利用Solidworks辅助机械制图教学研究

魏 伟，贾黎明

（1.安徽工业大学 科研处，安徽 马鞍山243002；2.安徽工业大学 机械工程学院，安徽 马鞍山243002）

机械制图课程是工科院校学生必修的一门专业基础课。它的主要任务就是培养学生具有一定的绘图和读图能力。通过这门课的学习，可以提高学生们的空间想象、思维能力、图解空间几何问题的能力。但是由于机械制图自身的严谨性等特点，让学生们学习起来感觉比较困难及枯燥。所以如何激发学生的学习兴趣以及培养学生一定的空间想象能力，就成了制图教学中亟待解决的问题。

教学实践证明，沿用圆规、三角板、模型、纸质挂图等教学工具的传统教学方式已经不能满足教学中的要求，而且费时费力，效果亦不是太好，在培养和启发学生的空间想象能力和构形能力上，教学手段较为单一，内容多以静态为主，使学生难以形成完整的空间概念。在教学实际中发现，既让学生看到模型，又能让学生清楚形体形状的重组，这样的教学效果较为理想。随着多媒体教学设备的普及，我们完全可以利用三维软件达到这一目标。

Solidworks软件是一种先进的、智能化的参变量式CAD设计软件，是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统。它改善了传统机械设计的模式，具有强大的建模功能，参数设计功能。在创新性、使用方便性、界面人性化等方面都得到了增强，大大缩短了设计时间，提高了设计效率。

SolidWorks是在Windows环境下开发的，有着友好的工作界面，拥有强大的基于特征的实体建模功能，可以方便快速地构建各种结构形状的模型，还可以根据需要随时更改局部结构；建模快速，过程清晰明了，可快速地培养学生的制图能力，读图能力和空间想象能力；提供了动画功能，可以快速地生成物体装配过程、爆炸过程和运动过程的动画文件，同时也可生成各个过程组合的动画文件。可以将一些难点、复杂的问题形象生动地表现出来，改变传统教学枯燥的教学形式，活跃课堂气氛，提高学生们的学习积极性。

总之，Solidworks易学易用、界面友好、性能超群，它有着强大的建模能力，而且设计过程清晰、简单、方便，非常适合用于制图课堂教学。

一、完整的展现模型，形成完整的空间概念

授课教师根据备课内容，可在教学现场绘制所需模型，模型的建模过程很清晰、完整地展现在学生面前，使学生有了一个完整的空间概念。例如在学习组合体读图时，会介绍到形体分析法，即假想把组合体分解为若干个简单形体，分析各简单形体的形状、相对位置、组合形式及表面连接关系的分析方法，称为形体分析法。在以往授课中，我们会讲解形体分析法主要是利用分线框、对投影的方法组合体分解成我们所熟悉的几个基本体的形状，然后分析各形体之间的相对位置，组合方式，表面过渡关系，最后综合想象出整体形状。整个过程都是在语言描述下完成的，即使结合木模，学生也不能很清晰的看出基本体之间的相对位置及表面交线等问题。如果利用Solidworks进行三维建模，这些问题就会迎刃而解。如图1所示，根据形体的主视图和俯视图想象其空间形状。利用形体分析法的知识，我们可将组合体拆分成三个我们所熟悉的基本体，然后根据分线框、对投影，分别想象出每一部分的空间形状。在讲解的同时，我们可以结合Solidworks对每一部分进行建模。利用Solidworks中基准面、草图绘制、拉伸、切除等相关命令，对这些基本体进行建模，如图2所示。在建模的过程中，学生对形体的形成有了最直观的认识。最后分析形体之间的相对位置等，将拆解出来的基本体根据前期分析出来的表面邻接关系组合在一起，形成了如图3所示的组合体。讲解分析结合Solidworks现场建模，使得学生通过形象逼真、具有质感的模型既学得轻松，又能很快掌握内容，事半功倍。

图1 形体的主、左视图

图2 形体分解后各部分形状

图3 综合想象组合体空间形状

二、启发和培养空间想象能力和构形能力

机械制图这门课程的主要任务之一就是培养学生具有一定的空间想象能力。缺乏空间想象能力是学习机械制图的大碍。而培养学生空间想象能力最主要的就是培养学生的观察能力。在教学中，要给学生创造观察的条件，同时也要引导学生仔细观察，一定要注意细节。这是一种非常直观的方法，由体到图，再由图到体，刺激学生的空间知觉，让学生建立一种从三维到二维再到三维的思维模式。在教学中，我们要帮学生建立空间立体观念，这就需要有直观的视觉基础支持。其次，要加强学生的作图能力，根据最直观的三维模型绘制出该模型的平面图形，再由平面图形想象出该模型的空间形状及位置。这对培养空间想象能力十分有利。最后，指导学生进行一些适当的实体构形，活跃课堂气氛，这样既培养了学生的空间想象能力同时也提高了学习的积极性，一举两得。在实际教学过程中，不可能将所有例题中的形体都作成实物模型，而且实物模型也不可能放到每个学生手中去观察。所以，Solidworks三维造型及多媒体教学手段在这个时候就可以充分发挥其作用了。譬如，如图4所示的实体构形，要求根据形体的主俯视图，想象出不少于四种的空间形状。在分析的时候，我们可以根据学生不同的想法结合着Solidworks去建模，利用Solidworks中的视图显示方式让学生从各个方向去投影自己构思的形体，这样可以很直观地让他们看出哪些是可以的，而哪些不符合要求的。如果构形确实存在困难时，我们也可利用Solidworks去建模，如图5所示，让学生去举一反三。

