Pro／Engineering软件在“工程制图”课程教学中的应用

王 峥

（西北农林科技大学机械与电子工业学院，陕西杨凌 712100）

“工程制图”课程是高等院校所有工科专业大学生必修的一门专业基础课，它重点培养学生的绘图技能和读图能力。“工程制图”课程作为许多后续课程的先导课程，在整个学科体系中起着至关重要的作用。然而多年来“工程制图”课程一直被公认为是“教师难教，学生难学”的一门课程，其原因在于培养学生的空间想象能力和逻辑思维能力是学好本门课程的关键［1］。作为刚入学的大一新生，尤其是理工科学生，虽然逻辑思维能力较强，但空间思维能力却相对薄弱，因此能否采用恰当的教学方法使学生快速地建立空间思维能力是任课教师重点需要思考和探讨的问题。

传统的“工程制图”课程的教学是从空间几何元素的点、线、面入手，研究基本立体和组合体的投影问题。它要求学生通过从空间到平面、平面到空间的不断反复思维，逐步建立起一定的空间想象能力。笔者在“工程制图”课程的教学工作中，一直在努力尝试找到能够快速帮助学生建立空间思维能力的行之有效的方法。近年来，随着三维设计软件（如Pro／Engineering、SolidWorks、UG 等）的不断开发与应用，传统的工程设计正经历着由二维设计向三维设计的变革，因此在“工程制图”课程的教学过程中引入三维设计内容已是大势所趋。目前，机械设计过程可分为：三维设计构思→二维工程图表达→读图还原三维实体模型→三维加工与装配［2］。由此可见，三维设计构思是设计的第一步，而如果没有对学生进行过三维建模训练，就直接让学生进行三维设计构思，是有一定难度的。因此，在教学过程中，笔者将三维设计软件引入到课堂教学中，通过对学生进行三维实体建模的训练，一方面符合设计的规律和过程；另一方面还能培养学生的空间思维能力，进而提高学生正确绘制二维工程图的能力。鉴于Pro／Engineering（以下简称Pro／E）软件具有强大的实体三维设计功能，并且操作方便，笔者将其穿插于教学之中，取得了良好的教学效果。

一、利用Pro／E软件对“工程制图”课程教学中的简单立体进行三维建模

根据立体构型的特点，工程中常见的立体可分为简单立体和组合体。简单立体又可分为柱体、棱锥（台）体和回转体，如图1所示。根据形体分析法，组合体都可考虑成多个简单立体的叠加和挖切，如图2所示的组合体是由3个四棱柱体（底板、侧板、肋板）和2个圆柱筒的叠加及穿孔构成。简单立体是构成组合体的基本单元，因此能否抓住各类简单立体的构型特点，并快速地在脑海中建立起空间图形，对绘制组合体的二维工程图至关重要。

图1 简单立体

图2 组合体

以下是简单立体在Pro／E 软件中的建模构型过程，及其与二维工程图的关系。

（一）柱体类零件

对于柱体类零件，在Pro／E软件中，先草绘截面，即柱体底面的平面图形，如图3a所示，再利用拉伸命令输入拉伸距离，即柱体高度尺寸，即可完成柱体类零件的三维建模工作，见图3b所示。其构型特点为：底面为平面图形，侧面为矩形平面或与曲面的组合。

图3 用Pro／E软件构建柱体的三维模型

图4为该柱体的二维视图，其投影特点为：与底面平行的投影反映底面实形，即特征视图，另外两面投影均为矩形线框的组合。通过与图3对比可知，三维建模时草绘的截面（图3a）就是二维视图中的特征视图，即图4中的俯视图。

图4 柱体二维视图

（二）棱锥（台）类零件

以四棱台为例，在Pro／E 软件中，可以通过插入／混合／伸出项命令，绘制出棱台底面的形状，再切换剖面绘制棱台顶面的形状，如图5a所示，最后输入2个剖面之间的距离，即可完成三维建模，见图5b。棱锥（台）类零件的构型特点为：底面为平面图形，侧棱面为三角形或梯形。

图5 用Pro／E软件构建棱台的三维模型

棱锥（台）类零件的投影特点为：与底面平行的投影反映底面实形，与底面垂直的投影反应三角形或梯形。图6所示为四棱台的二维视图。通过对比图5a和图6可知，棱台俯视图与在Pro／E软件三维建模过程中绘制的底面和顶面的图形非常相近，仅需添画相应的棱边即可。由此可见，棱锥（台）类零件建模过程中剖面的绘制与二维视图（俯视图）具有类似性。

图6 棱台二维视图

（三）回转体类零件

对于圆弧回转体零件，在Pro／E 软件中，先草绘回转体对称截面的一半图形（封闭），再用“旋转”命令即可生成圆弧回转体实体，见图7所示。其构型特点为：底面为圆，侧面为回转面。

