學(xué)是一門以圖形為研究對(duì)象，用圖樣來(lái)表達(dá)設(shè)計(jì)思維的學(xué)科。圖樣作為構(gòu)思、設(shè)計(jì)與制造工程中工程信息的載體，準(zhǔn)確地表達(dá)了工程對(duì)象的形狀、尺寸、材料和技術(shù)要求[1]，制造者通過(guò)圖樣來(lái)了解設(shè)計(jì)要求，通過(guò)圖樣進(jìn)行科學(xué)技術(shù)交流，故圖樣被稱為“工程界的語(yǔ)言”。在工廠企業(yè)中如果不會(huì)看圖、讀圖，那就等于人沒(méi)有了空氣和水。整個(gè)機(jī)械制造行業(yè)中，企業(yè)的管理人員，設(shè)計(jì)部門的設(shè)計(jì)師，工廠、車間的工藝師，生產(chǎn)工人，檢驗(yàn)人員，產(chǎn)品銷售人員，設(shè)備維修人員，等等，都必須學(xué)會(huì)看圖讀圖。學(xué)好讀圖繪圖也是學(xué)生進(jìn)行課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的工程圖學(xué)的教學(xué)很多還秉承前蘇聯(lián)“傳遞—接受”式的教學(xué)模式，學(xué)生實(shí)際解決問(wèn)題的能力不強(qiáng)，工程教育與實(shí)際工作脫節(jié)，工程教育中缺少對(duì)學(xué)生工程意識(shí)的培養(yǎng)，學(xué)生缺乏解決實(shí)際工程問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)識(shí)”[2]。另外，圖學(xué)課程需要的空間思維能力，對(duì)于剛接觸該課程的同學(xué)來(lái)說(shuō)覺(jué)得抽象，難以理解，通過(guò)三維CAD的介入可以幫助學(xué)生很好地實(shí)現(xiàn)工程制圖學(xué)習(xí)中“平面—空間—平面”這一思維過(guò)程的轉(zhuǎn)換，有效地培養(yǎng)學(xué)生的“圖學(xué)意識(shí)”?；诖耍谡n堂教學(xué)中，融入三維CAD及工程概念，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。

二、三維CAD造型在工程圖學(xué)教學(xué)中的融合

（一）三維建模與組合體的融合

工程圖學(xué)主要是培養(yǎng)學(xué)生讀圖繪圖的能力，讀圖是看平面的二維工程圖去想象三維立體，繪圖是由三維立體繪制相應(yīng)的二維工程圖。這是一個(gè)二維和三維空間轉(zhuǎn)化的過(guò)程，對(duì)于大部分學(xué)生來(lái)說(shuō)，由二維工程圖想象立體圖較為困難，所以在組合體的教學(xué)中，穿插三維建模教學(xué)，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)空間想象。組合體構(gòu)形的方法有疊加、挖切、求交三種集合運(yùn)算方法和拉伸、旋轉(zhuǎn)兩種動(dòng)平面軌跡運(yùn)算方法，這些運(yùn)算方法都可以直接在三維軟件中動(dòng)態(tài)演示。例如下面的組合體，如圖1所示，圖學(xué)中講解的理論知識(shí)為利用組合體形體分析法將組合體分解為若干個(gè)形體，確定形體之間的組合形式和相對(duì)位置去想象立體，這個(gè)過(guò)程可以利用三維建模軟件直觀顯示出來(lái)，三維建模的過(guò)程是先構(gòu)造右側(cè)立體，如圖1（b）所示，由水平面的草圖通過(guò)拉伸形成右側(cè)立體，然后畫底部立體草圖，拉伸形成地板立體，如圖1（c）所示，最后畫出V面三角形草圖，拉伸形成三角肋板，如圖1（d）所示，整個(gè)組合體建模完成，通過(guò)立體的建模過(guò)程，學(xué)生能夠直觀的看到“二維—三維—二維”的轉(zhuǎn)變過(guò)程，快速掌握空間思維方式。

（二）組合體尺寸標(biāo)注

圖形只能表達(dá)組合體的形狀，各形體的真實(shí)大小及其相對(duì)位置，必須由尺寸來(lái)確定[3]。尺寸標(biāo)注對(duì)于大部分學(xué)生來(lái)說(shuō)也是一個(gè)難點(diǎn)，因?yàn)榇笠坏膶W(xué)生沒(méi)有工程概念，還沒(méi)開(kāi)始學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)，教師上課若是只講解尺寸標(biāo)注的若干規(guī)定，那么學(xué)生無(wú)法完全理解這些規(guī)定，標(biāo)注尺寸時(shí)似懂非懂，出現(xiàn)很多錯(cuò)誤。形體分析法是保證尺寸標(biāo)注完整的基本方法，即將組合體分解為若干個(gè)形體，逐個(gè)標(biāo)注定形、定位尺寸，最后標(biāo)注總體尺寸，完成整個(gè)標(biāo)注。這一過(guò)程完全可以借助三維軟件建模過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)，建模的過(guò)程即是將分解的形體組合起來(lái)的過(guò)程，例如圖1中的組合體，由建模過(guò)程很顯然我們可以將組合體分解為三塊，如圖2所示，分塊逐一標(biāo)注定形、定位尺寸，這樣學(xué)生理解起來(lái)簡(jiǎn)單易懂。

