張宗波 王珉 牛文杰 劉廣斗

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展和大數(shù)據(jù)時(shí)代的來(lái)臨，在制造行業(yè)中，繪圖環(huán)節(jié)對(duì)計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)技術(shù)的需求在不斷的增加，將三維造型技術(shù)納入工程圖學(xué)教學(xué)中成為教學(xué)改革探索的主要方向之一。文章對(duì)計(jì)算機(jī)三維造型設(shè)計(jì)與工程圖學(xué)的融合進(jìn)行了探索和分析，研究了將圖學(xué)課程與三維造型技術(shù)相結(jié)合并實(shí)現(xiàn)相互促進(jìn)的融合式教學(xué)模式，結(jié)果表明該模式可以有效提高學(xué)生的基本讀圖繪圖能力、空間思維能力、工程意識(shí)及實(shí)踐能力，這為工程圖學(xué)課程的改革進(jìn)行了有意的嘗試與探索。

關(guān)鍵詞：三維造型設(shè)計(jì)；工程圖學(xué)；教學(xué)改革

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2018）21-0076-03

Absrtact： With the continuous development of computer software and hardware technology and the advent of big data era， in the manufacturing industry， the demand for computer 3D design technology is increasing. It is one of the main way of teaching reform to incorporate 3D modeling technology into engineering graphics teaching. In this paper， the integration of computer 3D modeling design and engineering graphics are explored and analyzed. The results shows that the model can effectively improve students' ability of basic graphic reading and drawing， spatial thinking， engineering consciousness and practice， which carried on the intentional attempt and the exploration of graphic course.

Keywords： 3D modeling design； engineering graphics； teaching reform

引言

工程圖學(xué)是一門(mén)以圖形為研究對(duì)象，用圖形來(lái)表達(dá)設(shè)計(jì)思維的學(xué)科。工程圖學(xué)課程作為高校工科專(zhuān)業(yè)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程，其主要目的是培養(yǎng)學(xué)生對(duì)圖樣的表達(dá)和理解能力以及空間思維能力。然而，由于學(xué)生空間思維能力不足導(dǎo)致普遍感覺(jué)工程圖學(xué)難學(xué)是困擾該課程發(fā)展的重要障礙。在工程圖學(xué)的教學(xué)過(guò)程中融合三維造型技術(shù)能夠有效的彌補(bǔ)學(xué)生空間思維能力不足的缺陷，對(duì)于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)興趣有重要作用。而且國(guó)家工程圖學(xué)教育指導(dǎo)委員會(huì)已經(jīng)將“應(yīng)用繪圖軟件繪制工程圖樣及進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)的能力”設(shè)置為了該課程中重要的一項(xiàng)課程教學(xué)任務(wù)，同時(shí)還將計(jì)算機(jī)造型技術(shù)的基本原理以及操作技術(shù)列為了工程圖學(xué)教學(xué)的基礎(chǔ)。

在長(zhǎng)期的教學(xué)改革實(shí)踐過(guò)程中，二維計(jì)算機(jī)繪圖在工程圖學(xué)教學(xué)的融合已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，因此在教學(xué)實(shí)踐中逐步的摸索出將三維造型技術(shù)融合到工程圖學(xué)的教學(xué)中已經(jīng)成為了目前工程圖學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合的一個(gè)重要的課題。本文重點(diǎn)針對(duì)工程圖學(xué)課程與三維造型技術(shù)的融合進(jìn)行了探討。

一、融合式教學(xué)模式

大量的教學(xué)研究表明：在教學(xué)的內(nèi)容設(shè)計(jì)以及教學(xué)方法的體系設(shè)計(jì)上二維工程圖樣與三維造型存在很多的相容性，而且兩者的一致性也比較高，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展使得三維造型設(shè)計(jì)的有了強(qiáng)大的工具[1]。但是就目前的教學(xué)內(nèi)容來(lái)看，三維造型設(shè)計(jì)短期內(nèi)不會(huì)完全取代二維工程圖樣設(shè)計(jì)，兩者之間應(yīng)該進(jìn)行更好的融合。所以在工程圖學(xué)的教學(xué)過(guò)程中應(yīng)該不斷的摸索將二者相融合的教學(xué)新方法和途徑，這是目前工程圖學(xué)教學(xué)的重要任務(wù)之一。

