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工程制圖教學(xué)中三維CAD技術(shù)的應(yīng)用
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教育部“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的三個(gè)特點(diǎn)是：行業(yè)企業(yè)深度參與培養(yǎng)過程;學(xué)校按通用標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)工程人才;強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力。在工程師的培養(yǎng)過程中，《工程制圖》是最重要的基礎(chǔ)之一，課程的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生四種能力，即：空間想象能力、繪制和閱讀工程圖樣能力和計(jì)算機(jī)繪圖能力。作為工科院校的基礎(chǔ)課程，隨著市場需求和信息技術(shù)的發(fā)展，對(duì)工程制圖的教學(xué)提出了許多挑戰(zhàn)，例如：工程制圖教學(xué)與市場需求結(jié)合面臨的難題是什么?傳統(tǒng)的工程制圖教學(xué)效率如何提高?如何將傳統(tǒng)制圖理論與全新制圖軟件相結(jié)合等等。
一、三維模型庫對(duì)工程制圖教學(xué)的影響
教學(xué)模型作為教學(xué)手段的重要組成部分，在幫助學(xué)生形象地理解教學(xué)內(nèi)容的過程中，發(fā)揮著積極的輔助教學(xué)的作用。工程制圖作為機(jī)械類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，也作為工藝類學(xué)生的一門必修課，無論是在課堂教學(xué)還是在課后作業(yè)，都需要大量使用教學(xué)模型，以增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，最終達(dá)到空間思維能力的培養(yǎng)。
傳統(tǒng)的教學(xué)模型因其制造成本高、數(shù)量有限、容易損壞、不便攜帶、不能修改等缺點(diǎn)，已經(jīng)不能或不足以滿足現(xiàn)代教學(xué)的需要。因此，應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件結(jié)合多媒體技術(shù)建立基于三維CAD技術(shù)的虛擬模型庫，不僅精度高、質(zhì)感好、形象逼真、色彩豐富，還能將復(fù)雜形體的外型與內(nèi)腔、相貫體中相貫線的變化趨勢、裝配體中零件之間的連接關(guān)系充分地展示出來，加上動(dòng)畫渲染等效果，使教學(xué)中的知識(shí)點(diǎn)更加清晰、生動(dòng)、形象[1]。
在工程制圖的學(xué)習(xí)過程中，閱讀、分析、比較典型的工程圖樣，對(duì)提高讀圖能力、開闊視野、積累經(jīng)驗(yàn)、提高對(duì)機(jī)械零件的表達(dá)能力都有一定的幫助。建立完善的工程制圖虛擬模型庫可以幫助學(xué)生理解學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)、重點(diǎn)，模型庫可以改變傳統(tǒng)教學(xué)的單調(diào)模式，有助于學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，從而提高學(xué)習(xí)效率。
學(xué)習(xí)工程制圖課程的最大障礙是空間思維能力的不足，而計(jì)算機(jī)可以作為輔助空間思維的有效工具。學(xué)習(xí)初期，對(duì)于難以想象空間形狀的投影圖，可以應(yīng)用軟件工具在課堂上現(xiàn)場造型，實(shí)時(shí)顯示，將二維到三維的空間思維視覺化。同時(shí)，在造型過程中，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)形體尺寸(定形尺寸、定位尺寸)的理解，學(xué)習(xí)造型的技巧和技能，通過構(gòu)型訓(xùn)練，既掌握了三維設(shè)計(jì)表達(dá)的技能，又了解了現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)的理想形式，同時(shí)對(duì)培養(yǎng)專業(yè)興趣、拓寬知識(shí)也起到了積極的作用。
二、三維模型在工程制圖教學(xué)中的應(yīng)用
SolidWorks是基于Windows平臺(tái)的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系統(tǒng)，是三維實(shí)體特征建模軟件系統(tǒng)，有零件、裝配體和工程圖三個(gè)模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)自三維實(shí)體模型到二維工程圖的直接轉(zhuǎn)換，主要特點(diǎn)有[2]：
(1)采用基于特征的參數(shù)化三維實(shí)體建模，能方便、快捷地創(chuàng)建任意復(fù)雜實(shí)體模型，并且利用設(shè)計(jì)樹回放功能可以隨時(shí)瀏覽實(shí)體生成過程。
(2)零件配置功能可以方便地配置和管理形狀相同或相似的零件，可以通過系列零件設(shè)計(jì)表功能，大大節(jié)約造型時(shí)間。
(3)在裝配環(huán)境下可以對(duì)零件進(jìn)行智能化裝配，并可以方便的生成裝配體的動(dòng)畫爆炸，模擬組裝過程，使裝配關(guān)系完整清晰地表達(dá)出來。
