三维造型设计与工程图学的有效融合

张京英， 罗会甫， 张 彤， 焦永和

（北京理工大学，北京 100081）

三维造型设计与工程图学的有效融合

张京英， 罗会甫， 张 彤， 焦永和

（北京理工大学，北京 100081）

随着计算机软硬件技术的普及和飞速发展以及制造业对二维计算机绘图以及三维设计造型技术日益增长的需求，在工程图学教学中有效地融入二维计算机绘图以及三维设计造型技术已显得尤为重要。论文介绍了北京理工大学在工程图学和三维造型创新设计方面“外挂式、分段式和融合式”三种模式的教学改革实践，并着重对如何将三维造型设计与工程图学有效地融合进行了论述。

工程图学；三维；教学改革；Inventor软件

随着计算机软硬件技术的普及和飞速发展以及制造业对二维计算机绘图以及三维设计造型技术日益增长的需求，在工程图学教学中有效地融入二维计算机绘图以及三维设计造型技术已显得尤为重要。工程图学课程指导委员会在修订的教学基本要求报批稿中已将“应用绘图软件绘制工程图样及进行三维造型设计的能力”并列地列入工程图学课程任务中；此外还将计算机造型技术的基本原理和计算机造型操作技术列为工程图学的基础。

经过多年的教学改革实践，在工程图学教学中有效地融入二维计算机绘图已经取得了很多经验和成果，而如何有效地融入三维造型技术是值得我们认真研究和探讨的问题[1]。经过近几年我校在教学实践中的尝试和摸索，总结出一些认识和体会。以下将结合本校多学时机械制图教学中所采用的不同教学模式进行对比和论述，并重点论述融合式教学模式。

1 三种教学模式

我校在引入三维造型设计时采用过三种不同的教学模式，我们称之为“外挂式、分段式[2]和融合式”。不同的教学模式都取得了很好的成果，但也各有利弊。以下分别进行论述和对比：

1.1 外挂式——以开设三维创新设计实验选修课的形式

在引入三维造型设计的初期，我们以开设三维创新设计实验选修课（32学时）的形式进行。在对课程的定位上，我们没有简单地把这门课定位为一门工具课，而是期望通过这门课的学习，在学生掌握三维造型设计技术的同时，还能培养学生的自学能力、观察能力，鼓励学生承担更多更复杂的任务，培养学生的相互协作精神。引导学生对自己的客观评价，培养学生学习的主动性，锻炼自己分析问题和解决问题的能力。

在授课形式的安排上，采用集中讲授和分组练习穿插进行的方式。在练习时，两位老师现场答疑，在答疑过程中，杜绝“手把手”辅导的现象，而是提醒学生该问题是哪一种类型的问题，引导学生向特定的方向寻找解决的办法。学生虽然一开始不太适应老师杜绝“手把手”的辅导方式，但是对其多次耐心引导后，开始体会老师的良苦用心，逐渐培养了自己解决问题的能力。事实证明，这种答疑方式比“手把手”需要更多的耐心和知识，对学生的帮助也更大。当遇到共性问题时再集中讲授。通过分组分工的部件设计和装配，锻炼学生在设计过程中的配合协调能力和在分工协作过程中的组织能力。

我校三维创新设计实验选修课得到了学生的好评。由于选课有人数限制，因此能够很好地贯彻素质教育的理念，收到很好的效果。但也正是由于受选课人数的限制，只有少数学生能够成功选上该课，还有相当多的学生不能如愿。因此，我们考虑在第二阶段逐渐扩了大三维造型设计技术在制图课中的应用，在多学时机械制图教学中全面引入三维造型设计技术。

1.2 分段式——在多学时机械制图教学之后加入一周的三维造型设计技术

在引入三维造型设计技术的前期，我们先将二维计算机绘图（使用AutoCAD软件）在机械制图的教学中完成，这样便可以在设置在小学期实践周中的“机械 CAD(1)”的课程中介绍Autodesk公司的Inventor软件，进行三维创新设计训练（一周时间）。

考虑到机械类学生的二维草图绘制能力较强，在教学中把重点放在掌握三维造型设计的基本思路和造型设计方面，锻炼学生使用参数化三维造型软件进行零件设计、部件装配、产品渲染、产品展示等的能力。

这种教学模式使三维造型设计技术在机械类多学时课的学生中得到了全面的推广和普及，为其在后续课程乃至今后的社会实践中奠定了三维设计的基础。

1.3 融合式——在机械制图课教学过程中有效地融入三维造型设计技术

随着三维教学实践的不断展开和深入，我们也在思考：能否将三维造型设计更有效地与工程图学紧密地结合起来，使得先进的计算机三维造型技术与传统的二维工程制图相辅相成，相互促进，相得益彰呢？于是，我们进入了三维造型设计教学改革的第三个阶段，也是第三种模式：在机械制图课中有效地融入三维造型设计技术。下面重点论述融合式教学实践和体会。