图4 形体主、俯视图

图5 形体空间形状

三、深入解析重点和难点

对于机械制图中一些较难的章节，学生因空间想象能力欠缺，对一些立体表面交线变化，形体复杂的内部结构等难以理解。而运用Solidworks三维实体建模及灵活的剖切面剖切，让学生一目了然，容易接受，达到良好的教学效果。例如在介绍两圆柱体正交时相贯线变化情况时，我们会提到在相贯线的非积聚性投影上，相贯线的弯曲方向总是朝向直径较大的圆柱体的轴线。单纯的这样讲解加上独立的模型，并不能让学生很好地去理解。而引入Solidworks后，整个相贯线变化趋势就清晰可见了。因为Solidworks建模是一个参数化的设计过程。当改变立体尺寸和相对位置时，就可得到不同的相贯线。相贯线的变化过程，在建模中非常清晰的反应出来，学生理解会更加容易，掌握也会更加牢固。如图6所示，在Solidworks中，先建立两个直径大小不同的圆柱体正交，此时在两个立体表面产生的相贯线是一种情况。然后改变建立模型时绘制草图的参数来改变其中一个圆柱直径的大小，修改完毕后，相贯线的改变马上就会呈现在大家眼前，变化规律一目了然，即：相贯线的弯曲方向总是朝向直径较大的圆柱体的轴线。

图6 立体表面交线变化情况

又例如在机件表达方法中，剖视一直是我们学习的难点。我们可以利用Solidworks建模后，先让学生观察零件的外部形状，再用适当的剖切面将零件剖开，观察内部结构。我们可以选用不同的剖切方法，让学生去比较，哪个方案最合适。这样同时也避免了学完剖视后，虽然认识各种剖切方法，知道其应用范围但却不能灵活运用的弊端。如图7所示，选择合适的表达方法表达该形体。我们所采用的表达方法要将形体的外形和内部结构表达清楚。结合我们在该章节所学知识，表达外形的表达方法应该在视图中去选择，表达内部结构的表达方法是剖视图中去选择。结合例题，我们可以根据形体已有的二视图将其空间形状在Solidworks中绘制出来如图8（a）所示。然后利用Solidworks的剖切功能，选择适当的剖切位置进行剖切，再观察形体，分析剖切后的结构是否符合要求。如图8（b）所示形体主视采用了全剖的表达方法，剖切后，内部结构是表达清楚了，但外形中前方的U形块这个结构却因为剖切而无法进行表达了，所以这种表达方法不能满足我们要将外形和内部结构都要表达清楚的要求。我们选择的是图8（c）所示的半剖表达方法，形体左半边没有进行剖切表达外形，右半边剖切后反应内部结构。由于形体是对称的，所以左半边未表达的内部结构与右半边一致，右半边的外形结构与左半边一致，满足表达要求。同理，俯视图表达方法应选择图8（e）所示的半剖，而图8（d）所示的全剖无法将形体上方的方板的外形反应出来。

四、激发学生的学习兴趣

图7 形体主俯视图

图8 形体表达方法选择

机械制图是一门相对比较枯燥的专业基础课程，所以如何提高学生的学习兴趣也是让他们学好制图的关键。引入三维建模软件就是一种方法，对学生来说，具有新鲜感的东西会激发他们的好奇心与求知欲。例如在装配图的教学中，很多学生都感觉到一头雾水，对装配体的装配关系、装配干线，零件间的连接关系，装配体的工作原理，根本搞不清楚，从而无法去读懂装配图。在实际教学中，教师可以在备课时将组成装配体的所有零件绘制完毕。待上课时，利用Solidworks的智能装配功能，按照装配体的不同位置和装配要求将其装配起来。这样整个装配过程非常清晰明了地显示在学生们的眼前。我们还可以利用Solidworks的动画功能，制作装配体的爆炸动画，模拟其实际动作过程。这样学生就更容易掌握装配图的相关知识，而且印象深刻，如图9所示。

图9 装配体爆炸视图

五、结语

综上所述，Solidworks由二维图形生成三维模型的过程，完全同机械制图与画图的思维过程一致，可使抽象的问题具体化，增加感性认识，促进所学知识的理解和掌握，非常适合用于制图课堂教学。我们将Solidworks引入到机械制图教学中，我们的目的是利用三维建模软件辅助教学来培养学生的空间思维能力，更好、更深入地理解制图的相关知识，而不是学习Solidworks软件的使用，所以授课时，一定要安排得当，重点突出。在实际教学时，要充分发挥教师的主导作用，不能让学生只是看着演示，要充分让学生参与其中，分析问题，解决问题，这样才能达到最佳的教学效果。

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