唐茂華，譚 慶，楚哲宇，伍 洋

(湖南國防工業(yè)職業(yè)技術學院 武器裝備技術學院，湖南 湘潭 411207)

0 引言

國內(nèi)外對二維工程圖向三維實體重構的研究主要面向單個零件展開。劉念[1]提出了一種通過二值化、綜合形態(tài)學去躁、中值濾波、細化等方法提取輪廓曲線，基于Pro、ToolKit應用程序的軸類零件工程圖紙到零件三維模型成型的方法。劉國華[2]提出了基于工程語義的特征識別和三維重構的方法。李燕[3]對二維-三維重構技術的原理和發(fā)展進行了分析。楊燕燕[4]提出了一種從工業(yè)化設計草圖、效果圖或者有關工業(yè)產(chǎn)品的外型圖片出發(fā)，進行三維重構的方法，還提出了面向工業(yè)設計的基于幾何和圖像的混合建模方法。黃艷華[5]提出了一種用ObjectARX2002對AutoCAD進行開發(fā)的方法來實現(xiàn)三維重建。呂興壽[6]對矢量化方法的工程圖紙計算機處理技術進展與存在的問題進行了梳理。2013年清華大學和以色列Tel Aviv大學聯(lián)合研發(fā)了一款名為3-Sweep的軟件，該軟件可以從2D圖片中提取物體的3D信息，無需拍攝多張照片就可以建立物體的3D模型。該方法的關鍵之處在于將人類的認知能力和計算機的精確性結(jié)合到一起，使用者只需用鼠標描出物體輪廓，告訴軟件物體的軸線在哪里，然后軟件就可以自動提取物體信息，建立3D模型。目前，該軟件在對煙斗、水杯、水龍頭等單一零件建模上展現(xiàn)出了強大的外輪廓三維重構能力，但對內(nèi)部裝配關系的表達還無相應功能模塊[7-15]。

在面向高職學生進行《發(fā)射系統(tǒng)構造》課程講解時，通常采用的教學過程為：老師依托實物、三維模型、動畫和掛圖進行理論講解，講解過程中視情況對學生進行隨機提問。整個教學活動主要是以教師為主體的較為落后的教學方式，未充分調(diào)動學生積極性，不是以學生作為教學主體。為提高教學質(zhì)量，使學生愿學、易學、樂學，本課題提出了一種讓學生依托二維原理圖進行三維建模，然后教師再進行輔助講解的授課模式。

1 傳統(tǒng)教學流程

本文以壓縮空氣彈射發(fā)射閥為例，介紹傳統(tǒng)的教學流程。傳統(tǒng)教學流程分為以下兩步：①介紹發(fā)射閥結(jié)構組成；②利用二維流程演示圖對工作原理進行講解說明。

第一步：介紹發(fā)射閥結(jié)構組成。利用如圖1所示的掛圖向?qū)W生介紹該裝置的主要組成。發(fā)射閥是壓縮空氣彈射裝置用于開啟和密閉壓縮空氣的關鍵部件，其由壓力罐、上隔板、管道Ⅰ、導氣管、活塞、管道Ⅱ和往復件等組成。

1-壓力罐；2-上隔板；3-管道Ⅰ；4-導氣管；5-活塞；6-管道Ⅱ；7-往復件

第二步：利用二維流程演示圖(如圖2所示)對工作原理進行講解說明。氣體未進入管道Ⅰ之前，氣體由管道Ⅱ和空腔Ⅱ到導氣管的通路被活塞阻隔，氣體不能由空腔Ⅱ進入導氣管。

圖2 發(fā)射閥發(fā)射過程

氣體進入管道Ⅰ后進入空腔Ⅰ，氣體將上隔板、往復件和活塞往上推，使得貯氣罐內(nèi)部氣體壓力升高，與此同時氣體由空腔Ⅱ進入導氣管，導氣管內(nèi)的氣體被導入至導彈下方，完成對導彈的彈射。

導彈發(fā)射完成后，導氣管內(nèi)的壓力迅速下降，上隔板、往復件和活塞在貯氣罐內(nèi)的氣體壓力作用下下降，活塞貼緊導氣管斜面，關閉空腔Ⅱ到導氣管的氣體通路，完成一次發(fā)射任務。

2 結(jié)合三維快速建模的教學流程

由于《發(fā)射系統(tǒng)構造》課程在大二第二個學期授課。在人才培養(yǎng)方案中，本?！皺C械設計基礎專業(yè)”的學生大二第一學期開設有《SolidWorks應用》課程，學生具備簡單三維制圖的功底。因此可以考慮在授課過程中加入短時間的三維快速建模環(huán)節(jié)，增強學生對知識的吸收效果。

結(jié)合三維快速建模的教學分為以下4步：①向?qū)W生介紹發(fā)射閥結(jié)構組成，用時10 min；②學生使用教師提供的CAD簡圖，依托SolidWorks三維建模軟件進行快速建模，用時10 min；③教師使用學生繪制的三維模型對結(jié)構進行動作原理講解，用時20 min；④提問和答疑，用時5 min。

第一步：向?qū)W生介紹發(fā)射閥結(jié)構組成。

第二步：學生使用教師提供的CAD簡圖，依托UG三維建模軟件進行快速建模。建模流程如下：將掛圖照片復制粘貼到二維制圖軟件中→教師課前對照片中的主要輪廓線描圖已繪制工程圖并下發(fā)給學生→學生將繪制的工程圖導入UG三維建模軟件，使用拉伸和旋轉(zhuǎn)兩個命令快速建模。建模耗時8 min左右。圖3為依據(jù)發(fā)射閥二維圖進行三維快速建模。

圖3 依據(jù)發(fā)射閥二維圖進行三維快速建模

第三步：教師使用學生繪制的三維模型對結(jié)構進行動作原理講解。挑選一個建模比較快速細致的學生，借助其構建的三維模型，使用3/4剖視圖和軟件中的移動命令，對發(fā)射閥工作過程中各機構的作用和動作進行演示。

第四步：答疑。隨機選擇同學對發(fā)射流程進行復述，針對學生錯誤率較高的節(jié)點，有針對性地對相關結(jié)構動作原理進行點撥，及時解決學生的疑惑。

3 教學對比實驗

為了探究新設計的教學流程能否可以大幅度提高學生學習效果，選擇A、B、C、D四個前三個學期成績相近的平行班中開展了對比實驗。A、B兩班共100人采用傳統(tǒng)教學方式，C、D兩班共106人采用新的教學流程。A、B、C、D四個班，隨堂小測驗正確率分別為76.8%、77%、80.8%和81.5%。

4 結(jié)束語

本文對比了傳統(tǒng)導彈教學設計和結(jié)合三維快速建模的教學設計兩種授課模式下的教學效果，結(jié)果表明后者的教學效果更佳，學生通過親身實踐既了解了零件的結(jié)構特點，熟悉了零件的名稱，又進一步強化了其三維建模能力，且有助于提高學生的成就感和學習興趣。