基于SolidWorks的機(jī)械制圖體驗(yàn)式教學(xué)改革設(shè)計(jì)與實(shí)踐

周蕊+洪振宇+金玉陽(yáng)

【摘 要】針對(duì)機(jī)械制圖課程教學(xué)中遇到的問題，文章提出研究性教學(xué)改革設(shè)計(jì)方案，使學(xué)生在學(xué)習(xí)操作SolidWorks軟件的同時(shí)，逐漸培養(yǎng)空間想象力，形成由三維實(shí)體到二維平面圖相互轉(zhuǎn)換的思維能力，同時(shí)結(jié)合CAI課件舉例說明各重點(diǎn)章節(jié)的教學(xué)方法，以實(shí)現(xiàn)學(xué)生從以教促學(xué)方式向自主學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，發(fā)展學(xué)生的自我探究意識(shí)與構(gòu)思創(chuàng)想能力。

【關(guān)鍵詞】體驗(yàn)式教學(xué) 機(jī)械制圖 SolidWorks

一、引言

機(jī)械制圖是一門著重培養(yǎng)學(xué)生空間思維能力和構(gòu)思創(chuàng)想能力的課程，同時(shí)也是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程。學(xué)習(xí)這門課程對(duì)學(xué)生的空間認(rèn)知能力、想象力、繪圖能力都有較高的要求[1-2]。但在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)生形成三維空間想象力很困難，即使采用現(xiàn)代教學(xué)演示方法，如多媒體教學(xué)等，效果也并不顯著。

故筆者認(rèn)為，基于虛擬教學(xué)平臺(tái)在三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中進(jìn)行體驗(yàn)式教學(xué)應(yīng)該是一種不錯(cuò)的嘗試，將講授控制在必要的范圍之內(nèi)，利用有限的教學(xué)時(shí)間讓學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)。

二、基于SolidWorks虛擬三維環(huán)境的體驗(yàn)式教學(xué)

機(jī)械制圖課程經(jīng)歷改革之后，幾乎都以CAI課件進(jìn)行講授，較之前看掛圖、黑板手繪講解的時(shí)代，課堂效率更高，也更易被學(xué)生接受。但由于課時(shí)大幅壓縮，學(xué)生在課堂上看得多動(dòng)手少，學(xué)習(xí)效果并不理想，這一現(xiàn)象可由經(jīng)驗(yàn)之塔[3]理論做了很好的詮釋。單純完成講授，往往是基于完成教學(xué)任務(wù)、方便教師教的角度設(shè)計(jì)的，而不是從學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和學(xué)習(xí)可能性出發(fā)。尤其是對(duì)大學(xué)生，要更多地鼓勵(lì)他們以主動(dòng)的方式去學(xué)習(xí)，將培養(yǎng)學(xué)生探究的態(tài)度、意識(shí)及能力當(dāng)作教學(xué)的重要任務(wù)[4]。

下面舉例說明如何利用上機(jī)課營(yíng)造的CAD虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，同時(shí)結(jié)合CAI課件完成體驗(yàn)式制圖課堂教學(xué)。

（一）平面與立體相交

關(guān)于截切，很多初學(xué)者認(rèn)為很難想象出物體截切后的樣子，畫出其三面投影更是無從下手。若在課堂上利用SolidWorks演示物體截切過程，且采用多視圖展開顯示（如圖1所示），可啟發(fā)學(xué)生的空間想象力。學(xué)生由三維模型入手，親自體會(huì)模型中點(diǎn)、線、面在三視圖中對(duì)應(yīng)的位置關(guān)系，更容易理解吸收。

（二）立體與立體相交

相貫的難點(diǎn)在于，隨著兩個(gè)相交立體尺寸的變化，相貫線的形態(tài)、位置呈規(guī)律性變化。若用SolidWorks構(gòu)建兩個(gè)相交立體，利用模型樹展開特征編輯尺寸，可隨時(shí)改變其中一個(gè)立體，使學(xué)生方便觀察相貫線的變化過程（如圖2所示），發(fā)展學(xué)生的形象思維，便于其總結(jié)歸納出相貫線的變化規(guī)律，同時(shí)再結(jié)合CAI課件講授如何利用表面取點(diǎn)法和輔助平面法來進(jìn)行相貫線的求解。