（三）直觀感知裝配關(guān)系

利用三維建模軟件的裝配功能，給學(xué)生演示典型的機(jī)械裝配，學(xué)生可以直觀的看到整個(gè)裝配過(guò)程，了解各零件相互之間的裝配關(guān)系。

如圖3所示，選擇齒輪泵作為裝配體講解，齒輪泵結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，工作原理易于理解，通過(guò)三維建模軟件，將齒輪泵的整個(gè)裝配過(guò)程演示給學(xué)生，各個(gè)零件之間的裝配關(guān)系可直觀的看到，同時(shí)通過(guò)三維建模軟件，直接由齒輪泵的裝配圖生成工程圖，讓學(xué)生更加直觀的感受三維到二維的轉(zhuǎn)變，這一過(guò)程對(duì)于理解如何繪制裝配體的工程圖有很大的益處，所學(xué)知識(shí)不再抽象難懂，學(xué)生通過(guò)課堂上直接觀看，很容易掌握所學(xué)知識(shí)，并且對(duì)于學(xué)習(xí)三維軟件的興趣大大提高，為以后的三維教學(xué)打下了良好的基礎(chǔ)。

三、圖學(xué)課程與工程實(shí)際的融合

工程圖學(xué)是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，以往的教學(xué)過(guò)程，過(guò)多的重視學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握，而忽略了對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，以至于學(xué)生畫出的圖紙并不能真正用于實(shí)際加工，只能紙上談兵，學(xué)生很難實(shí)現(xiàn)理論到工程實(shí)踐的轉(zhuǎn)化。因此在教學(xué)過(guò)程中，以具體的工程實(shí)例教學(xué)，從工程的角度提出問(wèn)題、分析問(wèn)題，然后解決問(wèn)題。特別是對(duì)于零件圖、裝配圖的內(nèi)容，與實(shí)際工廠加工緊密相關(guān)，學(xué)生由于剛進(jìn)大學(xué)，沒(méi)有任何工程概念，對(duì)于這部分內(nèi)容覺(jué)得抽象，不好理解。在課堂教學(xué)之前，組織學(xué)生去學(xué)校的實(shí)習(xí)基地參觀，現(xiàn)場(chǎng)觀察各種零件的具體加工方法，使學(xué)生對(duì)機(jī)械零件加工有一個(gè)直觀的認(rèn)知，便于知識(shí)的理解和掌握。在課堂教學(xué)中，結(jié)合工程實(shí)際講解相關(guān)知識(shí)，例如：以齒輪泵案例來(lái)講，泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于理解，我們對(duì)應(yīng)的有齒輪泵的模型，從標(biāo)準(zhǔn)件內(nèi)容開(kāi)始，到零件圖、裝配圖的繪圖讀圖，以一個(gè)實(shí)際的工程實(shí)例來(lái)實(shí)現(xiàn)一系列的教學(xué)。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)件中的螺栓、螺釘、螺柱等，先讓學(xué)生觀察分解模型，從拆解的零件中觀察螺紋緊固件的實(shí)際連接形式，再針對(duì)理論知識(shí)講解，學(xué)生即對(duì)螺紋緊固件有了感性的認(rèn)知。對(duì)于常用件齒輪的教學(xué)，同樣可以利用齒輪泵中的齒輪，直觀展示給學(xué)生看齒輪的具體構(gòu)造，兩個(gè)外嚙合的齒輪是如何工作的，怎樣實(shí)現(xiàn)泵的吸油、壓油過(guò)程，再到后面泵體的零件圖繪制，裝配圖繪制，學(xué)生通過(guò)具體實(shí)物感知，加上教師對(duì)工程知識(shí)的不斷融入，學(xué)生所學(xué)的不再是課本上孤立的知識(shí)，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣大大提高，也能明確所學(xué)知識(shí)的具體工程應(yīng)用。

四、結(jié)論

在工程圖學(xué)的教學(xué)中，通過(guò)融入三維CAD建模，加上多媒體設(shè)計(jì)，與現(xiàn)有的教學(xué)有效融合，解決了學(xué)生由二維工程圖到三維立體思維這一想象難題，通過(guò)三維構(gòu)形設(shè)計(jì)過(guò)程，培養(yǎng)了空間思維能力及邏輯思維能力，學(xué)生學(xué)習(xí)熱情得以提高。實(shí)踐證明，學(xué)生的考試成績(jī)較之以往平均分有所提高，在“高教杯”全國(guó)大學(xué)生先進(jìn)成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模創(chuàng)新大賽中取得了良好的成績(jī)。同時(shí)，在教學(xué)過(guò)程中結(jié)合實(shí)際工程案例講解圖學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)了學(xué)生的工程意識(shí)，有效的將理論與實(shí)踐相融合，學(xué)生的實(shí)踐繪圖能力有所提高，教學(xué)效果較之以前也有所提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐云杰，張雪芬，錢孟波，范興鐸.機(jī)械類工程制圖課程教學(xué)內(nèi)容改革與實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2013，（32）：47-48.

[2]馬巧英，吉曉梅.工程制圖教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生工程意識(shí)的研究與實(shí)踐[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2013，（1）：163-166.

[3]王雅萍.新課程體系中尺寸標(biāo)注的教法探討[J].西南科技大學(xué)高教研究，2008，（2）：55-57.