（一）教學(xué)改革思路

工程制圖教學(xué)以及三維創(chuàng)新設(shè)計(jì)教學(xué)都是針對(duì)學(xué)生進(jìn)行的綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，因此，在教學(xué)實(shí)踐中不能僅僅將兩者當(dāng)成是教學(xué)的一種工具。工程制圖與三維造型設(shè)計(jì)在內(nèi)容體系設(shè)計(jì)以及教學(xué)方法的結(jié)構(gòu)組成上有很高的一致性。工程制圖的主要內(nèi)容就是利用二維圖樣通過(guò)適宜的投影方法（一般為正投影法）表達(dá)三維立體，在這個(gè)過(guò)程中一般首先針對(duì)三維立體通過(guò)分解與綜合對(duì)三維立體進(jìn)行了形體分析，然后采用分類(lèi)的方法將三維立體的平面以及曲面立體進(jìn)行分析，然后從特殊的點(diǎn)、線(xiàn)、面等方式對(duì)三維立體進(jìn)行描述。而在圖樣的閱讀和理解過(guò)程中，采用了對(duì)圖樣進(jìn)行從分解到綜合的過(guò)程，注重主要矛盾的處理，在工程制圖的整個(gè)過(guò)程中始終貫穿這樣的教學(xué)方法。在整個(gè)繪圖和讀圖過(guò)程的訓(xùn)練過(guò)程中，由于空間思維能力的不足，很多同學(xué)都會(huì)感到抽象和難以接受，這成為了本門(mén)課程難學(xué)的主要因素之一。

三維造型設(shè)計(jì)與工程圖學(xué)課程的研究對(duì)象是一致的，都是研究物體的三維造型與表達(dá)。而且三維設(shè)計(jì)軟件的設(shè)計(jì)思想與工程圖學(xué)的教學(xué)思路是吻合的，都是通過(guò)對(duì)三維實(shí)體的分解、分類(lèi)和歸納后將各個(gè)不同的部分進(jìn)行設(shè)計(jì)和表達(dá)，三維造型軟件的立體模型建立主體思想仍然要采用相同的方法，這為本課題的研究打下了基礎(chǔ)。

（二）軟件的選擇

目前在三維造型設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)中有多種多樣的軟件類(lèi)型，但是不同的軟件其功能實(shí)現(xiàn)的能力會(huì)有強(qiáng)弱之分，無(wú)論是哪一種軟件，都能夠?qū)υ谌S實(shí)體模型建立、虛擬實(shí)體裝配、工程圖生成等幾個(gè)方面的工程圖教學(xué)起到非常積極的作用。Solidworks軟件雖然也存在一些不足之處，但是具有界面友好、展示性強(qiáng)、入門(mén)簡(jiǎn)單、行業(yè)應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)，因此非常有利于在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)針對(duì)學(xué)生開(kāi)展三維形體表達(dá)中分析問(wèn)題以及解決問(wèn)題的思路培養(yǎng)。因此文章主要使用的三維造型設(shè)計(jì)軟件是Solidworks軟件。

（三）軟件的融入

在工程制圖的教學(xué)過(guò)程中，選擇合適的時(shí)機(jī)融入三維造型軟件非常重要，因此適時(shí)的融入三維設(shè)計(jì)不但有助于學(xué)生更輕松的學(xué)習(xí)工程圖學(xué)課程中的基礎(chǔ)知識(shí)，更能加快培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力，同時(shí)對(duì)學(xué)生理解三維造型設(shè)計(jì)軟件的建模思想和建模流程也大有裨益。

