与三维造型技术相融合的工程图学教学探索

张宗波 王珉 牛文杰 刘广斗

摘 要：随着计算机软硬件技术的不断发展和大数据时代的来临，在制造行业中，绘图环节对计算机三维设计技术的需求在不断的增加，将三维造型技术纳入工程图学教学中成为教学改革探索的主要方向之一。文章对计算机三维造型设计与工程图学的融合进行了探索和分析，研究了将图学课程与三维造型技术相结合并实现相互促进的融合式教学模式，结果表明该模式可以有效提高学生的基本读图绘图能力、空间思维能力、工程意识及实践能力，这为工程图学课程的改革进行了有意的尝试与探索。

关键词：三维造型设计；工程图学；教学改革

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）21-0076-03

Absrtact： With the continuous development of computer software and hardware technology and the advent of big data era， in the manufacturing industry， the demand for computer 3D design technology is increasing. It is one of the main way of teaching reform to incorporate 3D modeling technology into engineering graphics teaching. In this paper， the integration of computer 3D modeling design and engineering graphics are explored and analyzed. The results shows that the model can effectively improve students' ability of basic graphic reading and drawing， spatial thinking， engineering consciousness and practice， which carried on the intentional attempt and the exploration of graphic course.

Keywords： 3D modeling design； engineering graphics； teaching reform

引言

工程圖学是一门以图形为研究对象，用图形来表达设计思维的学科。工程图学课程作为高校工科专业重要的技术基础课程，其主要目的是培养学生对图样的表达和理解能力以及空间思维能力。然而，由于学生空间思维能力不足导致普遍感觉工程图学难学是困扰该课程发展的重要障碍。在工程图学的教学过程中融合三维造型技术能够有效的弥补学生空间思维能力不足的缺陷，对于提高学生的学习效率和学习兴趣有重要作用。而且国家工程图学教育指导委员会已经将“应用绘图软件绘制工程图样及进行三维造型设计的能力”设置为了该课程中重要的一项课程教学任务，同时还将计算机造型技术的基本原理以及操作技术列为了工程图学教学的基础。

在长期的教学改革实践过程中，二维计算机绘图在工程图学教学的融合已经取得了长足的进展，因此在教学实践中逐步的摸索出将三维造型技术融合到工程图学的教学中已经成为了目前工程图学与计算机技术结合的一个重要的课题。本文重点针对工程图学课程与三维造型技术的融合进行了探讨。

一、融合式教学模式

大量的教学研究表明：在教学的内容设计以及教学方法的体系设计上二维工程图样与三维造型存在很多的相容性，而且两者的一致性也比较高，现代计算机技术的飞速发展使得三维造型设计的有了强大的工具[1]。但是就目前的教学内容来看，三维造型设计短期内不会完全取代二维工程图样设计，两者之间应该进行更好的融合。所以在工程图学的教学过程中应该不断的摸索将二者相融合的教学新方法和途径，这是目前工程图学教学的重要任务之一。

（一）教学改革思路

工程制图教学以及三维创新设计教学都是针对学生进行的综合素质的培养，因此，在教学实践中不能仅仅将两者当成是教学的一种工具。工程制图与三维造型设计在内容体系设计以及教学方法的结构组成上有很高的一致性。工程制图的主要内容就是利用二维图样通过适宜的投影方法（一般为正投影法）表达三维立体，在这个过程中一般首先针对三维立体通过分解与综合对三维立体进行了形体分析，然后采用分类的方法将三维立体的平面以及曲面立体进行分析，然后从特殊的点、线、面等方式对三维立体进行描述。而在图样的阅读和理解过程中，采用了对图样进行从分解到综合的过程，注重主要矛盾的处理，在工程制图的整个过程中始终贯穿这样的教学方法。在整个绘图和读图过程的训练过程中，由于空间思维能力的不足，很多同学都会感到抽象和难以接受，这成为了本门课程难学的主要因素之一。

三维造型设计与工程图学课程的研究对象是一致的，都是研究物体的三维造型与表达。而且三维设计软件的设计思想与工程图学的教学思路是吻合的，都是通过对三维实体的分解、分类和归纳后将各个不同的部分进行设计和表达，三维造型软件的立体模型建立主体思想仍然要采用相同的方法，这为本课题的研究打下了基础。