圆弧回转体的投影特点为：与轴线垂直的投影为一系列同心圆，与轴线平行的投影反映母线的实形。图8为该回转体的二维视图，可以看出，该回转体在Pro／E软件三维建模时草绘的平面图形（见图7a）就是回转体二维视图的特征视图（见图8中的主视图）的一半图形（沿轴线对称）。学生了解了回转体三维建模与二维视图的关系后，二维视图的绘制就容易多了。

图7 用Pro／E软件构建圆弧回转体的三维模型

图8 回转体二维视图

通过上述分析可见，在Pro／E 软件中利用“拉伸”、“旋转”和“混合”等命令可以快速方便地对柱体、回转体、棱锥体等简单立体进行三维建模［3］。

学生在学习绘制立体的二维视图之前，秉承认识的规律，先从Pro／E 软件的三维建模入手学习，有助于建立起空间概念、认识视图与立体的关系，提高学生空间思维能力。并且，由于建模过程中草绘图形与二维视图中的特征视图相同或相近，也有助于学生正确绘制出二维工程图。

二、Pro／E软件应用于“工程制图”课程教学的成效

在“工程制图”课程的传统教学中，截交线、相贯线、剖视图等都是教学中的重点和难点，传统的学习方法主要靠学生凭空想象。但现在当学生掌握了Pro／E软件的三维实体建模方法后，对学习过程中难以理解的问题则可以通过构建三维模型使其变得直观易懂，见图9。

图9 圆台与被截切球体相贯的三维模型

如图9所示，利用Pro／E 软件创建的三维实体模型被截切的部分球体与圆台相贯，其相贯线的形状非常清楚地呈现出来，然后再利用“三面共点法”［4］，即添加一个辅助平面P（与圆台轴线垂直）的方法求得该平面与圆台产生的交线为圆弧Ⅰ，与球体产生的交线为圆弧Ⅱ，而这2段圆弧的交点就是相贯线上的点a，见图10所示。按此方法可求出相贯线上一系列的点，然后连成光滑的曲线即可。由此可见，在三维的环境下，相贯线的求解变得非常直观易懂，尤其是当学生经过自己亲手生成三维实体模型，并添加辅助平面P、找到相贯线上的a点之后，对相贯线的求解过程会理解得更加深刻。学生反映，通过Pro／E 软件建模的反复训练，学生的空间思维能力得到锻炼和提升，使解题变得更为容易。

图10 圆台与被截切球体相贯的三视图

另外，剖视图历来都是“工程制图”课程教学中的难点和重点，那么到底“难”在哪里？不妨来分析一下：当学生面对一道已知视图，要求改画成剖视图的题目时，首先需要根据给出的二维视图想象出立体的三维空间结构，然后用假想的剖切平面剖切开机件，移走观察者和剖切面之间的部分，再想清楚剩余形体的立体结构，最后投影到相应投影面上画出剖视图，见图11。可以看出，在解题的整个过程中，学生脑海中要有一系列的凭空想象，其中一个环节出错就会影响到最终的结果，可见良好的空间思维能力是剖视图学习成败的关键。

图11 圆柱体的局部剖视图

例如，图11为局部剖视图的一个题目，以往学生解这道题时错误率很高，在学习了Pro／E 软件建模之后，学生们都能建立图11c的立体模型，并根据图11c轻而易举地画出图11b的局部剖视图。

因此，笔者认为利用Pro／E 软件进行三维建模，可以锻炼学生的空间思维能力，提高学生的空间想象力。另外，将三维设计软件Pro／E 引入到“工程制图”课程的教学中，有如下优点：①遵从设计的过程，让学生从三维建模开始认识立体的构型特点，有利于学生建立空间概念，锻炼学生的空间思维能力；②Pro／E软件的三维建模过程与二维工程图存在着必然的联系，草绘的平面图形往往与二维视图中的特征视图相同或相近，因而有助于学生正确绘制二维工程图；③教学中的一些难点重点通过三维立体建模变得更加直观和容易理解，有助于学生对知识点的掌握。教学实践证明，将Pro／E 软件引入“工程制图”课程的教学中可以提高教学质量，是切实可行的教学辅助手段，值得推广。

［1］续丹.“3D机械制图”教学中提高学生读图能力的实践与思考［J］.图学学报，2012，33（6）：124-129.

［2］王建华，李晓民.由三维建模入手的“工程制图”课教学改革实践［J］.图学学报，2008，30（6）：123-126.

［3］周四新.Pro／Engineer Wildfire基础设计［M］.北京：机械工业出版社，2004：73-99.

［4］大连理工大学工程图学教研室.画法几何学［M］.北京：高等教育出版社，2011：126.