利用Inventor软件改进中职《工程制图与CAD》教学

2013-08-16陈欣敏

职业教育研究 2013年4期

陈欣敏

（福建省厦门电子职业中专学校福建厦门 361009）

《工程制图与CAD》是中职工程类学生必须掌握的一门专业基础课程，要求学生能掌握工程界的“设计语言”，能识读和绘制二维工程图样，正确地表达机件的形体结构特征及相关的技术要求。二维工程图是采用正投影的方式，将三维形体表达在二维平面图纸上。看图者要面对抽象、不直观的二维图样，根据制图的原理和规范，理解它们的含义，在头脑中想象出物体的三维造型。这种“从二维到三维”的看图过程要求学生具有一定的空间想象能力和形体分析能力，具有一定难度，要经过较长时间的培养和训练。随着计算机技术的发展，各种三维CAD建模软件功能越来越强，造型越来越真实生动，软件建模比实物教模更方便灵活，也更易于引发学生的学习兴趣。而且现在的学生普遍具有较高的计算机操作水平，他们完全能够学会使用三维建模软件。若将三维模型转化为二维图形，只要严格要求，学生同样可以掌握制图的基本理论和作图规范。基于以上考虑，我们认为，如果将三维软件运用于制图教学中，在学生学习视图投影的基本规律后，学习三维建模以培养立体思维和看图能力，再将三维模型转化为二维工程图以培养二维绘图技能，是切实可行的，并且可以激发学生的学习兴趣，降低教学难度，较快地培养学生的空间想象能力和看图绘图基本技能。

Inventor三维设计软件是Autodesk公司开发的三维参数化实体建模软件，可以经济高效地创建数字化样机，是实现产品设计数字仿真的有力工具，已成为概念设计、工程设计和加工制造等领域中最重要的软件之一，更是全国职业院校技能大赛中职组计算机技能比赛工业产品设计（CAD）技术项目的指定软件。它具有优秀的实体造型功能和部件约束装配功能，能生成简明易懂的装配表达视图和严谨科学的二维工程图，功能全面，操作方便，简单易学。笔者在深入学习Inventor，指导学生参加全国、省市技能大赛的过程中，深刻地认识到了它的功效，并将其运用于改进《工程制图与CAD》教学的实践中。

改进教学思路：采用“二维——三维——二维”的教学过程我们在分析制图教学的要求和学生的认知基础及计算机操作能力后，在“组合体的投影”、“零件图和装配图”等部分章节尝试采用“二维——三维——二维”的教学过程，即学生学会视图投影的基本规律，能看懂简单的三视图后，就学习用Inventor软件建立三维实体模型，在建模的过程中其看图能力不断得到提高，再将三维模型生成二维工程图以提高学生绘图能力并养成符合国标规定的作图规范。在教学实践中，我们发现，在这种从平面到立体、从立体到平面的双向转化训练过程中，学生能一直保持浓厚的学习兴趣，看图绘图能力螺旋式上升，对复杂形体、零件图装配图的识读和绘制也不感到困难。这种教学过程能明显改进传统的《工程制图与CAD》教学，促进学生空间思维能力和看图绘图能力的提高，并提高学生的计算机建模能力。

显示直观技术简单，引发学习兴趣 Inventor的实体模型显示直观生动、形象逼真，易于激发学生的学习兴趣，而且Inventor建模技术简单易学，对常见的机械产品采用拉伸、旋转、圆角等造型特征就能完成。学生只要学会设定工作平面、会进行草图绘制和约束等基本操作后，很快就能上手创建模型。一般经过二周的学习讲解和上机操作后，学生就具备了一定的实体建模能力。在建模过程中，由于学生要不断分析二维图纸上的形体特征，想象形体，不断寻找并尝试多种建模方法，就直接提高了学生的看图能力和空间思维能力。而后，当学生遇到不易看懂的二维图样时，也会主动用软件辅助造型来验证线条或形状的特征，这就将学生的学习状态从“要我学”转化为“我要学”，提高了学生的学习主动性。