（二）软件的选择

目前在三维造型设计软件开发中有多种多样的软件类型，但是不同的软件其功能实现的能力会有强弱之分，无论是哪一种软件，都能够对在三维实体模型建立、虚拟实体装配、工程图生成等几个方面的工程图教学起到非常积极的作用。Solidworks软件虽然也存在一些不足之处，但是具有界面友好、展示性强、入门简单、行业应用广泛等优点，因此非常有利于在有限的教学时间内针对学生开展三维形体表达中分析问题以及解决问题的思路培养。因此文章主要使用的三维造型设计软件是Solidworks软件。

（三）软件的融入

在工程制图的教学过程中，选择合适的时机融入三维造型软件非常重要，因此适时的融入三维设计不但有助于学生更轻松的学习工程图学课程中的基础知识，更能加快培养学生的空间思维能力，同时对学生理解三维造型设计软件的建模思想和建模流程也大有裨益。

从比较简单的基本体造型开始就引入三维造型软件，在这个过程中主要以造型展示为主，将三维造型软件与基本的立体知识点相吻合，比如截交线、相贯线等环节可以通过课堂演示让学生大概了解三维造型软件的基本功能，最后辅助必要的课下软件操作练习让学生初步掌握这些三维造型方法。对结构比较复杂的立体三维造型设计仍然采用工程制图中组合体读画图中使用的基本的形体分析法与线面分析法，从简单到复杂，从基本体到组合体，足部完成造型设计。通过对Solidworks软件的学习，逐步掌握基本的设计工具、工作界面、工作草图、特征生成等基本概念与操作，对软件的三维设计思想有了一个比较熟练的掌握，对其基本的造型思路而有了基本的了解。根据上述分析，选择在基本体章节引入三维造型软件在组合体章节深化与融入三维造型软件，会产生比较好的教学效果。

（四）教学安排

随着计算机技术的不断普及，多数的学生对计算机技术以及计算机软件的学习能力都得到了很大的提升，因此当学生对三维造型设计的中心思想以及三维造型设计软件的工作界面有了熟练的掌握后，通过教学过程中对三维实际案例的联系操作，很快就能够达到熟练掌握三维造型软件基本的功能实现，同时也能够使用三维造型软件展开对简单三维实体的三维造型设计。一般工程图课程分为制图基础知识、投影基础、基本立体投影、轴测图、组合体、机件的表达方法、标准件与常用件、零件图、装配图等内容。教学内容多且任务重，所以在引入三维设计软件的过程中就要把握好其目的和意义。在本门课程中引入三维设计软件的目的是辅助学习图学知识培养学生的空间想象力，而不是学习三维设计软件本身，因此在课堂中要将软件充分的融入到课程本身，而不能把两者分离。在基本立体投影部分首先用1学时讲解软件的基本建模思路，了解草图、特征、基准面、约束等基本概念与功能。在平面立体部分融入“拉伸”和“拉伸去除”操作的讲解，并利用这些功能让学生体验截交线的形成过程。在曲面立体部分着重讲解“旋转”、 “扫描”和“放样”的相关操作。本部分三维设计软件的单独讲授课时为3学时，融合展示合计课时为1.5学时，课下练习学时为4学时。在组合体部分主要通过课内展示，让学生在学习图学基本知识的同时加深对三维造型软件的理解与练习，学会复杂立体的建模思路，课后作业中要求对典型的作业立体完成三维建模，课内合计讲授学时2学时，练习学时4学时。在后续的章节中为了不影响制图课程的雪休效果，课内软件讲授学时控制在2学时以内，练习学时一般为2-4学时。从上面的分析可以可出，本文所提出的融合式教学仍然以图学课程的学习为主，而对于三维造新软件的学习采取“少讲多练”的模式，这样就实现了将三维造型设计很好的融入到了工程图教学课程中，同時也保持了整体教学课程的完整性。

二、融合式教学模式的效果

（一）提高了学生参与感，促进了空间思维能力培养

三维造型设计的学习与基本体的投影学习以及形体分析法的学习同步进行，这弥补了学生在本阶段的学习过程中空间思维能力不足的缺陷。因此这一阶段的软件学习，学生会有比较强烈的兴趣，同时这种兴趣会反哺学生对同学知识的学习与理解。进一步通过组合体的三维造型建模，这对读画图以及三维软件的深入学习都有较大的帮助。在掌握了三维造型设计软件基本功能的基础上，学生可以在图学作业练习过程中将一些感兴趣的实体模型进行三维建模，这有效降低了作业的错误率，与此同时也起到了二维图样与三维造型设计相联系的作用，这对培养学生的空间思维能力大有裨益。不仅如此，学生在建模过程中遇到困难会及时与同学讨论或与老师交流，大大增加了学生在本课程中的参与感，充分调动了学生学习的积极性与主动性，这对图学课程教学质量的提高起到了关键作用。

