三维建模技术在机械制图课程教学中的应用研究

李晓红，罗健宁

工程图作为工科类学生一门重要的专业技术语言，在后续专业课程的理论学习、实践训练乃至将来的技术工作中不可或缺。因此，制图课程是最先开设的一门专业基础课，也是工科类必备的一项专业技能，其掌握程度直接影响专业课程的学习乃至个人职业的发展。但是，随着不断扩招的生源、教学资源匮乏等问题，制图课程的教学效果每况愈下，教和学都存在着极大的困难，制图课程的教学效果直接影响了人才培养的质量。

1 机械制图课程教学存在的问题

机械制图课程牵涉到平面几何、立体几何、解析几何甚至是小学的图画等课程，学习的过程需要有一定的空间想象力、耐力和定力，这对于如今的高职学生而言，无疑是十分困难的。从小好动的、自由的、独来独往的、标新立异的个性，没有养成良好的爱学习习惯，加上学习基础较差，使高职学生在学习过程中知难而退、厌倦学习，大部分学生不把学习放在心上，有些爱学习的学生空间思维能力也严重不足，制图练习也只能照着葫芦画瓢。这样的教学状况，迫使高职教育层次的制图课程不得不另辟蹊径，寻找更为贴合高职学生的教学手段和途径。

2 解机械制图课程教学难点的思路

制图课程的教学过程是从空间到平面，再从平面到空间的一个循环过程，目的是让学生从简单到复杂，建立牢固的基础再进一步深入学习，反复训练从而逐步建立空间思维能力。然而，对于现在的大部分高职学生而言，三维空间立体如何投影得到平面图都很难理解和想象，甚至有部分学生看着三维立体模型、跟着老师的步骤都无法准确完成平面图的绘制。可想而知，立体的概念在学生的脑海中十分薄弱，投影的原理和想象力更是欠缺。因此，制图课程的教学需要从三维立体的教学着手，让学生逐渐入门并建立学习的信心和兴趣，再借助三维立体模型让学生从简入繁、循序渐进的完成投影知识的学习。同时通过三维视角的成图结构来一步完成投影图的转换[1]，能节省大量的时间和精力，同时促进计算机操作水平和三维软件的学习。

3 三维建模技术在机械制图课程中的应用

3.1 建立平面与空间的关系，把握教学重点

绘制和识读组合体的三视图是机械制图课程的重点内容，是从空间到平面，再从平面到空间从而建立投影概念和培养空间思维能力的关键，也是制图课程学习后续零部件表达方法的基础。在组合体三视图画图和看图的教学过程中，题型多为补画第三视图和补缺线，要求学生由三视图想象出空间三维实体的形状，学生在学习过程中常常因想象困难而导致不愿想、想不清，不能完成视图补画及线条补画，而老师讲解起来也很困难，其结果就是学生很难画出正确投影视图。现在可以借助三维建模软件，方便快捷地建立物体的三维模型，逐步向学生演示组合体的形成过程，使他们建立起二维视图和立体之间的对应关系，逐步培养学生的空间思维能力。利用三维模型按形体分析法逐步绘制组合体三视图如图1所示。

图1 形体分析法绘制组合体三视图

3.2 演绎截交线和相贯线的变幻，突破教学难点

截交线、相贯线是制图课程教学中的难点，学生对立体表面素线、表面取点无法准确理解，所以到了截交线、相贯线投影的求解更是云里雾里，根本无从下手。在讲解截交线、相贯线时，可以通过三维建模技术直观地将立体及其表面的交线修改成不同的颜色，将交线着重表示或者从立体上提取出来并标注点的符号，加强学生对其形状的了解和交线性质的认识；还可利用三维建模软件的参数化功能，修改立体的尺寸或相对位置，观察截交线、相贯线的变化。如图2所示。

图2 相贯线变化趋势

3.3 展现立体的内部结构，掌握制图技巧

剖视图是表达机件内部形状和结构的常用方法，学生常常想象不出投影图所表示立体的内部结构，往往不知道如何合理选择剖切方法、剖切平面及剖切位置，在作图时搞不清哪些部分被剖切平面剖切，哪些地方要画剖面线。如图3所示，可以先对几何体造型，然后在不同位置对几何体进行剖切，用虚拟模型可以直接剖开型体，内部粉色区域表示机件与剖切面接触的区域[2]，需要打剖面线，剖切面未与机件接触的部分为空腔，不打剖面线，最后生成工程图，引导学生分析剖切位置对剖视图的影响，由学生发现最合理的方法，教师进行归纳总结，从而加深对剖视图画法的理解。

