SketchUp在《画法几何及工程制图》三维交互式课程中的应用探讨

樊芳玲 周启航 姚昊翊* 唐振亚 钟浩

1.云南师范大学能源与环境科学学院 云南昆明 650504；2.昆明理工大学现代农业工程学院 云南昆明 650504

《画法几何及工程制图》是我国高校工科专业必修的一门基础平台课，研究内容是绘制和阅读工程图样方法，是指导生产的一种重要技术资料[1]，被称为工程界的“语言”。这门课程主要想建立三维建模与图样表达融合并进的知识结构体系；从画法几何部分利用正投影法分析点、线、面的空间位置关系入手，以平面轮廓特征为纽带，建立起三维实体与投影图形的关联互通；实施三维建模与工程图样并行的表达方法，旨在训练学生转化平面图和三维模型的思维能力[2]。授课过程建立在总结规律、诠释疑点、化解难点、启发思维的基础上，通过实践演练、探究解决问题思路与方法，剖析解题过程中发现的疑难问题，以便学生更好地掌握在工程实践中读图和制图的基本技能[3]。在这一基础上，依据国家制图标准中的相关规定，在尺规作图和计算机制图的教学中，运用正投影法的基本理论，使学生初步形成在学习和工作中发现、分析、解决工程问题的意识，从而培养学生锲而不舍、精益求精的工作态度。作为一门工程类基础课程，课程中学习的工程图、零件图等常常作为工程师之间交流设计与加工思路的桥梁，鉴于此，学好这门绘图、识图的课程尤为重要。

然而，在学习《画法几何及工程制图》这门课程时，需要学生具有一定的空间思维能力和动手实践能力。对于在中学时期就畏惧几何的同学，进入大一接触《画法几何及工程制图》学习的时候，特别容易进入先入为主地认为自己“空间想象能力差”“学不好这门课”的误区，从而产生厌学情绪的恶性循环。在传统教学中，我们一般采用“板书+幻灯片+实物模型”的方法进行授课，但是我们在实际教学过程中发现，如果仅仅使用“板书+幻灯片”的手段不能够很好地展示物体的各个角度，有的老师容易展示过快，影响到学习效果；使用实物模型又有搬运困难、不便于学生课后观察等缺点。传统的教学方法必然会导致学生感到枯燥、难懂，课堂活跃度低，教学效果差，因而急需探寻一种便于使用且直观易懂的三维交互式教学方法，在此基础上讲练结合、鼓励创新来提高教学效率。

针对以上需求，我们在教学过程中引入了三维建模软件SketchUp来帮助学生理解《画法几何及工程制图》的基本概念和建立空间逻辑。SketchUp是一款直观地进行设计方案创作的绘图软件，利用SketchUp来构建工程中的三维模型，具有操作效率高、场景真实(可360°旋转查看)、便于修改、可共享、方便学生课后查看等优点。该软件建模便捷、精度高、贴图丰富，利用它的绘制、移动、旋转、平行投影、赋予材质、线框显示、X光透视观察等功能操作，一目了然地展示出物体的外观和内部结构。SketchUp软件以其快速设计的功能和人性化的操作，在教学演示中展现出了独特的优势。

1 SketchUp在理解画法几何基本概念中的应用

《画法几何及工程制图》整门课程可以分为“画法几何”部分和“工程制图”部分，分别在大一上下两个学期开课。其中“画法几何”部分是“工程制图”部分的基础，重点在于帮助学生提前建立工程制图中要用到的基本概念。例如，在讲述圆柱体形成过程的概念时，涉及圆柱体中的轴线、母线、素线、转向轮廓线等元素的讲解，教师可以在语言描述的同时，用SketchUp软件的“路径跟随”功能演示母线绕着轴线旋转形成圆柱体的过程，使枯燥抽象的概念在学生眼前活灵活现地展现出来，如图1所示。动态演示结合学生的作图练习，不仅帮助同学们理解巩固相关概念，还能在增加学生学习兴趣的同时，提高课堂教学质量。

