利用三维技术提高《机械制图》的教学效果研究

王群山，刘美兰，张秋云

(商水县第二职业中专，河南 商水 466100)

利用三维技术提高《机械制图》的教学效果研究

王群山，刘美兰，张秋云

(商水县第二职业中专，河南 商水 466100)

为了提高中等职业技术学校学生的机械制图的教学效果，提高学生的专业基础能力，运用现代技术-计算机三维技术，直观生动地展现传统教学中的平面到立体、立体到平面等难题，极大地提高了学生的理解能力与掌握程度，同时提高了学生的学习兴趣和热情，最终提高了学生的专业知识和技能，改善了机械制图的教学效果。

三维技术；机械制图，建模技术

《机械制图》是中等职业技术学校机械、数控技术等专业的一门专业基础课。既有系统的理论知识，又有实践性较强的专业技能。它往往要求学生掌握绘图的基本技能，掌握正投影的基本原理和表达空间形体的方法，既培养学生零部件三维空间的思维能力和想象能力，又培养学生读图和绘制机械工程图样的能力。由于中职学生的基础薄、底子差，对知识的理解和运用能力不强。教学设备落后，传统的“黑板、粉笔、一张嘴”教学方法，已难以把现代学生的学习积极性调动起来。同时以考分考核为目的的教学手段也阻碍了学生对机械制图等能力的培养，学生只能停留在理论的空洞想象中。这就造成很多学生学习机械制图普遍感觉很难，甚至有些学生有恐惧感。

笔者在长期的教学实践中发现，学生们普遍存在空间想象能力不足，由平面图形往往无法想象到具体的空间立体形状。同时有些学生对所学知识的灵活运用能力较差。因此如何把复杂的几何问题简单化及形象化一直是《机械制图》教学的难点。笔者认为教师应该从机械制图教学中遇到的难点作为突破口，运用现代教育教学理念和计算机新技术引导学生，激发学生学习的兴趣，提高机械制图的教学效果。

1 《机械制图》教学的现状

目前《机械制图》教学多采用“粉笔——黑板——挂图——模型”的传统教学方法。尽管它通过手绘图方式训练和提高了学生的理解和动手能力，但是以教师为中心、填鸭式的单向教学严重制约着学生空间想象能力的培养。黑板做图费时费力，重复劳动多，课堂时间利用率不高；挂图和模型单一，缺乏连续性，难以直观准确地表达立体，阻碍了学生的学习兴趣。同时，教师与学生之间缺乏互动，课堂气氛呆板沉闷，不能让学生参与进来；老师照本宣科，只重理论不重实效，加上内容枯燥，教材陈旧等等，这些都不利于培养学生的观察判断、空间想象、分析思维以及创新创造能力。不仅影响了教学效果，也难以实现素质教育的目标。因此，传统教学手段已不能适应现代制图教学的形势和要求，需要运用现代三维新技术突破机械制图教学难点，增强学生学习兴趣，改善机械制图的教学效果。

2 三维技术的优势及特点

三维技术就是使用三维CAD软件工具对机械零部件的空间立体特征进行直观形象的建模分析技术。它非常适用于机械零部件图的三维到二维的相互转化，从而可以用来中职机械制图的教学，以帮助中职生对该课程中难点的理解与认识，更有利于提高他们的学习效果。目前在国内使用较多的三维CAD软件有CATIA、UG、Pro-E、Solidworks、Solidedge等，这些软件的三维功能都很强大，基本上都能满足机械制图教学的使用。