（二）强化了特征视图的理解，夯实了图学基础

三维造型设计软件的基本功能主要包括拉伸、旋转扫描、放样，这在本质上是与工程制图中的特征视图概念相类似的[2]。而三维造型设计的第一步就是建立起二维的草图，这个过程中的二维草图的建立过程就是特征视图的辨别与绘制过程。在工程图样的绘制和读图过程中抓住特征视图是关键，再结合实际三维实体的投影关系，综合想象出三维立体的造型。而三维造型设计的主要思路就是针对建立的平面二维草图和特征视图进行绘制，然后将已经分解为几个部分的立体图形通过不同的组合方式进行造型。由此可见，三维造型设计的过程就是人们在进行画图和读图时的思维方式的具体表现，通过三维造型设计软件的学习使得学生对特征视图有了更深刻的认识和更准确的判断，这对画图和读图能力的培养至关重要。

（三）以约束概念为指导，增强了对尺寸标注理解

尺寸标注是图样中的重要内容，而且该部分内容与工程实际密切相关，由于学生缺乏工程经验，学生对尺寸标注内容的掌握是本门课程中的重要难题。虽然在教学的过程中教师反复强调尺寸标注的注意事项，比如尺寸标注不能重复、间接尺寸不需要标注等等，但是学生对于这些注意事项的原因并没有太深刻的认识，造成这部分内容屡教屡错的现象频繁发生。学生只有通过死记硬背才能记住尺寸标注的细节，学生考试时尺寸标注的成绩明显不高，在后续课程设计甚至走向工作岗位后在尺寸标注方面也是错误频出。对于工程图样中尺寸标注其实是一个不断积累从而形成良好习惯，由于学生对实际工艺加工知识的缺乏使得在尺寸标注的环节不能形成很好的习惯。而在进行三维造型设计的过程中，通过对工程图形进行位置以及尺寸的约束，就可以实现对草图的精确绘制，如果出现了类似“尺寸重复标注”等问题草图就会出现 “过约束”而导致建模失败。这种针对图形的约束概念的引入使得学生对工程图尺寸标注的规定有了更加深刻和直观的认知和理解。通过教学实践发现，引入三维造型环节后，学生在作业和考试中尺寸标注的错误明显下降，这有利于良好尺寸标注习惯的养成。

（四）促进了学生工程意识的培养

在工程制图课程不断的深入过程中，学生会逐渐的接触到螺纹紧固件、零件图、装配图等更加复杂的图样画法，在这些图形的测绘以及三维造型过程中，通过对复杂图形的三维造型、渲染、装配过程中的技巧使用以及工程图的生成等课程的教学，并通过后期自学，利用三维造型设计软件来进行装配图形的检测以及实现装配图的动画设计等过程，可以让学生对工程装配实体的工作原理以及操作过程有一个直观的认识，这在一定程度上也实现了三维造型设计、工程图学课程、工程测绘以及工程实际的有机融合，将三维造型设计软件使用与图学理论知识以及实践相结合，这对学生建立起初步的工程意识大有益处[3]。

三、结束语

上述可知，在工程制图的教学过程中有机的融合计算机三维造型环节，能够使得工程制图课程与计算机绘图技术实现相互促进，这种融合式的教学模式在实际的教学过程中体现出良好的教学效果，主要表现在学生图学基本读图绘图能力、空间思维能力、工程意识及实践能力的培养方面。特别是对学生实践能力和工程意识的培养发挥着显著的积极作用，在注重学生工程实践能力与创新意识培养的今天，此类教学改革具有重要的现实意义。而然，在进行新教学模式的改革过程中授课教师需要走出教学的舒适区，尝试将知识进行融合与重构这对教师的专业水平、教学组织能力都提出了新的挑战。

参考文獻：

[1]张京英，罗会甫，张彤，等.三维造型设计与工程图学的有效融合[J].工程图学学报，2010，31（06）：151-154.

[2]邓启超.与三维造型技术相融合的《工程图学》课程体系设计与实践[J].安庆师范学院学报（自然科学版），2013，19（03）：115-119.

[3]王珉，张宗波，伊鹏，等.以图学能力内化为中心的效果导向型教学模式探索与实践[J].工程图学学报，2016，37（04）：567-572.

[4]王飞.以三维设计为中心的图学课程改革[A].第十四届全国图学教育研讨会暨第六届制图CAI课件演示交流会论文集（上册）[C].2004：266-270.

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