李炎光 焦芳敏 胡新颖

(河南工学院机械工程学院，河南 新乡 453003)

0 引言

制图作为机械类专业学生一门必修的技术基础课，它需要学生具有一定的空间想象能力和逻辑思维形体表达能力。对于刚踏入校门的学生，他们大都缺乏一定的专业基础知识和工程实践经验，空间形体思维能力相对薄弱，而且伴随着课程难度的加深，往往会出现学生学习兴趣低下，学习效果较差的现象。针对以上情形，国内外很多院校的制图教学者对此进行了教学研究，并提出了很多行之有效的教学方法[1-4]。现结合本校的具体情况，同时借鉴国内外制图课程的教学改革经验，把三维建模技术引入制图教学中，对培养学生的综合创新能力，以及提高学生空间立体的构型能力有良好的效果。

1 引入三维建模技术辅助制图教学的必要性

机械类专业的学生入职后的工作大都与阅读和绘制工程图样相关，因此，如何读图和绘图是他们在校时必须要掌握的一项基本技能。对于传统的制图教学模式而言，在整个教学过程中，教师是主角。教师主要通过语言来组织整个教学环节，侧重的是知识点的讲解和传授，不利于学生空间思维能力的提高。虽然在课堂上会有挂图、实物模型等辅助教学工具，但是挂图尺寸有限，不能兼顾所有学生能够看到；而实物模型笨重，内部结构不能完全触及，对实物的具体结构不能清楚了解。此外，教具数量少，借用登记麻烦，且每个学生能够接触到的时间很短。因此，这些客观因素的存在限制了制图课程教学质量的提高。

随着教育技术学的发展，多媒体技术在课堂中的应用逐渐增多，这一技术的出现增加了课堂的生动性和趣味性，但是缺少挖掘形体构成与投影的对应关系分析，缺乏对同类结构的分析和总结[5-6]。后来，部分制图教学者把AutoCAD应用在课堂教学中，借助该软件进行二维视图的讲解。在教学过程中遇到的部分实物相对复杂，如果仅是通过引入AutoCAD的二维平面图形进行分析讲解，那么，该软件的使用仅是提高了绘图效率和绘图质量、弥补了挂图尺寸有限的缺点，但是对于空间思维能力相对较弱的同学而言，依然会出现理解困难的情形，不利于空间构型能力的提高和创造性的形象思维能力的提高，对制图课程教学效果的提高有限。

目前，伴随着计算机绘图功能的日益强大，三维绘图软件生成的图形清晰、直观、修改方便，因此，三维绘图软件的应用越来越广泛，在教学过程中引入三维绘图软件，模拟实物的形态，能清晰直观地帮助学生建立空间构型能力。三维立体图形的绘制都是在二维草图的基础上通过拉伸、旋转、扫描、放样等手段成形的，然而，二维草图的绘制需要制图工作人员必须具备扎实的制图基本技能，这同时也对制图教育者提出了更高的要求。针对上述情形，制图教研室全体工作人员提出了遵循人们的认识规律，把三维建模技术引入到制图教学中，辅助制图教学，这是实现制图教学改革的一个必然要求。它让学生清晰直观地理解了二维视图的形成过程，帮助学生轻松实现了二维和三维之间的自由转换，激发了学生的学习热情，并取得了良好的教学效果。

2 三维建模技术在制图教学中的作用

2.1 三维软件的选择

目前，机械设计人员常用的三维辅助绘图软件有Pro/E、UG、Catia、Solidworks等，其中Solidworks是这些3D软件中界面友好，最易于操作的一款软件，该软件拥有多种模块，且模块与模块之间是相互关联的，对模型的每一处修改都可实现其他模块的同步更新，深受初学者的喜爱。学生课上课下都可以利用该软件辅助读图、绘图，易于培养学生的制图情结，因此，教研室选用此软件开展三维建模技术辅助制图教学的研究。

2.2 三维建模技术与制图课程的有机结合

三维建模技术将制图教学和计算机绘图技术结合起来，三维建模技术依托于二维工程图学，二维绘图技能需要学生具有较强的思维空间想象能力，而三维图形辅助学生思维构型。三维建模技术成功应用到制图教学中，实现了二者的深度融合，从而达到了事半功倍的效果，对学生空间形体想象力的提高有较大帮助，理论教学环节和实践教学环节都取得了良好的教学效果。在近几年的“高教杯”河南省以及全国大学生先进成图技术与产品信息建模大赛中，河南工学院代表队取得了省团体“特等奖”、个人“一等奖”以及全国“二等奖”等优异的成绩。