运用多种观察功能，提高对复杂形体的看图能力在制图教学过程中，相贯线和截交线的投影是教学的难点，尤其是形体内部的结构线和相贯线，学生较难理解。我们可以利用Inventor的1/4剖视图（留下1/4）、半剖视图和3/4剖视图功能，或采用绘制草图时的剖切观察和投影几何图元功能，将看不到的内部结构直接呈现在学生面前，这时，再配合讲解相贯线的形成和曲线特征，学生很快就能理解并掌握。见下页图1，在机用平口虎钳的固定钳身XZ平面的半剖投影视图中，可以清楚地看到形体的内部结构和线条，这样，学生绘制剖视图就不会出错。对于截交线，只要用分割功能修剪或去除实体的某个部分，就可以看到截切形体的截交线的形状。Inventor的视角观察器ViewCube和自由动态观察功能可以将实体随意旋转，从不同角度显示观察形体，看清形体在各个视图方向的形状特征，从而增强学生的感性认识。灵活运用Inventor提供的多种造型方法和观察功能，有助于教师讲解制图理论知识，降低教学难度；有助于提高学生的空间想象能力和形体分析能力，快速提高学生的看图能力。在教学中，学生普遍觉得制图课比以前有趣、易学。

图1 固定钳身半剖投影图

生成二维工程图，提高绘图能力 Inventor软件中二维工程图是由三维实体模型直接生成的，可形成基础视图、投影视图、剖视图、局部放大图和轴测图等多种视图。将三维模型生成符合工程需要的二维工程图，要符合国标的有关规定，合理采用多种表达方法，还要对工程图进行尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等加工技术要求标注。因此，我们首先要在Inventor的样式编辑器中进行样式和标准的设置，使之符合我国的国标规定，再要求学生抄绘图形标注尺寸，严格做到与原图纸一模一样。在标注尺寸公差和技术要求时，教师应进行相关的理论知识讲解，这样在“做中学”，在“讲中做”，使学生既提高读图能力、绘图能力，也理解相关的制造工艺知识，更学会计算机建模和二维图样绘制的基本操作。图2所示，为固定钳身三维建模后转化成的二维零件图。由于Inventor采用参数化建模和尺寸驱动技术，做工程图时如果发现尺寸有误或建模出错，可以马上返回零件建模过程进行修改，非常方便。这种以三维建模和二维表达来检验学生读图能力的做法，化看图考核于无形，学生主动纠错，快乐学习，切实提高了绘图和读图能力。

图2 固定钳身零件图

图3 虎钳装配表达视图

表达视图和驱动约束有助于读懂装配图装配图的识读是制图教学的又一个难点。要读懂装配图首先要对装配体的结构和功能较为了解，同时，还必须了解零部件的拆卸装配顺序，这对于没有机械拆装基础的学生而言有一定的难度。在教学中，我们可以利用Inventor提供的表达视图来解决这一难题。Inventor可以制作部件的爆炸分解图，能精确地调整各零部件位置，清楚地将各零件间的连接关系、位置关系和装配关系表达出来，帮助学生较好地理解装配体的安装及拆卸过程，使学生更好地读懂装配图。图3所示，为机用平口虎钳的装配表达视图，与我们常见的二维装配图相比，其装配关系表达得更清晰，更形象易懂。Inventor还提供了创建动画功能，能将拆分和装配过程录制动画并保存成脱离自身软件的视频，动态地模拟装配体的具体组成和部件拆装的全过程，使拆装过程更形象直观。Inventor的部件装配是通过对零件放置约束条件而进行的，我们还可以驱动约束进行运动仿真，动感地展示装配体中各零部件间的运动关系，帮助学生进一步了解装配体的运动工作原理，加快学生认知的进程。图4所示，为螺杆的驱动约束设置图，驱动螺杆转动后带动活动钳身前后移动，逼真地显示了虎钳的运动关系。约束驱动也能录制动画并保存成视频文件。

教学实践证明，利用Inventor软件提供的建模、工程图、装配、表达视图等技术可以有效改进《工程制图与CAD》的教学。借助Inventor的三维造型、二维工程图等技术，可以采用“二维——三维——二维”的制图教学过程，增强学生的形体分析能力，切实提高学生的看图、画图技能。借助Inventor的装配约束、表达视图等功能模块可以直观生动地表达装配原理和装配关系等制图教学的重点、难点内容，降低制图教学的难度，培养学生的空间思维能力，显著提升制图教学质量。当然，Inventor还有很多其他功能，对机械设计和机械课程教学有很大帮助，有待我们继续开发和应用。