基于虚拟教学平台的机械制图体验式教学改革设计与实践

周蕊++金玉阳

【摘要】结合本校实际情况介绍虚拟教学平台的结构功能，针对当代大学生的特点和机械制图课程教学中遇到的问题，提出研究性教学改革设计方案，将计算机绘图与机械制图课程相结合，基于CAD虚拟三维环境开展体验式教学，使学生在学习操作SolidWorks软件的同时，逐渐培养空间想象力，形成由三维实体到二维平面图相互转换的思维能力，同时结合CAI课件以及Bb平台教学平台资源，举例说明各重点章节的教学方法，以实现学生从教促学方式向自主学习方式的转变，发展学生的自我探究意识与构思创想能力。

【关键词】虚拟教学平台 体验式教学 机械制图

【中图分类号】G642.0 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）09-0041-03

Experiential Teaching and Practicing in Mechanical Drawing Based on Virtual Teaching Platform

ZHOU Rui

（College of Aeronautical Engineering，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China）

【Abstract】This paper described the structure and function of the virtual teaching platform with combined with the actual situation. The design of research teaching was proposed for the characteristics for the college students and the problem appeared in the mechanical drawing class. The combination of computer aided design and mechanical drawing course was implemented. The experiential teaching based on virtual 3D environment with CAD was present in order to achieve the change from the way of promoted learning to the way of self-learning. The student will gradually develop the imagination space by learning how to operate the software SoildWorks， and forming ability of conversion from 3D to 2D with combining with the CAI courseware and Bb teaching platform. These changes will help to develop the students abilities of self-inquiry conscious and creative idea.

【Key words】 Virtual teaching platform Experiential teaching Mechanical drawing

一、引言

机械制图是一门着重培养学习者空间思维能力和构思创想能力的课程，同时也是一门实践性非常强的重要专业基础课程。学习这门课程对学生的空间认知能力、想象力、绘图能力都有较高的要求[1-2]。但实际教学中发现，很多学生形成三维空间想象力很困难，单纯使用讲授不利于学生对知识的消化和吸收，即使采用现代教学演示方法，如多媒体教学等，其效果并不显著。

故作者认为，基于虚拟教学平台在三维虚拟学习环境中进行体验式教学应该是一种不错的尝试，将讲授控制在必要的范围之内，利用有限的教学时间让学生由被动学习变为主动学习，鼓励学生独立解决问题，真正参与到课堂互动中来，可有效地提高学生的认知水平，发展学生的探究意识与能力。

二、虛拟教学平台的阶段性特点及结构功能

虚拟教学平台的构建[3]分为以下三个阶段：初级阶段、中级阶段和高级阶段。其中初级阶段是指，吸取传统教学优点，结合CAI课件、CAD及VR技术，实现以教师个人为单位的虚拟教学平台构建；中级阶段则指逐步完善教师个体虚拟教学平台，实现局域网内资源共享；高级阶段是构建面向本教学领域的CORBA—公共对象请求代理结构，实现异构网络、不同系统间的信息集成，进而构建面向异地教学资源的分布式网络化研究中心，以实现群体协同工作的模式。

以作者所在学校为例，其虚拟教学平台主要有以下3部分构成，其功能结构如图1所示。

1.多媒体教学（CAI课件）

随着CAI（Computer Aided Instruction，计算机辅助教学）的不断发展，多媒体教学广泛应用到课堂，尤其是对于制图课程来说，CAI课件确实带来了革命性的变化，其动态的演示过程使学生更容易理解和观察，故成为当今教学的主要手段，也为虚拟教学平台创造了条件，进行必要知识的讲授。

2.Bb教学平台资源共享

Bb教学平台是在计算机网络的基础上，将各教学单位结合在一起，成立专门的分布式网络化研究中心管理机构，负责协调和组织教学系统不同单位的资源，以便促进教师、设施的优化组合，协调各方关系，提高教学科研设置的利用率，实现资源共享。制图课程中的CAI课件，虚拟模型库，以及相关练习题都共享在此平台，方便学生自主学习。

3.CAD虚拟学习环境

随着CAD技术的不断发展和完善，绘图设计已从最初的二维逐步普及到三维立体绘图，这不仅是改变了立体显示效果，其参数化特征建模使设计功能和设计自动化水平大幅提高。机房统一安装了CAXA和SolidWorks软件供学生使用，使学生在CAD虚拟环境中完成体验式课堂教学。

三、基于CAD虚拟三维环境的体验式教学

自制图课程经历改革之后，几乎以CAI课件进行讲授，较之前看挂图、黑板手绘讲解的时代，课堂效率更高也更易被学生接受，但由于课时大幅压缩，学生在课堂上看得多动手少，学习效果并不理想，学生的读图和画图水平并没有随着现代化教学手段的升级而有明显提高，反而略有下降。这一现象可由经验之塔[4]理论做很好地诠释，即教育应从做的具体经验入手，逐步过渡到抽象经验，符合人们认识事物的规律。单纯地完成讲授，往往是基于完成教学任务、方便教师教的角度设计的，而不是从学生的学习需求和学习可能性出发。

尤其是大对学生，要更多地鼓励以主动的方式去学习，将学生探究的态度、意识及能力当作教学的重要任务[5]。故提出在CAD虚拟三维环境中进行体验式教学，可以让学生直接参与到其中，易于培养学生的观察和认知能力，使立体模型和平面三视图之间的转换更容易理解；同时结合CAI课件进行知识点及方法的必要讲授，让学生在听和看的同时，可以自己体验建模的过程，有助于学生的理解和吸收，很多学习难题就可迎刃而解。

