將三維建模軟件引入工程識圖教學的研究與實踐

劉雙 陸鳳霞

摘 要：工程識圖是工科非機類大學生必修的一門專業基礎課，如何引導學生快速提高識圖能力和學習興趣是教學環節中面臨的實際問題。文章結合機器虎鉗裝配圖，討論在教學過程中，如何利用三維實體造型軟件Solidworks培養學生的創新能力及簡單的工程意識，并指出了這種教學方法在培養學生空間想象能力方面的優勢。

關鍵詞：工程識圖；三維建模；教學；Solidworks

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）12-0105-03

Abstract： Mechanical Drawingis an essential subject for students who major in engineering course. And how to improve the ability of students is a practice problem in teaching. We combine the assembly drawing of machine vice with the course of teaching with the use of Solidworks as the example for model demonstration on cultivating the ability of students in space thinking and simple engineering design， At the same time showing the advantage that this teaching method can train the ability of students to construct a three-dimensional space imagination.

Keywords： mechanical drawing； 3D modeling； teaching； solidworks

一、概述

工程識圖是高等工科院校非機類少學時專業的一門基礎課，是該專業學生的必修課程，掌握了工程制圖基礎知識，不僅對專業課學習有幫助，對其他相關機械類課程的學習也會有幫助[1]。

隨著計算機技術的飛速發展，利用計算機進行產品的輔助設計已成為主流，工程圖學課程指導委員會在其新修訂的教學基本要求報批稿中[2]，將“應用繪圖軟件繪制工程圖樣及進行三維造型設計的能力”并行地列入工程圖學課程任務中；在教學中，我們應當順應時代潮流，把計算機三維輔助設計思想引入教學環節中，即把工程識圖課程與三維繪圖軟件SolidWorks結合起來進行教學；在教學中，給出物體的二維零件圖，學生通過繪圖軟件建立實體模型；同時，通過創意產品的設計與制圖，加強學生的創新設計能力和實際動手能力，為日后更高級軟件的學習和工作打下良好的基礎。

二、工程識圖教學目前存在的問題

培養更多適應企業需求的合格人才是高校教學的首要任務。通過跟企業的交流，用人單位普遍反映，剛招收的大學生，無法通過簡單的培訓后就能上崗，無法快速適應企業的需求，處理問題的思路理想化，單一化，如：設計出來的東西不符合實際使用要求，結構不合理，沒有考慮鑄造工藝和機械加工工藝，無法生產，裝拆不方便等等[3]；?！霸O計是為制造服務，制造是設計的后繼。一個再好的設計作品，如果不能或難以制造出來，則只能是紙上談兵”[4]。所以要在我們的課堂教學中注重培養學生的綜合素質，理論結合實際，提高學生實際解決工程問題的能力。

工程識圖課程內容覆蓋全面，而課時少，學生在學習過程中，空間思維能力無法得到逐步的提高，導致課程內容難以理解，從而對這門課程失去興趣，歷年學生普遍反映該課程枯燥，課程難度較大。因此，在現有教學體制無法更改的前提下，可以借助現代教學手段，改變原有的課堂教學方式，探索一種新的教學模式。

在過去電腦還未普及時，課堂授課多采用掛圖式及黑板手繪式，這種教學方式，對于制圖課程而言，教師課堂授課難度大，而且效率較低，所以現代教學都借助電腦及投影儀，利用PowerPoint軟件，把教學內容及復雜三維模型在電腦上呈現出來，這大大減輕了老師課堂授課時手工繪圖的負擔；但由于課件事先準備好，課堂上基本采用幻燈片放映的手段呈現給學生，這對于基礎較好，空間想象能力強的同學，非常適用；但實際上，很多同學本身對物體缺少空間概念，所以接受能力較低的同學難以想象出空間形狀，無法融入課堂教學中，甚至導致部分學生喪失學習的興趣。因此本文提出將三維建模軟件的學習輔助運用到課堂教學中，把傳統的單向授課課堂搬到機房內，讓學生利用三維繪圖軟件繪制課本上及習題集上的二求三模型，并采用互動式及小組討論式教學方法，以提高學生的學習興趣和學習熱情，提高學習效率，活躍課堂氣氛。

三、工程識圖教學的實踐和探索

（一）Solidworks軟件簡介

目前各個公司開發的計算機三維造型軟件有很多，但適應于教學用的三維造型軟件， Solidworks是一款比較不錯的軟件，該軟件是美國Solidworks公司開發的，基于Windows操作平臺的三維設計軟件，其功能非常強大，是一款專業的三維造型軟件，該軟件具有簡便易學，操作簡單，性能穩定等特點，因此被廣泛應用在機械，電子，交通運輸，航空航天，科研，模具，工業設計等行業[5]。我們目前教學過程中所采用的AutoCAD軟件，其顯著優勢在于其強大的二維繪圖功能，但在三維建模方面存在明顯的不足，不利于學生空間想象能力的培養和提高，因此我們把三維設計軟件Solidworks引入教學過程中，充分利用該軟件的優勢，提高工程識圖課堂效率。

（二）課堂采用互動式教學手段，讓學生參與建模過程，有利于提高學生的空間想象力

在講解由二維投影到三維實體過程中，讓學生利用Solidworks軟件中的特征命令繪制簡單的立體圖，如“拉伸”、“旋轉”、“掃描”以及“放樣”等，從而更能深刻理解由二維投影到三維立體圖的形成過程并掌握基本建模方法。