2 融合式教学模式

在教学改革的实践中我们逐步体会到：二维工程制图和三维造型设计在内容和方法体系上有很大的一致性、相融性。三维造型设计在高速发展的计算机软硬件的支持下，为我们提供了更强有力的手段。但是在现阶段，三维造型的教学不会也不应该取代二维，而是应该和二维更有效地相融合。因此，我们试图探索一种能将二者更有效地融合起来的教学方法和途径。仍以多学时机械制图教学为例进行实践，将三维造型设计直接引入制图课的教学过程中。

2.1 基本思路

无论是工程制图还是三维创新设计，我们的定位都是对学生的素质培养，而不是把它们当成工具[3]。从二者的内容体系和方法论结构上，有着很大的一致性。工程制图要使用平面图形表达三维立体，对三维立体采用了分解与综合（形体分析）、分类（平面及曲面立体）、从特殊到一般（特殊位置的点、线、面到一般位置的点、线、面，基本体到组合体）等常用的分析问题和解决问题的方法。在表示法这部分内容中，根据要表达机件的内外形结构特征采用了具体问题具体分析、灵活机动的处理方法。在视图的读画过程中贯彻抓主要矛盾（抓特征视图、抓主要结构）的方法。将这些方法贯彻到教学中，培养学生的分析问题和解决问题的能力。

在三维创新设计中，三维造型软件的设计本身和工程制图一样，对组合体采用了分解、分类和归纳的方法，然后设计相应的功能。在使用三维造型软件构思立体模型的时候，同样要遵循相应的方法。

2.2 软件的选用

目前，参数化三维造型设计软件种类很多，各类三维造型软件功能也有强有弱，但在三维实体建模、虚拟装配、生成工程图方面对工程图学教学都有很大帮助[4]。从功能上讲，Inventor有不足之处，但是它界面友好，上手快，便于把有限的学时用在培养学生分析问题、解决问题的能力和表达三维形体的思路上。因此，我们选用Inventor三维造型设计软件。

2.3 软件的引入时机

在教学过程中，三维造型软件的引入时机很重要，既要使学生理解三维造型设计软件的设计思路和基本方法，又要与制图课程紧密地结合。

复杂立体的三维造型实质上是采用工程制图中组合体读图和画图中所采用的形体分析（分解）的方法，先把复杂立体分解为简单的部分，逐步完成。有了形体分析的基础并具备了基本的读图能力，再掌握了Inventor的基本特征工具（拉伸、旋转、扫掠、放样）和工作平面、工作轴、工作点的概念，学生便能非常容易地掌握三维造型的思路。因此，我们选择了在学习组合体一章后引入三维造型软件，收到了非常好的效果。

2.4 教学安排

以目前计算机的普及情况和多数学生对计算机操作的熟练情况以及学生对计算机软件的学习能力而言，学生在掌握了三维造型设计的基本思路并熟悉了软件界面后，只要采用基于实例的操作练习，就能很快地掌握三维造型软件的基本功能进行简单的三维造型设计。

我校机械制图教学共104学时，分两学期完成。第一学期 56学时。其中：制图的基础知识及正投影图基础22学时（含一次大作业），立体的投影8学时，轴测图2学时，组合体8学时（含一次大作业），三维CAD 6学时（结合习题课），图样画法6学时（含一次大作业），复习2学时，机动2学时。第二学期48学时。其中：标准件及常用件8学时（含一次大作业），零件图10学时（含零件测绘草图一张），装配图20学时（含大作业装配图一张，拆画零件图2张），三维CAD 8学时，复习2学时。

在这种教学模式中，侧重的是三维造型软件的引入和应用，三维造型软件的讲授是穿插在制图课的教学过程中进行的，以有利于制图课的教学为依据，将工程制图中“由二维‘想’三维”的“想”通过计算机的三维造型软件进行真实的再现，有效地帮助了学生读图能力的提高。而“由三维‘画’二维”则是通过手工绘图结合由三维造型生成二维工程图的两种方式进行。我们将用AutoCAD绘制二维工程图的内容仍然放在小学期实践周的“机械CAD(1)”课程中进行。这样，既保持了课程的完整性，又不降低对课程的要求，能比较好地做到计算机二维、三维软件与工程图学课程有机的结合。但这种方式需要校方在政策上的支持，要有比较充裕的学时和配套的硬件设施的支持。同时，授课教师要付出更多的课外时间辅导学生。

3 融合式教学模式的教学效果

3.1 三维造型与形体分析法的有机结合，有效地促进教学

由于是在学生学习了用形体分析法读画组合体视图之后引入三维造型设计技术，在这个阶段，学生正迫切地希望将制图作业中的组合体用三维造型软件实现立体建模，帮助组合体读图和画图的学习，因此，学习的积极性和主动性非常高。学习完三维造型设计软件之后，学生可以利用课外时间自己分工合作，将他们认为需要造型的题目进行三维造型设计，其间遇到的问题和教师交流探讨，这样，在实践过程中，即促进了三维造型软件的学习，又更真切地培养、锻炼、提高和检验了学生的读图能力和空间想象能力，更有效地促进了制图课本身的教学，可谓一举两得可事半功倍。