这里主要以CATIA软件为例，简单介绍一下三维技术的优势及特点。使用CATIA软件可以对零部件进行三维实体建模、曲面造型、虚拟装配、运动分析及工程图转化等，并且可以对各个模型或部件进行渲染及动态演示，可以极大地提高学生学习的兴趣。通过对立体模型各部分剖视、旋转、组合、拆分，可以锻炼学生的形体分析法，增强学生的感性认识和空间构思能力。CATIA的建模模块提供了草图、曲线、拉伸/旋转实体、拉伸/扫掠曲面等工具，可以设计各种复杂结构的实体和曲面。制图模块可以获得与三维模型相对应的二维图，并且可以完成任意的剖视图。同时，当3D模型改变时，二维图也会随之更新。这两个功能模块在协助讲解组合体以及机件的表达方法内容时，能通过迅速改变实体的形状，让学生从各种不同的角度观看和了解形体，提高学生视图的分析能力。为了了解复杂装配体的内部结构，可以利用三维CAD建立装配体的爆炸图，并且还可以添加约束以进行运动仿真。非常直观地展示出装配体中各零件之间的装配约束关系，使学生进行便于观察与理解，这样教学内容清晰、生动，极大地增强了学生感知和认知。

3 三维技术在《机械制图》教学中的应用

用现代化手段来展示立体空间模型，使学生由三维立体形状快速转换到二维平面图形的飞跃已成为教学的重要手段。用三维图来解决二维图的有关问题，形象直观，有利于激发学生学习兴趣，调动学习的积极性，是一个行之有效的方法。下面通过解决机械制图教学过程中的重点难点，讨论三维CAD技术在机械制图教学中的实际应用。

（1）组合体的应用举例。此例考查组合体表面间的连接关系。组合体中各基本体间的表面连接关系一般分为相接、相切和相交几种情况。此题考查了相接与相切。四个图例显示圆筒与底板均为相切，故无交线、难点，底板上放置的物体不同得到的交线也不一样。如图1所示。如果只是给学生说出答案，他们未必能掌握。而如果把几个物体的三维图并排放着，如图2所示。让学生认认真真找出它们之间细微的差别，反复比较它们之间的区别，学生就会清晰地记着，由于放置的物体不同，那么交线也会不一样。这也培养了学生认真负责的学习态度和一丝不苟的学习作风。

图2 组合体三维模型

（2）切割体的应用举例。此例在教科书上要求用线面分析法识读压块三视图。运用线面分析法读图就是将视图中的每一个线框看作物体上的一个面（平面或曲面）的投影，利用投影关系，在其他视图上找到对应的图形，再分析这个面的投影特性（真实性、积聚性、类似性）。确定这些面的形状，从而想象出物体的整体形状。这个方法看似简单，但大部分学生难以办到。这类切割体在运用线面分析法之前需要先进行形体分析。如果进行形体分析时就知道物体怎么切割的，并且能用三维图表达出来，那么线面法就无用武之地，如图3所示，由三视图可知，其基本形体是一个长方体（如图4所示），右部从上往下开有一个沉头孔；由主视图知，长方体左上方切掉一角；由俯视图可知，长方体的左前方和左后方各切掉一块；由左视图知，长方体的下前方和下后方有各切去一个长条，如图5所示。分析之后，如此这样就可以画出三维图形了。用三维图形不就比用线面分析更能引起学生的兴趣和求知欲。再者，有了三维图再去求证线面关系，如此反反复复学生不就掌握了吗？

图3 切割体压板三视图

图4 切割体基本体

图5 三维切割示意图

（3）相贯线的应用举例。如图6所示，五组视图中左视图相同，主、俯视图位置排错，请把对应的主、俯视图连起来。此题主要考查的是相贯线，相贯线的作图方法一般是辅助平面法。步骤：①求特殊点；②求一般点；③连接各点并判断其可见性。虽然这个步骤很简单，但是如果没有三维图让学生凭空想象，大部分同学感到为难。而借助于三维图却能一目了然，如图7所示。把这几个三维图放置在一起比较，学生能很直观的理解圆柱与圆柱相贯为圆弧，圆柱与长方体相贯为错位线，且内相贯与外相贯同理，况且有了三维图，无论从哪个角度都可以观察到相贯线的走势是一样，这为以后再碰见类似的题打下了坚实的基础，也为圆筒壁上开圆孔或方槽打下了基础。为此，学生会觉得轻轻松松就把相贯线给掌握住了，这也增强了学生的学习兴趣。