從比較簡(jiǎn)單的基本體造型開(kāi)始就引入三維造型軟件，在這個(gè)過(guò)程中主要以造型展示為主，將三維造型軟件與基本的立體知識(shí)點(diǎn)相吻合，比如截交線(xiàn)、相貫線(xiàn)等環(huán)節(jié)可以通過(guò)課堂演示讓學(xué)生大概了解三維造型軟件的基本功能，最后輔助必要的課下軟件操作練習(xí)讓學(xué)生初步掌握這些三維造型方法。對(duì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的立體三維造型設(shè)計(jì)仍然采用工程制圖中組合體讀畫(huà)圖中使用的基本的形體分析法與線(xiàn)面分析法，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從基本體到組合體，足部完成造型設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)Solidworks軟件的學(xué)習(xí)，逐步掌握基本的設(shè)計(jì)工具、工作界面、工作草圖、特征生成等基本概念與操作，對(duì)軟件的三維設(shè)計(jì)思想有了一個(gè)比較熟練的掌握，對(duì)其基本的造型思路而有了基本的了解。根據(jù)上述分析，選擇在基本體章節(jié)引入三維造型軟件在組合體章節(jié)深化與融入三維造型軟件，會(huì)產(chǎn)生比較好的教學(xué)效果。

（四）教學(xué)安排

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷普及，多數(shù)的學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)以及計(jì)算機(jī)軟件的學(xué)習(xí)能力都得到了很大的提升，因此當(dāng)學(xué)生對(duì)三維造型設(shè)計(jì)的中心思想以及三維造型設(shè)計(jì)軟件的工作界面有了熟練的掌握后，通過(guò)教學(xué)過(guò)程中對(duì)三維實(shí)際案例的聯(lián)系操作，很快就能夠達(dá)到熟練掌握三維造型軟件基本的功能實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也能夠使用三維造型軟件展開(kāi)對(duì)簡(jiǎn)單三維實(shí)體的三維造型設(shè)計(jì)。一般工程圖課程分為制圖基礎(chǔ)知識(shí)、投影基礎(chǔ)、基本立體投影、軸測(cè)圖、組合體、機(jī)件的表達(dá)方法、標(biāo)準(zhǔn)件與常用件、零件圖、裝配圖等內(nèi)容。教學(xué)內(nèi)容多且任務(wù)重，所以在引入三維設(shè)計(jì)軟件的過(guò)程中就要把握好其目的和意義。在本門(mén)課程中引入三維設(shè)計(jì)軟件的目的是輔助學(xué)習(xí)圖學(xué)知識(shí)培養(yǎng)學(xué)生的空間想象力，而不是學(xué)習(xí)三維設(shè)計(jì)軟件本身，因此在課堂中要將軟件充分的融入到課程本身，而不能把兩者分離。在基本立體投影部分首先用1學(xué)時(shí)講解軟件的基本建模思路，了解草圖、特征、基準(zhǔn)面、約束等基本概念與功能。在平面立體部分融入“拉伸”和“拉伸去除”操作的講解，并利用這些功能讓學(xué)生體驗(yàn)截交線(xiàn)的形成過(guò)程。在曲面立體部分著重講解“旋轉(zhuǎn)”、 “掃描”和“放樣”的相關(guān)操作。本部分三維設(shè)計(jì)軟件的單獨(dú)講授課時(shí)為3學(xué)時(shí)，融合展示合計(jì)課時(shí)為1.5學(xué)時(shí)，課下練習(xí)學(xué)時(shí)為4學(xué)時(shí)。在組合體部分主要通過(guò)課內(nèi)展示，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)圖學(xué)基本知識(shí)的同時(shí)加深對(duì)三維造型軟件的理解與練習(xí)，學(xué)會(huì)復(fù)雜立體的建模思路，課后作業(yè)中要求對(duì)典型的作業(yè)立體完成三維建模，課內(nèi)合計(jì)講授學(xué)時(shí)2學(xué)時(shí)，練習(xí)學(xué)時(shí)4學(xué)時(shí)。在后續(xù)的章節(jié)中為了不影響制圖課程的雪休效果，課內(nèi)軟件講授學(xué)時(shí)控制在2學(xué)時(shí)以?xún)?nèi)，練習(xí)學(xué)時(shí)一般為2-4學(xué)時(shí)。從上面的分析可以可出，本文所提出的融合式教學(xué)仍然以圖學(xué)課程的學(xué)習(xí)為主，而對(duì)于三維造新軟件的學(xué)習(xí)采取“少講多練”的模式，這樣就實(shí)現(xiàn)了將三維造型設(shè)計(jì)很好的融入到了工程圖教學(xué)課程中，同時(shí)也保持了整體教學(xué)課程的完整性。