（三）組合體

組合體的繪制需要學(xué)生具有一定的空間想象力，通過已知兩個(gè)視圖的投影構(gòu)思出立體模型，然后進(jìn)行未知視圖的投影；若用SolidWorks進(jìn)行模型的構(gòu)建，可利用特征樹當(dāng)中的回溯棒來模擬學(xué)生的構(gòu)思過程（如圖3所示），幫助學(xué)生進(jìn)行立體思維訓(xùn)練，提升形象思維能力和空間創(chuàng)新能力，逐步掌握形體分析法和線面分析法的求解過程。

（四）剖視圖

剖視圖需要表達(dá)立體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形狀，更是需要學(xué)生具有很好的空間分析能力。學(xué)生總是搞不清楚哪里需要剖切，哪里應(yīng)該畫剖面線。利用SolidWorks的拉伸切除功能不僅能幫助學(xué)生構(gòu)思建模，還可沿假想平面切開，使學(xué)生真實(shí)觀察到不同剖切位置得到的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形狀（如圖4所示），從而加深學(xué)生對(duì)剖視圖畫法的理解和認(rèn)識(shí)。

（五）零件圖和裝配圖

由于缺乏工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)零件圖和裝配圖的認(rèn)讀不夠深入。若在CAI課件講解的基礎(chǔ)上結(jié)合SolidWorks建模、裝配以及工程圖的相關(guān)功能，可以很好地將零件圖和裝配圖的有關(guān)知識(shí)串聯(lián)在一起，加深學(xué)生的理解，提高學(xué)生的識(shí)圖讀圖能力。

以裝配體齒輪減速器為例（如圖5所示），通過拉伸切除功能即可讓學(xué)生在上機(jī)時(shí)自行完成零件軸、端蓋以及齒輪的構(gòu)建，其他零件由于課時(shí)有限，由教師輔助完成。學(xué)生通過親自建模，可加深對(duì)零件上的工藝結(jié)構(gòu)的理解。然后通過裝配功能，讓學(xué)生自己觀察各零件之間的聯(lián)接關(guān)系、傳動(dòng)路徑以其在裝配體中的作用。待完成裝配關(guān)系之后，可利用工程圖模塊，將零件或裝配體進(jìn)行自動(dòng)投影，選擇適合的剖切方法完成視圖表達(dá)（如圖6所示），進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)裝配體內(nèi)部結(jié)構(gòu)及裝配關(guān)系的認(rèn)識(shí)。

三、結(jié)論

本文提出的基于SolidWorks的體驗(yàn)式教學(xué)改革設(shè)計(jì)， 可以在很大程度上實(shí)現(xiàn)以教促學(xué)方式向自主學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)化，將計(jì)算機(jī)繪圖與機(jī)械制圖課程相結(jié)合，在采用CAI課件講授的同時(shí)讓學(xué)生逐步掌握軟件建模的基本功能，使學(xué)生可以主動(dòng)探究，獨(dú)立學(xué)習(xí)。

通過部分上機(jī)課程實(shí)踐，學(xué)生反饋出了很好的吸收效果。此種教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)了學(xué)生通過自身體驗(yàn)來獲得知識(shí)，教師為促進(jìn)學(xué)生探究而講授，將講授控制在必要的范圍之內(nèi)，留出指導(dǎo)、輔助學(xué)生學(xué)習(xí)的時(shí)間，讓學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)問題。

【參考文獻(xiàn)】

[1]楊惠英，王玉坤.機(jī)械制圖[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011：1-5.

[2]孫蘭鳳，梁艷書.工程制圖[M].北京：高等教育出版社，2014：1-10.

[3]孫子?jì)?基于VR-Platform的三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].上海：上海師范大學(xué)，2009.

[4]陳佑清，吳瓊.為促進(jìn)學(xué)生探究而講授——大學(xué)生研究性教學(xué)中的課堂講授變革[J].高等教育研究，2011，32（10）：94-99.