绘制旋转轴线

绘制母线

绘制旋转路径

路径跟随

完成图1

2 SketchUp在建立学生空间逻辑上的应用

组合体三视图的绘制一直是《画法几何及工程制图》学习的重点和难点，该部分内容掌握的情况将直接影响学生在工程实践中识图和制图的能力。在讲授截交线、相贯线、剖视图这一部分内容时，使用SketchUp软件演示可以动态地呈现出平面截切几何体或者多个几何体相贯的过程。例如，利用简单的“建立群组”“旋转”“移动”“使模型交错”等命令就可以方便地构建出平面与几何体相截，并直观地反映出平面与几何体表面的交线(即截交线)，如图2和图3所示；另外，使用上述命令，也可以方便地构建出多个相交的几何体(即相贯体)，同时反映出两个相交几何体表面的交线(即相贯线)，如图4和图5所示。图6所示的“X光透视模式”的SketchUp模型清晰地展示了相贯线产生的三种形式：外表面相贯、内表面与外表面相贯和内表面相贯。此外，将单个几何体创建为群组以后，还可以通过“移动”命令快速调整几何体间的相对位置来观察相贯线形态的变化。例如，利用SketchUp软件改变两个垂直相贯圆柱体的轴线距离来了解相贯线形态的变化情况。在上述教学过程中使用该软件展示清晰又快捷，有助于培养学生的空间想象能力，也便于加深其对相贯体和相贯线知识点的理解。

图2 截交线的二维教学方法

图3 截交线的三维教学方法

图4 相贯线的二维教学方法

图5 相贯线的三维教学方法

图6 内外相贯线三维视图

3 SketchUp在加强学生的实践能力中的应用

工程中常见的建筑构配件和机械零部件看似复杂，实际上都是由多个基本几何体通过叠加、挖切等形式组合、变形而成的。遇到这些形体的制图时，我们通常采用形体分析法来解决。这是一种将复杂的建筑构配件或机械零部件简化还原为多个基本几何体(如圆柱、圆锥、六面体等)的思维方法。简化后的基本几何体需要学生对比原型来确定它们的相对位置和组合方式，最后再练习图纸的绘制和阅读，长期训练后即能熟而生巧。传统教学中讲授组合体的形体分析过程一般采用幻灯片讲授的方法，因为少了教师对该知识点的实操演示和学生自己的动手实践，最终掌握情况不尽如人意。而在教师演示或教授学生使用SketchUp软件绘制建筑构配件和机械零部件的过程中，就形象地展示了一个先形体分析再组合建模的流程。在SketchUp中，建模过程中的每一步(每一次简单形体的建立)都很清晰，学习起来轻松易上手，仿佛自己用手捏制橡皮泥形体并任意组合一般(如图7所示)，便于学生将形体分析法在实际应用过程的使用步骤和规律进行总结。讲到建筑设计施工图和机械零件图、装配图时，在现有教学模式的基础上引进相关工程案例和国家标准、行业标准，并严格要求学生按生产实际做课内实践，保证学生在课堂上所学的知识有生产实践性，对以后的学习和工作具有一定的指导意义[4]。

绘制截面

拉伸成形体

相贯

剪切

组合

挖切图7 SketchUp 软件生成模型过程

结语

图8 学生满意度调查

实践表明，将SketchUp软件引入《画法几何及工程制图》课程的教学中，对于空间想象能力有限的学生来说，可以将抽象的空间形体具象化为可见的三维模型或二维图纸，将传统教学过程中难以表达出来的细节部分直观、生动地呈现给学生，有助于训练学生的空间逻辑和抽象思维能力；对于空间想象能力本就不错的学生来说，鼓励学生亲自建模实践，将设计理念转化为计算机模型，不仅激发了学生学习制图的主动性，也增强了参加竞赛的创新性。对学生进行满意度调查的结果表明这种配合以SketchUp软件、以“教师教学—学生练习—工程实践”为关注点的新教学模式取得了良好的效果，获得了大部分学生的认可(如图8所示)。学生在获得专业理论知识的同时，锻炼了运用专业知识解决实际工程问题的实践能力和创新能力，综合素质得到了显著提升[5]。