二、融合式教學(xué)模式的效果

（一）提高了學(xué)生參與感，促進(jìn)了空間思維能力培養(yǎng)

三維造型設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)與基本體的投影學(xué)習(xí)以及形體分析法的學(xué)習(xí)同步進(jìn)行，這彌補(bǔ)了學(xué)生在本階段的學(xué)習(xí)過(guò)程中空間思維能力不足的缺陷。因此這一階段的軟件學(xué)習(xí)，學(xué)生會(huì)有比較強(qiáng)烈的興趣，同時(shí)這種興趣會(huì)反哺學(xué)生對(duì)同學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)與理解。進(jìn)一步通過(guò)組合體的三維造型建模，這對(duì)讀畫(huà)圖以及三維軟件的深入學(xué)習(xí)都有較大的幫助。在掌握了三維造型設(shè)計(jì)軟件基本功能的基礎(chǔ)上，學(xué)生可以在圖學(xué)作業(yè)練習(xí)過(guò)程中將一些感興趣的實(shí)體模型進(jìn)行三維建模，這有效降低了作業(yè)的錯(cuò)誤率，與此同時(shí)也起到了二維圖樣與三維造型設(shè)計(jì)相聯(lián)系的作用，這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力大有裨益。不僅如此，學(xué)生在建模過(guò)程中遇到困難會(huì)及時(shí)與同學(xué)討論或與老師交流，大大增加了學(xué)生在本課程中的參與感，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動(dòng)性，這對(duì)圖學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量的提高起到了關(guān)鍵作用。

（二）強(qiáng)化了特征視圖的理解，夯實(shí)了圖學(xué)基礎(chǔ)

三維造型設(shè)計(jì)軟件的基本功能主要包括拉伸、旋轉(zhuǎn)掃描、放樣，這在本質(zhì)上是與工程制圖中的特征視圖概念相類(lèi)似的[2]。而三維造型設(shè)計(jì)的第一步就是建立起二維的草圖，這個(gè)過(guò)程中的二維草圖的建立過(guò)程就是特征視圖的辨別與繪制過(guò)程。在工程圖樣的繪制和讀圖過(guò)程中抓住特征視圖是關(guān)鍵，再結(jié)合實(shí)際三維實(shí)體的投影關(guān)系，綜合想象出三維立體的造型。而三維造型設(shè)計(jì)的主要思路就是針對(duì)建立的平面二維草圖和特征視圖進(jìn)行繪制，然后將已經(jīng)分解為幾個(gè)部分的立體圖形通過(guò)不同的組合方式進(jìn)行造型。由此可見(jiàn)，三維造型設(shè)計(jì)的過(guò)程就是人們?cè)谶M(jìn)行畫(huà)圖和讀圖時(shí)的思維方式的具體表現(xiàn)，通過(guò)三維造型設(shè)計(jì)軟件的學(xué)習(xí)使得學(xué)生對(duì)特征視圖有了更深刻的認(rèn)識(shí)和更準(zhǔn)確的判斷，這對(duì)畫(huà)圖和讀圖能力的培養(yǎng)至關(guān)重要。