图3 利用三维模式展示剖视图绘图过程

3.4 动态演示零部件的装配，熟练应用表达方法

零部件测绘是机械制图教学过程中不容忽视的一个重要的环节，它将之前所学的知识有机的结合在一起，是一项很好的综合能力训练项目。但是，由于学生学习基础和对前面知识掌握得不牢固，对零部件的表达无从下手。所以，在实际的教学中，教师完全可以使用三维建模软件对零部件的安装顺序以及其作用、基本工作原理进行详细的介绍，使学生对零部件的结构和组成有个清晰的概念，理解之间的装配关系、恰当选择表达方案。如图4所示。

图4 台钳装配

4 制图课程教学中应用三维建模技术应注意的问题

4.1 动静结合

三维立体具有直观性强，能够动态展现立体各个方位的形状和结构特点，可有效地提高学生的学习兴趣和降低学习难度。但是，由于学生的空间思维能力不足，加上轴测图内容的教学只是作为简介甚至略去了该内容的教学，所以，大部分学生对色泽鲜艳的三维立体图只是感到惊叹，而无法从中真正领悟立体的结构以及立体与平面投影的关系，如果三维立体采用动态的演示方式一闪而过，那么学生也就只有看热闹的份了。因此，利用三维立体模型开展制图课程教学，一是要循序渐进，从简到繁，逐渐引领学生走入空间思维和三维立体的领域；二是三维立体的动态演示过程要慢且有停滞的片段，让学生有足够的时间观察和思考，再配以不同方位的平面图，通过对比分析逐渐掌握立体到平面、平面与立体的关系。

4.2 多次反复

从立体到平面投影图，利用三维动画演示的过程是迅速而且准确的，但是对于高职学生，特别是初学者来说，立体与平面之间的变化太快会应接不暇，没有时间思考和领悟其中的要点，到自己面对立体去画平面图的时候就会无从下手，其教学效果是不理想的。所以，利用三维立体模型教学应有所选择而不应该遍地开花。

制图能力的培养不是一蹴而就的，教学过程应该利用不同的媒体和手段多次的反复，以适应不同学生的理解需要。还可利用堆叠的方式，通过边叠加立体边修改平面图的方式，从简单到复杂，使学生逐渐掌握立体与投影的关系；再则，教学内容应该通过三维立体、实物模型等多种形式、多种渠道反复多次的让学生观察立体、绘制平面图，从而掌握立体投影的要领。

4.3 边学边练

制图课程的特点是前后内容连贯和相互影响较大，从点、线、面到立体，必须掌握前面的内容才能够学习后续的内容。高职学生的特点是好动怕静，老师讲得太多了，学生听不进去，也没有办法掌握，特别是对于教学难度较大的制图课程，应该抓住学生的学习特点，老师的讲课内容应该少而精，更多的时间留给学生做课堂练习，而不应该满堂灌。老师讲解一个内容学生马上接着练习一个内容，当堂掌握后再学习后续内容，使大部分学生能够一步一个脚印的学习下去。

5 结束语

制图课程作为工程技术的语言，在工科类专业的教学过程中一直得到高度的重视，面对不同的教学对象和不同的技术发展阶段，各式各样的教学方法和教学模式层出不穷，特别是在生源素质下降而三维软件不断开发应用的今天，制图课程的教学手段更是趋于多元化，虚拟模型在机械制图教学中的引入极大地降低了教学难度。然而，传统的教学手段还是有着不可替代的作用，所以三维建模技术在制图课程中的教学应该适度适量，用到恰到好处，与实体的三维模型穿插使用，以便不同的教学设备满足不同学生的学习需求。还可将传统的理论教学内容与三维软件技术相结合，穿插讲解CAD课程、三维软件、制造类软件和计算机辅助工程软件等内容，克服了传统教学观念的束缚因素[3]，确保制图课程的教学质量。

[1]周占红.三维CAD技术在机械制图教学中的合理运用[J].科技视界，2016（04）：42-44.

[2]雷 蕾.虚拟模型在机械制图教学中的应用实例[J].科技经济导刊，2017（08）：60-63.

[3]于建海.三维造型技术在机械制图课程教学中的应用[J].西部素质教育，2016（02）：53-56.