機械制圖習題動態求解課件的開發

李銀玉，王鳳彪

(沈陽理工大學，沈陽 110159)

0 引言

多媒體已經成為現代課堂教學的重要手段。而借助于現在日益普及的網絡和智能終端，通過合理設計與課堂教學密切相關的教學輔助課件，既可有效促進學生自學，也增強了教學互動。畫法幾何與機械制圖(以下簡稱制圖)課程的任務是學習在平面上表示形體和解決空間幾何問題的理論和方法，并在此基礎上掌握機械零部件的圖樣表達技能。課程教學的關鍵可以概括為兩個環節：一是建立空間形象；二是理解投影變換。這兩方面的訓練很大程度上依賴具體物化的形象演示效果，而增加實時的過程演示更有助于反映相關過程的內在聯系和思維過程。隨著多媒體成為現代制圖教學不可或缺的重要工具，而現在日益普及的三維CAD給制圖多媒體課件在形象性、趣味性、思辨性等方面更是打開了無限的空間，充分運用現代CAD技術完善機械制圖教學和輔助教學資源就顯得很有必要了。

對于制圖課，作習題是非常重要的學習環節。批作業、講習題是制圖課教學中一項付出多且比較繁瑣的工作。為了幫助學生提高作業質量，一直以來我們是把習題參考答案展示在教學樓固定的櫥窗里供廣大學生參考學習。現在基于發達的網絡和豐富的客戶端，開發能與課堂教學配套使用的聲色兼備的習題動態求解課件能起到更好的教學效果。

1 習題課件的開發構思與技術準備

課件要傳輸這樣的一個思想，即“思考于空間而實施在平面”。習題課件不只是要給出解題過程和題解答案，更重要的是致力于實現制圖教學兩個關鍵環節的突破，以此設定了習題課件制作的任務：一是增加對題目對象的空間形態做出完整清晰的展示，強調還原空間形態的重要性和還原方法，并對比其空間形態展開相關分析；二是要形象展示解題作圖的過程和思維邏輯，加強解題方式方法的引導。以上兩個任務也是學生制圖學習中常犯的錯誤，一方面，不能或不注重構筑關于被求解對象其空間形態的清晰完整印象，只試圖以教條方式套用理論原理和方法來應付問題，導致求解過程全然沒有頭序并使問題變得極度抽象和復雜；另一方面是不重視方法，解決問題不分主次輕重，更不在意形體結構的形成邏輯，導致解題效率低下且出現這樣那樣的問題。開發習題動態求解課件應從以下兩方面著手，一方面，增加三維CAD模型來形象具體地展現求解對象的空間形態，并基于空間形態分析獲得解題依據和方法，增強學生的空間思考，培養基于空間思考的解題習慣；另一方面，通過各種動畫手段，使三維模型和解題過程同步推進，形象地再現形體構思過程和作圖方法，引導合理的空間構思思路，同時形象完整地再現空間形態的投影變換過程，借此來主動引導和強化分析與求解方法的科學性。

本課件采用SolidWorks和AutoCAD分別完成三維建模和二維繪圖，使用抓圖、修圖工具以圖片形式插入到PPT中，通過PPT的頁面設計將相關文字、圖形、提示與警告等內容有機、和諧、醒目地組織起來，再配以適當的語音講解，使課件形象、生動、清晰、美觀。通過當前通用的手機APP發送給學生群，方便學生隨時隨地瀏覽學習。

動態求解就是習題以多媒體課件的形式展開，不僅有形象生動的輔助圖像，作圖過程和圖像的呈現是通過PPT文稿豐富的動畫控制功能按時序即時展開，尤如老師邊講邊做，注重的是解題過程的展現。

2 習題課件開發技術要領

為直觀反映空間與投影之間的關系，在SolidWorks中建立了三面投影系模型文件，其三個坐標平面的位置和顯示大小借助模型參數均可方便修改。

2.1 關于基本幾何要素的模型構建

建立基本幾何要素投影系的立體模型涉及到點、直線、平面及投射線這些幾何要素的3D表示問題。在SolidWorks中建立球體來表示點、管道特征表示直線、平面區域表示平面。這些對象在SolidWorks中都可根據需要對它們設置特定的顏色、亮度、透明度及進行顯示或隱藏操作。在SolidWorks中通過控制將這些幾何要素位置和大小的參數定義為全局變量，可方便地協調調整這些幾何要素的相對位置和顯示比例，避免了重復的建模操作。通過設定不同的截面尺寸來區別空間線段、投影及投射線和作圖輔助線，并通過調節顏色增強它們的區別。圖1為求線段AB實長的立體模型。

圖1 求解線段實長的立體模型

2.2 關于幾何體表面交線求解模型的構建

為突出求解原理和作圖過程，將模型置于三投影面體系中，使模型及其三面投影同步反映截交線(或相貫線)的作圖原理與作圖方法。圖2為求圓臺表面截交線的3D模型。這里立體的三個投影是借助于SolidWorks的“轉換實體引用”功能實現的。通過改變模型上曲線的線寬、線型和顏色來增強和突出它們的作用和表現力。

2.3 關于組合體的解題過程演示

關于組合體的訓練主要是培養形體分解和重構的能力，側重的是解題方法和步驟。為強調和反映形體分解和重構的思想方法和解題過程，依然是將組合體置于三投影面系中，直觀地反映組合體重構過程及其投影的同步變化，并通過在PPT中按一定的時序播放重疊在一起的系列圖片，營造形體重構的動態過程，并給出作圖方法與步驟。

2.4 關于機件表達法的解題分析與演示

關于機件表達法，課件是要突出各種表達法的表達意圖和表達法對應的機件三維結構狀態。在SolidWorks中工程圖可以在線框圖和實體圖之間進行切換。通過將實體狀態與表達法進行對照，形象地說明了表達法的概念和畫圖要求。

2.5 其他章節

關于標準件和常用件、零件圖和裝配圖，這部分內容比較依賴工程背景知識，學生的困難就是缺乏必要的工程實踐經驗，對相關問題不能很好地結合工程實際要求去理解，往往因問題過于抽象化而建模困難。三維CAD在表現產品尤其是裝配體及裝配圖方面具有特別的優勢，恰當運用CAD的裝配建模技術，通過干涉檢查、運動仿真和爆炸圖等操作，營造了虛擬的產品設計裝配環境，對學生理解這部分知識具有良好的幫助。

3 結論

制圖課的關鍵是盡快盡早建立起空間存在和線條圖形之間的聯系。加入三維CAD模型，結合PPT豐富的動畫功能開發習題動態求解課件，按照制圖思維規律和方法完成三維模型構建，展現圖形與空間存在之間的聯系是現代制圖教學的必然要求。將課件發布到智能終端，極大地方便了學生對該課程資源的利用率。經過不斷的豐富和完善課件的內容和形式，該課件為學生學好制圖課發揮著越來越積極的作用。