(4)三維模型自動(dòng)轉(zhuǎn)換生成二維工程圖，工程圖是全相關(guān)的，當(dāng)修改圖紙時(shí)，三維模型、各個(gè)視圖、裝配體都會(huì)自動(dòng)更新。
(一)三維模型在組合體視圖讀圖中的應(yīng)用
組合體視圖的繪制和閱讀是工程制圖教學(xué)的重點(diǎn)，也是教學(xué)的難點(diǎn)。它不僅是對(duì)點(diǎn)、線、面知識(shí)的集合，對(duì)后面零件圖和裝配圖的學(xué)習(xí)起著承上啟下作用。
組合體的組合方式有：疊加、挖切或疊加與挖切的綜合，讀圖方法有：形體分析法和線面分析法，前者從體的角度出發(fā)，后者則是從面的角度考慮。讀圖過程必須熟練掌握基本形體的投影特征和點(diǎn)、線、面的投影特性及投影規(guī)律，且要求學(xué)生的思考能夠與教師的步驟協(xié)調(diào)，圖1展示了已知主視圖和俯視圖要求補(bǔ)畫左視圖的讀圖過程。利用SolidWorks設(shè)計(jì)樹回放功能可以反復(fù)比較，有效地激發(fā)老師與學(xué)生的互動(dòng)。
(二)三維模型在裝配圖中的應(yīng)用
裝配圖該怎么教?對(duì)沒有實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生而言，他們對(duì)裝配圖的結(jié)構(gòu)、工作原理、零件間的連接關(guān)系及主要零部件的結(jié)構(gòu)形狀都缺少感性認(rèn)識(shí)，在課堂上教師拿幾張幻燈講解裝配圖，或者只拿一個(gè)實(shí)物小模型拆裝，雖說可以達(dá)到一定目的，但效果有限。SolidWorks具有強(qiáng)大的裝配模塊，利用自下而上的裝配設(shè)計(jì)方案，把已經(jīng)制作好的三維零件進(jìn)行模擬裝配，學(xué)生可了解到機(jī)器或部件的組成情況、各零部件之間的裝配關(guān)系等等。通過裝配，可以進(jìn)一步對(duì)裝配體進(jìn)行干涉檢查，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理等。制作爆炸視圖，通過動(dòng)畫播放來模擬零部件裝拆的先后順序。此外，通過運(yùn)動(dòng)模擬，學(xué)生可了解到機(jī)械零件的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和工作原理。圖2為渦輪減速箱爆炸視圖。
在三維軟件的支持下，建立三維幾何模型，通過對(duì)顯示器中的三維動(dòng)態(tài)顯示觀察，可以隨時(shí)修改參數(shù)進(jìn)行交互。教師在教學(xué)過程中采用三維CAD繪圖軟件，根據(jù)具體情況，增補(bǔ)一些典型例題和習(xí)題，分步講解，學(xué)生不僅可以學(xué)習(xí)作圖過程，還可以對(duì)軟件有更直接的認(rèn)識(shí)。三維CAD的教學(xué)不僅強(qiáng)化了學(xué)生的空間概念，更強(qiáng)化了理論聯(lián)系實(shí)際。這種教學(xué)過程生動(dòng)有趣，過程緊湊，既啟發(fā)了學(xué)生的思維活躍性，又激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣[3]。
三、三維模型和二維視圖的相關(guān)性
三維CAD技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用的日益普及，使人們的思維方式和工作方式發(fā)生了巨大的變化。現(xiàn)在工程設(shè)計(jì)常用的三維建模軟件眾多，如3DS Max、ProE、UG、SolidWorks、SolidEdge、MDT等，它們都具有很強(qiáng)的三維模型設(shè)計(jì)功能，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了三維模型與二維圖紙之間的雙向關(guān)聯(lián)，給工程制圖教學(xué)提供了非常優(yōu)秀的造型工具[4]。
SolidWorks的三維模型可以自動(dòng)生成精確的二維工程圖紙，除六個(gè)基本視圖外，也可以方便的生成局部視圖、斜視圖、剖視圖及軸測圖等，并可以在二維視圖中顯示尺寸和技術(shù)要求注釋。SolidWorks的二維視圖和三維模型之間的雙向關(guān)聯(lián)功能使模型形狀和尺寸的編輯更加容易，在設(shè)計(jì)過程中更改任一二維視圖的尺寸，會(huì)導(dǎo)致三維實(shí)體和所有的二維視圖自動(dòng)更新，將2D繪圖與3D造型技術(shù)融為一體。
將Solidworks軟件應(yīng)用于工程制圖教學(xué)起到了很好的積極效果，但是也應(yīng)注意防止產(chǎn)生負(fù)面作用。如果過分依賴三維模型，與學(xué)習(xí)工程制圖的目的是提高空間思維能力背道而馳。采用三維模型目的是加強(qiáng)教學(xué)直觀性、啟發(fā)性、提高感性認(rèn)識(shí)的措施，不能因此削弱基本概念、基本方法等教學(xué)環(huán)節(jié)，習(xí)題模型的發(fā)布要注意時(shí)間節(jié)點(diǎn)把握。SolidWorks在工程制圖中的應(yīng)用作為一種教學(xué)內(nèi)容和方法的改革，還有待完善。
總之，從三維模型入手進(jìn)行工程制圖課程教學(xué)，是對(duì)工程制圖教學(xué)體系的全新的設(shè)計(jì)，它更符合人們進(jìn)行空間構(gòu)思的思維方式，通過三維模型的表達(dá)，使教學(xué)內(nèi)容更加形象生動(dòng)，增加了課堂容量，提高了學(xué)生形象思維的能力，三維CAD技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用一定會(huì)起到非常好的作用。
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