SketchUp在《畫法幾何及工程制圖》三維交互式課程中的應用探討

樊芳玲 周啟航 姚昊翊* 唐振亞 鐘浩

1.云南師范大學能源與環境科學學院 云南昆明 650504；2.昆明理工大學現代農業工程學院 云南昆明 650504

《畫法幾何及工程制圖》是我國高校工科專業必修的一門基礎平臺課，研究內容是繪制和閱讀工程圖樣方法，是指導生產的一種重要技術資料[1]，被稱為工程界的“語言”。這門課程主要想建立三維建模與圖樣表達融合并進的知識結構體系；從畫法幾何部分利用正投影法分析點、線、面的空間位置關系入手，以平面輪廓特征為紐帶，建立起三維實體與投影圖形的關聯互通；實施三維建模與工程圖樣并行的表達方法，旨在訓練學生轉化平面圖和三維模型的思維能力[2]。授課過程建立在總結規律、詮釋疑點、化解難點、啟發思維的基礎上，通過實踐演練、探究解決問題思路與方法，剖析解題過程中發現的疑難問題，以便學生更好地掌握在工程實踐中讀圖和制圖的基本技能[3]。在這一基礎上，依據國家制圖標準中的相關規定，在尺規作圖和計算機制圖的教學中，運用正投影法的基本理論，使學生初步形成在學習和工作中發現、分析、解決工程問題的意識，從而培養學生鍥而不舍、精益求精的工作態度。作為一門工程類基礎課程，課程中學習的工程圖、零件圖等常常作為工程師之間交流設計與加工思路的橋梁，鑒于此，學好這門繪圖、識圖的課程尤為重要。

然而，在學習《畫法幾何及工程制圖》這門課程時，需要學生具有一定的空間思維能力和動手實踐能力。對于在中學時期就畏懼幾何的同學，進入大一接觸《畫法幾何及工程制圖》學習的時候，特別容易進入先入為主地認為自己“空間想象能力差”“學不好這門課”的誤區，從而產生厭學情緒的惡性循環。在傳統教學中，我們一般采用“板書+幻燈片+實物模型”的方法進行授課，但是我們在實際教學過程中發現，如果僅僅使用“板書+幻燈片”的手段不能夠很好地展示物體的各個角度，有的老師容易展示過快，影響到學習效果；使用實物模型又有搬運困難、不便于學生課后觀察等缺點。傳統的教學方法必然會導致學生感到枯燥、難懂，課堂活躍度低，教學效果差，因而急需探尋一種便于使用且直觀易懂的三維交互式教學方法，在此基礎上講練結合、鼓勵創新來提高教學效率。

針對以上需求，我們在教學過程中引入了三維建模軟件SketchUp來幫助學生理解《畫法幾何及工程制圖》的基本概念和建立空間邏輯。SketchUp是一款直觀地進行設計方案創作的繪圖軟件，利用SketchUp來構建工程中的三維模型，具有操作效率高、場景真實(可360°旋轉查看)、便于修改、可共享、方便學生課后查看等優點。該軟件建模便捷、精度高、貼圖豐富，利用它的繪制、移動、旋轉、平行投影、賦予材質、線框顯示、X光透視觀察等功能操作，一目了然地展示出物體的外觀和內部結構。SketchUp軟件以其快速設計的功能和人性化的操作，在教學演示中展現出了獨特的優勢。

1 SketchUp在理解畫法幾何基本概念中的應用

《畫法幾何及工程制圖》整門課程可以分為“畫法幾何”部分和“工程制圖”部分，分別在大一上下兩個學期開課。其中“畫法幾何”部分是“工程制圖”部分的基礎，重點在于幫助學生提前建立工程制圖中要用到的基本概念。例如，在講述圓柱體形成過程的概念時，涉及圓柱體中的軸線、母線、素線、轉向輪廓線等元素的講解，教師可以在語言描述的同時，用SketchUp軟件的“路徑跟隨”功能演示母線繞著軸線旋轉形成圓柱體的過程，使枯燥抽象的概念在學生眼前活靈活現地展現出來，如圖1所示。動態演示結合學生的作圖練習，不僅幫助同學們理解鞏固相關概念，還能在增加學生學習興趣的同時，提高課堂教學質量。