2.2.1 促进课堂理论教学

机件表达法是制图教学章节中的重点，也是难点，这些内容掌握的好坏将直接影响后面章节的学习，此外，对其他专业课程的学习也将产生一定的影响。本章内容的难点在于如何正确运用合适的表达方法表达一个机件。对于大部分学生来说，看到结构复杂的形体，往往会出现脑海迷茫，无从下手，更无法运用适当的表达方法想象出所对应的图形。此时，传统教学模式的缺点表现得比较突出，对教师来说讲解起来非常困难，同时学生的听课效果极差，导致学生学习兴趣低下，最终也很难达到教学目标。

图1 机件三维模型

制图课堂引入的Solidworks三维绘图软件打破了传统的黑板、挂图、模型的传统教学模式，实现了轻松的教学氛围。教师提前把三维模型绘制完毕，在授课过程中，利用该软件打开模型，如图1所示，借助该模型来开展知识点的讲解。对照模型，首先，引导学生认真观察立体外部结构形状，想象出其对应的二维投影；其次，采用多种表达方法对模型进行剖切，让学生清晰地看出其内部结构，同时想象出内部结构的投影；最后，用多种表达方式来表达实物的内、外部结构形状，选出最优表达方案。这种新型的教学模式实现了复杂问题的简单化，快速地化解难点，帮助学生在短时间内形象直观地了解实物的内、外部结构。这种教学模式补偿了学生空间想象力的不足，实现了三维和二维图形之间的轻松转换。

2.2.2 与实践教学的有机融合

零部件测绘对新技术的交流、旧设备的改造与革新、零件的修配等都有重要作用，因此，工程技术人员必须要掌握该项基本技能。零部件测绘是制图课程的一个重要的基础性的实践教学环节，它不仅是检验学生对所学理论知识的掌握程度、读图与绘图的基本技能，而是检验学生运用所学基本理论知识来解决实际问题的能力。因此，作为应用型本科院校，机械类专业的学生需要掌握这项技能，为今后的工作打下坚实的理论和实践基础。

传统的测绘课程是教师针对测绘零部件讲解其结构特点、测量工具的使用方法以及测绘过程中需要注意的事项等。讲解完毕，每组学生分一个模型，利用游标卡尺、卡钳、千分尺等测量工具进行测量，徒手绘制图样，整理好后采用尺规作图，最终完成零部件的测绘工作。整个测绘过程耗时较长，效率较低，图纸质量一般。此外，由于高校不断压缩制图课时，学生基本理论知识掌握得不够牢固，在制图测绘环节学生往往追求的是图纸能否按时绘制完毕，能否取得学分，只是对着模型或者别的同学的图纸进行模仿绘图。在整个测绘过程中只体现出了学生手工作图的能力，而对零件的工艺结构和尺寸标注的合理性，装配体的工作原理、装配路线、特殊表达方法的运用，以及装配图的尺寸标注等的运用与理解几乎无人关注，制图测绘的真正目的未能达到。伴随着社会的发展，人们的环保意识逐渐增强，大部分企业都采用高效率的无纸化办公。因此，测绘实践教学环节需要减少尺规作图的工作量，保留徒手绘图，增加计算机绘图，以适应时代的发展要求；同时也给老师和学生留出更多的时间去交流图纸问题以及实物的加工、安装工艺等。

以水泵为例，教师采用Solidworks三维绘图软件打开三维视图，如图2所示，对其制作爆炸视图，如图3所示，模拟实体的拆卸过程。与此同时，教师要求学生的拆卸进度与模拟拆卸进度保持一致。在拆卸过程中，引导学生体会已学知识，理解工件的装配路线、零件间的配合种类等。为了加深理解水泵的工作过程，要求学生在课堂上完成工作原理图和主要零件图的徒手绘制。绘制完毕，教师借助该软件演示水泵的装配过程，然后再添加动力，实现水泵的转动，从而增加了测绘课堂的趣味性，激发了学生的学习兴趣，加深了对基本理论知识的理解与掌握。

图2 水泵总装图

图3 水泵爆炸视图

鉴于课堂讲解时间有限，测绘的大部分工作都是在课下完成的。Solidworks绘图软件带有强大的工程图模块，教师鼓励学生利用该模块来实现二维工程图纸的绘制，并且对于复杂的工件采用多种表达方案，最后通过对比选出最优方案。在测绘过程中让学生反复的拆装，体会出三维模型到二维图纸的转化过程，加深理解实体和投影视图之间的转换关系，很好地培养了学生在绘图和识图方面的能力。

3 结论

利用三维建模技术辅助制图教学，实现了二维平面图形和三维实体之间的自由转换，尤其对于空间想象能力相对较弱的同学，经常会出现构型障碍。在整个教学过程中，以学生为主线，利用Solidworks三维绘图软件辅助复杂立体的绘制，实现了教师和学生之间的良好互动，增加了课堂的生动性和趣味性，提高了学生的制图能力，激发了学生的学习热情，这种教学模式深受学生的喜爱，完美地达到了教学目的，实现了良好的教学效果。