3.2 三维造型软件强化了特征视图的使用

在利用软件进行三维造型的拉伸、旋转、扫掠和放样四大基本特征时，实质上使用或近似地使用了工程制图中的特征视图的概念。在进行三维造型时，总是要先从二维草图的绘制开始的，而二维草图的绘制就是特征视图的绘制。在工程制图中读图的时候首先要抓特征视图，再结合“分线框、对投影，综合起来想形体”。而在三维造型中主要特征总是基于二维草图的绘制，三维造型的实质就是在特定的工作平面上一系列草图的绘制和特征的使用，将分解后的简单立体，按照其相对位置和组合方式（叠加、切割、相交）逐一完成造型。可以看出：三维造型软件的造型过程正是我们读图时思维过程的真实再现。三维造型软件的学习大大提高了学生的学习兴趣，真正将制图课学“活”了。

3.3 二维草图中的约束概念对工程制图的尺寸标注是一个补充

在工程制图的教学中我们发现，学生对尺寸标注这部分内容的掌握总是不太理想。无论是平面图形的尺寸标注还是组合体的尺寸标注，虽然反复强调不标注间接尺寸、对称尺寸标全部尺寸等要求，但是从作业中反映的情况看，效果不是很理想。这一方面是学生的空间想象能力是在课程的学习中逐步形成的，另一方面是他们缺乏相应的工艺知识。而在三维造型设计中，引入约束的概念，使用位置约束和尺寸约束对草图进行精确的绘制。再加上相应的位置约束和标注直接尺寸后，如果再标注间接尺寸就会出现过约束的提示。而且把尺寸和位置约束一样作为一种约束的概念，很容易让学生理解在工程制图中的关于尺寸标注的很多规定。

3.4 三维造型软件在测绘和装配图中的应用

随着制图课程学习的展开和深入，在图样画法、螺纹紧固件、零件图、装配图的学习阶段逐渐进行复杂零件的测绘和三维造型练习，穿插讲授复杂零件的三维造型、渲染和部件的装配技巧以及表达视图的生成和工程图的生成等，利用三维造型软件的装配功能检验测绘的结果并可以利用动画功能看到装配体的工作原理和工作状态。这样便可将三维造型设计软件更紧密、更有效地与工程图学相结合，达到更加理想的教学效果。

4 总结与思考

通过上述三种教学模式的比较可以看出，这三种模式各有千秋，可以根据具体的条件实施和选用。而融合式教学模式将计算机绘图与工程图学结合得更加紧密，使二者能更有效地互相促进，是一种更值得尝试和推荐的教学模式。

无论哪种教学模式，授课教师都要付出更多的心血，因此，都要富有很强的责任感和献身精神，也希望能得到校方在政策上的支持。

教学方法的改革和探索是无止境的，我们将在以往教学改革实践的基础上，总结经验，不断探索，同步于当代科技发展，定位于学生的素质教育和基本功培养的教学方法改革上。

[1]王宗彦, 冯敬华, 暴建岗. 从三维设计出发改革传统机械制图教学[J]. 华北工学院学报(社科版), 2004,20(2)：70-72.

[2]童秉枢, 易素君, 徐晓慧. 工程图学中引入三维几何建模的情况综述与思考[J]. 工程图学学报, 2005,26(4)：130-135.

[3]林清夫. 引入三维几何建模的工程图学教学模式分析与比较[J]. 工程图学学报, 2006, 27(4)：148-152.

[4]叶 军, 孙根正. 三维建模引入制图课程的改革研究[J]. 工程图学学报, 2008, 29(2)：168-172.

The Effective Integration of 3D Design and Engineering Graphics

ZHANG Jing-ying, LUO Hui-fu ZHANG Tong JIAO Yong-he
( Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China )

Along with the popularization and rapid development of computer software and hardware technology and the growing demand of manufacturing for 2D and 3D design techniques of computer graphics, it is particularly important to blend 2D and 3D design techniques of computer graphics in the teaching of the engineering graphics. The paper introduces the teaching reform and practice of the three-dimensional CAD in Beijing Institute of Technology. Three modes are introduced as the outside hanging mode, the segmentation mode and the fusion mode. The focus is on how to syncretize the three dimensional CAD and engineering graphics effectively.

engineering graphics; 3D; teaching reform; Inventor

TB 23

A

1003-0158(2010)06-0151-04

2009-02-19

张京英（1963-），女，北京人，副教授，博士，主要研究方向为工程图学，计算机图学，机械制造及其自动化。