繪制旋轉軸線

繪制母線

繪制旋轉路徑

路徑跟隨

完成圖1

2 SketchUp在建立學生空間邏輯上的應用

組合體三視圖的繪制一直是《畫法幾何及工程制圖》學習的重點和難點，該部分內容掌握的情況將直接影響學生在工程實踐中識圖和制圖的能力。在講授截交線、相貫線、剖視圖這一部分內容時，使用SketchUp軟件演示可以動態地呈現出平面截切幾何體或者多個幾何體相貫的過程。例如，利用簡單的“建立群組”“旋轉”“移動”“使模型交錯”等命令就可以方便地構建出平面與幾何體相截，并直觀地反映出平面與幾何體表面的交線(即截交線)，如圖2和圖3所示；另外，使用上述命令，也可以方便地構建出多個相交的幾何體(即相貫體)，同時反映出兩個相交幾何體表面的交線(即相貫線)，如圖4和圖5所示。圖6所示的“X光透視模式”的SketchUp模型清晰地展示了相貫線產生的三種形式：外表面相貫、內表面與外表面相貫和內表面相貫。此外，將單個幾何體創建為群組以后，還可以通過“移動”命令快速調整幾何體間的相對位置來觀察相貫線形態的變化。例如，利用SketchUp軟件改變兩個垂直相貫圓柱體的軸線距離來了解相貫線形態的變化情況。在上述教學過程中使用該軟件展示清晰又快捷，有助于培養學生的空間想象能力，也便于加深其對相貫體和相貫線知識點的理解。

圖2 截交線的二維教學方法

圖3 截交線的三維教學方法

圖4 相貫線的二維教學方法

圖5 相貫線的三維教學方法

圖6 內外相貫線三維視圖

3 SketchUp在加強學生的實踐能力中的應用

工程中常見的建筑構配件和機械零部件看似復雜，實際上都是由多個基本幾何體通過疊加、挖切等形式組合、變形而成的。遇到這些形體的制圖時，我們通常采用形體分析法來解決。這是一種將復雜的建筑構配件或機械零部件簡化還原為多個基本幾何體(如圓柱、圓錐、六面體等)的思維方法。簡化后的基本幾何體需要學生對比原型來確定它們的相對位置和組合方式，最后再練習圖紙的繪制和閱讀，長期訓練后即能熟而生巧。傳統教學中講授組合體的形體分析過程一般采用幻燈片講授的方法，因為少了教師對該知識點的實操演示和學生自己的動手實踐，最終掌握情況不盡如人意。而在教師演示或教授學生使用SketchUp軟件繪制建筑構配件和機械零部件的過程中，就形象地展示了一個先形體分析再組合建模的流程。在SketchUp中，建模過程中的每一步(每一次簡單形體的建立)都很清晰，學習起來輕松易上手，仿佛自己用手捏制橡皮泥形體并任意組合一般(如圖7所示)，便于學生將形體分析法在實際應用過程的使用步驟和規律進行總結。講到建筑設計施工圖和機械零件圖、裝配圖時，在現有教學模式的基礎上引進相關工程案例和國家標準、行業標準，并嚴格要求學生按生產實際做課內實踐，保證學生在課堂上所學的知識有生產實踐性，對以后的學習和工作具有一定的指導意義[4]。

繪制截面

拉伸成形體

相貫

剪切

組合

挖切圖7 SketchUp 軟件生成模型過程

結語

圖8 學生滿意度調查

實踐表明，將SketchUp軟件引入《畫法幾何及工程制圖》課程的教學中，對于空間想象能力有限的學生來說，可以將抽象的空間形體具象化為可見的三維模型或二維圖紙，將傳統教學過程中難以表達出來的細節部分直觀、生動地呈現給學生，有助于訓練學生的空間邏輯和抽象思維能力；對于空間想象能力本就不錯的學生來說，鼓勵學生親自建模實踐，將設計理念轉化為計算機模型，不僅激發了學生學習制圖的主動性，也增強了參加競賽的創新性。對學生進行滿意度調查的結果表明這種配合以SketchUp軟件、以“教師教學—學生練習—工程實踐”為關注點的新教學模式取得了良好的效果，獲得了大部分學生的認可(如圖8所示)。學生在獲得專業理論知識的同時，鍛煉了運用專業知識解決實際工程問題的實踐能力和創新能力，綜合素質得到了顯著提升[5]。