图6 相贯线的五组视图

（4）剖视图的应用举例。此例为三维图形在剖视图中的应用，如图8所示。剖视图顾名思义假想把物体剖切开来看看内部的形状。在讲解剖视图时同学们容易迷糊的一般有以下几点：①不知道在什么地方画剖面线；②不知道剖切的位置；③ 容易漏画剖切面后面的可见轮廓线；④剖切后的虚线当省不省。针对以上几点，无论老师讲解再清楚明白，学生还是难以接受。这时如果有三维图形那就轻松多了。如此例，根据主俯视图先让学生想象出物体的形状：半圆头的长方底板，右边U型的立板，切槽和钻孔，左边放置一个圆柱和长方体相连的一个物体，且切去一个和外形一样的槽，在槽的下方还钻了一个通孔，同时薄壁上前后各开了一个长方体槽，这时拿出三维图形去印证学生的想象。如图9所示。然后老师再清楚讲解阶梯剖的剖切位置，移去移除部分，将保留部分投影到W面，让学生再想象还剩余什么，最后把剖切后的三维视图展示给学生，如图10所示，这样学生就很容易掌握了剖视图。在这一教学过程三维模型视图起着至关重要的作用。

图8 补画全部左视图

图9 零件三维模型

图10 零件的三维剖视图

4 三维技术在机械制图教学应用引发思考

以上只是针对教学中的几个例子作为分析，并不能以偏概全，并且零件图和装配图更适合用三维图去表达，在此不再一一举例说明。通过这样的题例可知，制图教学并不是很难，只要用心。当前是以网络技术和计算机为主体的信息技术飞速发展，知识经济、网络经济迅猛发展的时代。作为教师也应该更新教育观念、教育模式、教学方式和教学手段，以便跟上时代发展的脚步，主动探索各个学科应该怎样更好地契合当前时代发展的需要，为国家培养更多更精的高技术人才。

［1］马金平，张益华.基于三维CAD软件的制图教学改革［J］.机械制造与自动化，2007，（6）：106-107.

［2］胡宜鸣，孟淑华，王丹虹.机械制图课程内容、体系改革的研究与实践［J］.工程图学学报，2003，（1）：123-127.

［3］郑盛梓，姚涵珍，周桂英，等.面向三维CAD技术的工程制图教学研究［J］.东华大学学报：自然科学版，2005，（4）：154-156.

［4］邵世禄.提高工程制图教学质量的方法初探［J］.甘肃农业大学学报，2000，（2）：232-236.

［5］于晓丹.机械制图教学模式创新研究［J］.辽宁工业大学学报（社会科学版），2015，17（3）：138-139.

［6］李明，丁玉兴.在工程制图教学中培养学生创新能力［J］.安徽电气工程职业技术学院学报，2004，（1）：121-122.

Research on Teaching Effect of“M echanical Draw ing“by Using 3-D Technology

WANG Qun-shan，LIU Mei-lan，ZHANG Qiu-yun
（Shangshui County Second Vocational Technical Secondary School，Shangshui，Henan 466100，China）

In order to improve the teaching effectofmechanical drawing of secondary vocational technical school，improve the students'ability，using themodern technology，computer three-dimensional technology，vividly visual plane to the threedimensional，three-dimensional to plane in traditional teaching，has greatly improved the students'ability in understanding and mastering of knowledge，at the same time improved the students'learning interest and enthusiasm，eventually improved the students'professionalknowledgeand skills，and the teaching effectofmechanicaldrawing.

3-D technology；mechanicaldrawing；modeling technology

G434

A

2095-980X(2016)08-0081-03

2016-06-29

2015年周口市职业教育教学改革项目，立项名称.如何提高机械制图的教学效果。项目批准号ZJ201508，项目主持人：王群山，主要成员：张秋云，刘美兰

王群山（1973-），男，河南商水人，大学本科，主要研究方向：教研课题。