相貫線是指兩個立體表面的交線，對于初學者來說，相貫線的空間想象難度比較大，特別是孔和孔之間的相貫線，在這種情況下，可以采用Solidworks軟件中的動畫效果，展現相貫線由一般位置變為相貫線特殊情況的過程，從而增加學生的感性認識，讓學生更易掌握教學要點。以圓柱與圓柱的相貫為例，

從圖1我們可以看出，隨著水平放置圓柱直徑的不斷增大，相貫線的形狀也發生了變化，中間位置為當相貫線的特殊情況，即兩立體的直徑相等，且垂直相交時，其相貫線為兩個大小相等的橢圓，并且當垂直相交的軸線跟某個投影面平行時，相貫線在這個投影面上的投影積聚成兩條大小相等的直線段；從圖2我們可以看出，無論是兩柱面的外表面相貫還是內表面相貫，只要兩立體的尺寸不變，相對位置關系不變，相貫線的形狀和位置也不會改變，唯一變化的是相貫兩立體的輪廓。

學習組合體及機件表達內容時，選擇具有代表性的零件，讓學生用Solidworks軟件繪制其立體圖，并利用Solidworks軟件中的渲染手段，制作更為精美的立體圖，增加學生的學習興趣；對于學生學習過程中比較難理解的剖視圖，可在軟件中采用不同的剖切方法及剖切程度來剖切零件，并展現其剖切過程，同時結合剖視圖表達的要點及注意事項逐步講解。通過這些方法，學生在后續讀零件圖及繪制零件圖的學習過程中，能夠選擇合理的視圖表達方案，準確、全面的表達出零件的二維投影圖。

裝配圖和零件圖往往是學生學習過程中的難點，有些同學在學完這門課程后，還沒有完全理解裝配圖和零件圖的區別；所以在講解裝配圖時，讓學生利用Solidworks軟件繪制裝配圖上各個零件的立體圖，并按照裝拆順序進行組裝和拆卸，組裝好的裝配圖進行運動干涉檢測及碰撞檢測，并采用爆炸視圖等手段顯示，從而對零件圖和裝配圖的區別有更深刻的理解；在由裝配圖設計零件圖時，采取小團隊的方式進行，讓學生自行研究和討論，鍛煉學生的團隊合作精神及自主創新精神。

以機器虎鉗裝配圖為例，學生根據機器虎鉗上各個零件的零件圖，利用Solidworks軟件繪制其立體圖，如圖3所示，在繪制過程中，需要講解零件的鑄造工藝及機械加工工藝結構，并且把零件的尺寸標注注意要點糅合進每個零件的設計中，設計好的零件按照裝拆順序裝配好，如圖4所示，裝配過程中進行干涉檢測及碰撞檢測，裝配好的機器虎鉗利用軟件中的線性馬達功能模擬其運動過程[6]；通過這些方法和手段，學生對裝配圖有了更深刻的理解，并可采用啟發式的教學方法，探討裝拆順序及優化設計等，從而進一步走近機械工程，對理解課程內容、激發學習熱情很有好處。

（三）創意產品設計，增強學生的學習興趣

在教學過程中，可以選擇難度適中，具有一定代表意義的產品進行創意設計。如，本人在教學過程中，提出了建一個地面停車樁的三維模型（純機械式），要求外形美觀，設計合理，具體內容如下：繪制裝配圖上各個零件的立體圖，并按照裝拆順序進行組裝，組裝好的停車樁進行運動干涉檢測及碰撞檢測，并采用爆炸視圖等手段顯示；實現放倒和上鎖的動畫效果。對于這個任務，學生的學習熱情高漲，他們自發以2-3人為一組組成創新設計團隊，以頭腦風暴法收集資料并提出設計方案，借助Solidworks軟件，繪制產品立體圖，最終提交產品設計方案；刪選出來的設計作品具有一定的參考價值，方案如圖5所示。通過這個案例，我們發現，采用這種教學手段，不僅提高了學生的學習熱情，培養了學生的思考能力，而且借助三維軟件在創意產品設計時的應用，能更快更好地捕捉設計靈感，提出創新產品的設計方案，在這一過程中，還培養了學生的創新能力和團隊協作能力。

四、結束語

Solidworks是目前工程界應用較為廣泛的繪圖軟件之一，我們的課堂教學與時俱進，把該軟件引入到工程識圖的教學過程中，并且將立體建模思想貫穿于識圖教學的各個階段，體現了以三維設計為主線，以兩面投影為重點的指導思想，不僅讓學生掌握了一門實用的繪圖技術，而且提高了工程識圖這門課程的學習興趣與學習效果，可謂一舉兩得。

參考文獻：

[1]劉蘇.現代工程圖學教程[M].北京：科學出版社，2010.

[2]陳錦昌.論本科工程圖學課程教學基本要求的修定[J].工程圖學學報，2004，25（3）：101-105.

[3]余明浪.“工程制圖”教學改革的反思和探索[J].工程圖學學報，2009，30（05）：157-162.

[4]吳長德，李孟仁.新技術形勢下的機械類課程教學研探[A].機械類課程報告論壇交流文集[C].武漢：華中科技大學出版社，2006： 47-49.

[5]郭友寒.SolidWorks2013機械設計基礎及應用[M].北京：人民郵電出報社，2013.

[6]張晉西，蔡維，譚芬.SolidWorks Motion機械運動仿真實例教程[M].北京：清華大學出版社，2013.

[7]石玲，楊恩霞，羅阿妮，等.淺談工程圖學課程的教學設計[J].高教學刊，2015（15）：79-80.