下面举例说明如何利用上机课营造的CAD虚拟学习环境，同时结合CAI课件完成体验式制图课堂教学。

1.平面与立体相交

关于截切，很多初学者认为很难想象出物体截切后的样子很难，画出其三面投影更是无从下手。若在课堂上利用SolidWorks演示物体截切过程，且采用多视图展开显示，如图2所示，可启发学生的空间想象力，同时学生可以通过电脑用鼠标自行拾取模型中的任何一个面、线或是点，系统里将会同时显示出它在三视图中的相应位置，可帮助学生理解立体模型与三视图的转换关系，同时结合CAI课件讲授作图方法及步骤。学生由三维模型入手，亲自体会模型中点、线、面在三视图中对于的位置关系，更容易理解吸收。

2.立体与立体相交

相贯的难点在于，随着两个相交立体尺寸的变化，相贯线的形态、位置呈规律性变化。若用SolidWorks构建两个相交立体，利用模型树展开特征编辑尺寸，可随时改变其中一个立体，使学生方便观察相贯线的变化过程，如图3所示，提升学生的形象思维，便于自己总结归纳出相贯线的变化规律，同时再结合CAI课件讲授如何利用表面取点法和辅助平面法来进行相贯线的求解。

3.組合体

组合体的绘制需要学生具有一定的空间想象力，通过已知两个视图的投影构思出立体模型，然后进行未知视图的投影；若用SolidWorks进行模型的构建，可利用特征树当中的回溯棒来模拟学生的构思过程，如图4所示，帮助学生进行立体思维训练，提升形象思维和空间创新能力，逐步掌握形体分析法和线面分析法的求解过程。

图4 组合体挖切和叠加过程

4.剖视图

剖视图需要表达立体内部的结构形状，更是需要学生具有很好的空间分析能力。学生总是搞不清楚哪里需要剖切，哪里应该画剖面线。利用SolidWorks的拉伸切除功能不仅能帮助学生构思建模，还可沿假想平面切开，使学生真实地观察到不同剖切位置得到的内部结构形状，如图5所示，从而加深对剖视图画法的理解和认识。

5.零件图和装配图

由于缺乏工程实践经验，学生对零件图和装配图的认读不够深入，尤其是技术要求部分，若只听老师讲授书中知识点，学生不好理解也很难记住。若在CAI课件讲解的基础上结合SolidWorks建模、装配以及工程图的相关功能，可以很好地将零件图和装配图的有关知识串联在一起，加深学生的理解，提高学生的识图读图能力。

以装配体齿轮减速器为例，如图6所示，其零件组成包含轴类、盘类、箱体类以及标准件和常用件。通过拉伸切除功能即可让学生在上机时自行完成零件轴、端盖以及齿轮的构建；标准件可以根据代号直接从SolidWorks的标准件库中调取；箱体建模较为复杂，由于课时有限由老师辅助完成；通过学生自己建模可加深其对零件上的工艺结构如铸造圆角、倒角及螺纹等的理解。然后通过装配功能，让学生自己观察各零件之间的联接关系、传动路径以其在装配体中的作用，待完成装配关系之后，可利用鼠标拖动简单实现运动仿真，方便学生观察理解减速器的工作原理，进而有助于对技术要求的掌握。最后可利用工程图模块，将零件或装配体进行自动投影，选择适合的剖切方法完成视图表达，如图7所示，进一步加深学生对装配体内部结构及装配关系的认识。

四、结论

1.随着科学技术的不断发展，虚拟现实在教育中的应用得到不断的推广，三维虚拟学习环境也在此基础上得到不断完善，本文提出的基于CAD虚拟三维环境的体验式教学改革设计， 可以在很大程度上实现以教促学方式向自主学习方式的转化，将计算机绘图与机械制图课程相结合，在采用CAI课件讲授的同时让学生逐步掌握软件建模的基本功能，使学生可以主动探究、独立学习。

2.通过部分上机课程实践，学生反馈出了很好的吸收效果。此种教学模式强调了学生通过自身体验来获得知识，教师为促进学生探究而讲授，将讲授控制在必要的范围之内，留出指导、辅助学生学习的时间，让学生自己去发现问题。若进一步结合CAXA平面绘图软件，在硬件条件允许的情况下，可实现完全在CAD虚拟平台中开展机械制图课程教学。

3.在虚拟教学平台中，教学内容可以不断更新，使课程练习内容及时跟上技术的发展，符合当代大学生喜欢不断求新的心理特征，同时，与时俱进的教学内容有利于活跃学生的思维，激发其学习兴趣，展现其创新意识。

4.随着计算机技术的不断发展，各种图形及分析软件的功能日益强大，将制图教学与CAD技术紧密结合，已成必然趋势，此外，若结合工程实践开展教学，利用CAD软件功能解决工程问题，可预先引导学生将多门课程的知识进行有效地融合，为后续课程的深入学习抛砖引玉，为拓展学生素质教育开启崭新的平台。

参考文献：

[1]杨惠英，王玉坤.机械制图[M].北京：清华大学出版社，2011：1-5.

[2]孙兰凤，梁艳书.工程制图[M].北京：高等教育出版社，2014，1-10.

[3]赵海晖，綦耀光，牛文杰.虚拟教学平台与机械制图柔性教学[C].第一届中国图学大会，烟台，2007，555-557.

[4]孙子娴.基于VR-Platform的三维虚拟学习环境的设计与开发[D].上海师范大学硕士论文，2009.

[5]陈佑清，吴琼.为促进学生探究而讲授——大学生研究性教学中的课堂讲授变革[J] .高等教育研究，2011，32（10）：94-99.

项目资助：CAUC-ETRN-2015-61