（三）以約束概念為指導(dǎo)，增強(qiáng)了對(duì)尺寸標(biāo)注理解

尺寸標(biāo)注是圖樣中的重要內(nèi)容，而且該部分內(nèi)容與工程實(shí)際密切相關(guān)，由于學(xué)生缺乏工程經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)尺寸標(biāo)注內(nèi)容的掌握是本門(mén)課程中的重要難題。雖然在教學(xué)的過(guò)程中教師反復(fù)強(qiáng)調(diào)尺寸標(biāo)注的注意事項(xiàng)，比如尺寸標(biāo)注不能重復(fù)、間接尺寸不需要標(biāo)注等等，但是學(xué)生對(duì)于這些注意事項(xiàng)的原因并沒(méi)有太深刻的認(rèn)識(shí)，造成這部分內(nèi)容屢教屢錯(cuò)的現(xiàn)象頻繁發(fā)生。學(xué)生只有通過(guò)死記硬背才能記住尺寸標(biāo)注的細(xì)節(jié)，學(xué)生考試時(shí)尺寸標(biāo)注的成績(jī)明顯不高，在后續(xù)課程設(shè)計(jì)甚至走向工作崗位后在尺寸標(biāo)注方面也是錯(cuò)誤頻出。對(duì)于工程圖樣中尺寸標(biāo)注其實(shí)是一個(gè)不斷積累從而形成良好習(xí)慣，由于學(xué)生對(duì)實(shí)際工藝加工知識(shí)的缺乏使得在尺寸標(biāo)注的環(huán)節(jié)不能形成很好的習(xí)慣。而在進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)工程圖形進(jìn)行位置以及尺寸的約束，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)草圖的精確繪制，如果出現(xiàn)了類(lèi)似“尺寸重復(fù)標(biāo)注”等問(wèn)題草圖就會(huì)出現(xiàn) “過(guò)約束”而導(dǎo)致建模失敗。這種針對(duì)圖形的約束概念的引入使得學(xué)生對(duì)工程圖尺寸標(biāo)注的規(guī)定有了更加深刻和直觀的認(rèn)知和理解。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，引入三維造型環(huán)節(jié)后，學(xué)生在作業(yè)和考試中尺寸標(biāo)注的錯(cuò)誤明顯下降，這有利于良好尺寸標(biāo)注習(xí)慣的養(yǎng)成。

（四）促進(jìn)了學(xué)生工程意識(shí)的培養(yǎng)

在工程制圖課程不斷的深入過(guò)程中，學(xué)生會(huì)逐漸的接觸到螺紋緊固件、零件圖、裝配圖等更加復(fù)雜的圖樣畫(huà)法，在這些圖形的測(cè)繪以及三維造型過(guò)程中，通過(guò)對(duì)復(fù)雜圖形的三維造型、渲染、裝配過(guò)程中的技巧使用以及工程圖的生成等課程的教學(xué)，并通過(guò)后期自學(xué)，利用三維造型設(shè)計(jì)軟件來(lái)進(jìn)行裝配圖形的檢測(cè)以及實(shí)現(xiàn)裝配圖的動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)等過(guò)程，可以讓學(xué)生對(duì)工程裝配實(shí)體的工作原理以及操作過(guò)程有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，這在一定程度上也實(shí)現(xiàn)了三維造型設(shè)計(jì)、工程圖學(xué)課程、工程測(cè)繪以及工程實(shí)際的有機(jī)融合，將三維造型設(shè)計(jì)軟件使用與圖學(xué)理論知識(shí)以及實(shí)踐相結(jié)合，這對(duì)學(xué)生建立起初步的工程意識(shí)大有益處[3]。

三、結(jié)束語(yǔ)

上述可知，在工程制圖的教學(xué)過(guò)程中有機(jī)的融合計(jì)算機(jī)三維造型環(huán)節(jié)，能夠使得工程制圖課程與計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)實(shí)現(xiàn)相互促進(jìn)，這種融合式的教學(xué)模式在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中體現(xiàn)出良好的教學(xué)效果，主要表現(xiàn)在學(xué)生圖學(xué)基本讀圖繪圖能力、空間思維能力、工程意識(shí)及實(shí)踐能力的培養(yǎng)方面。特別是對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力和工程意識(shí)的培養(yǎng)發(fā)揮著顯著的積極作用，在注重學(xué)生工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)的今天，此類(lèi)教學(xué)改革具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。而然，在進(jìn)行新教學(xué)模式的改革過(guò)程中授課教師需要走出教學(xué)的舒適區(qū)，嘗試將知識(shí)進(jìn)行融合與重構(gòu)這對(duì)教師的專(zhuān)業(yè)水平、教學(xué)組織能力都提出了新的挑戰(zhàn)。

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