虚拟模型库在《工程制图》教学中的应用

杨小平

(甘肃农业大学 机电工程学院，甘肃 兰州 730070)

0 引言

《工程制图》是工科专业学生必修的一门专业基础课程，它对后续专业课程的学习有着直接的影响[1].随着招生规模的不断扩大，学生的整体素质存在逐渐降低的现象，还有教学改革伴随的学时量减少等都对《工程制图》教学提出了严峻挑战，许多学生在该门课程的学习中存在困难.为了提高教学质量，教师在上课时采取了很多办法，如传统的挂图和实物模型、如今的计算机绘图等，这些方法能够增强学生的感性认识，有助于学生的课程学习，但同时存在一定的不足.传统的挂图和实物模型有着成本高、携带困难、数量有限以及与教材不一致等缺点，单一的计算机绘图因为没有形成体系也已不能满足现代教学的需求[2].

随着科技的发展，计算机技术普遍应用到课堂教学，应用计算机辅助设计软件建立三维虚拟模型库，开发之后可以作为教学资源应用到《工程制图》教学中，既丰富了多媒体教学手段，也能帮助学生能更好地掌握该门课程的学习.

1 虚拟模型库的设计

本文根据高等教育出版社《工程制图》教材内容建立的虚拟模型库包括了教材配套模型库(基本形体、组合体、机件表达方法、标准件等)、习题集配套模型库和测绘配套模型库，涉及教学内容中的全部模型.利用计算机软件制作的虚拟模型，既实现了三维实体展示和动态仿真，又能够实现二维图形的表达，便于教师和学生使用，不受时间和空间限制[3-5]，模型库结构如图1所示.

图1 模型库结构图

2 虚拟模型库的建立

2.1 用SolidWorks软件建立虚拟模型库

目前计算机绘图软件较多，主要有Pro/E、CAXA、UG、SolidWorks 等，本文以SolidWorks 2018为例建立《工程制图》虚拟模型库.用SolidWorks软件的拉伸、镜像、旋转、倒角等功能绘制出基本实体模型，通过修改尺寸生成新的虚拟模型，建立的虚拟模型实体及分解图如图2所示.

图2 轴承座虚拟模型实体及分解图

2.2 生成二维视图

用SolidWorks软件建立的虚拟模型能直接生成二维视图，包括三视图、局部视图、剖视图和轴测图等，在生成的视图中可标注尺寸.由于模型和视图是相互关联的，可通过修改两者中的任意一个尺寸得到新的三维模型和视图，生成的三视图(如图3所示).

图3 轴承座三视图

2.3 模型的动态仿真

在教学过程中，保存模型文件为*.eprt 格式，用EDrawings 软件直接打开，通过设置动画路径，仿真虚拟模型动态，或者旋转、缩放等全方位展示机件的结构；亦可通过横断面工具对机件进行剖切，展示机件的复杂内部结构，如阶梯孔的交线等[6-10].EDarwings 工作界面如图4所示.

图4 EDarwings工作界面

2.4 学习平台的构建

《工程制图》虚拟模型库学习平台采用Dreamweaver 软件来搭建.主界面根据教材内容设置了立体教材、实践教学、电子资源和教学录像等模块，方便学生学习，虚拟学习平台如图5所示.

图5 学习平台首页

3 虚拟模型库应用于《工程制图》课程教学的优势

3.1 模型制作方便，图样更丰富

虚拟模型可以采用不同材质显示，通过鼠标实现平移、转动和缩放，如同实物展示一样具有很强的视觉效果，操作过程也非常简便.对于结构比较复杂的形体采用旋转剖、半剖或者全剖的方式，加上一些动画效果，展示出形体的内部结构，使原本抽象难懂的模型结构变得更简单、形象.虚拟模型还可以根据教学计划的修订及时调整，对不同的教学内容选用不同的模型，使教学更具有针对性.

3.2 便于学生预习和复习

随着《工程制图》课程教学计划的不断修订，教学理论学时不断压缩，但课程的核心教学内容又不能减少.多媒体教学节约了课堂绘图时间，教学的信息量也随着增大，这对学生的学习接受能力提出了严峻的考验.通过虚拟模型库的学习，学生可以做好课前预习和课后复习，当复习中遇到疑难点时，学生利用模型库中的模型，通过虚拟实验，增强感官认识，加深理解，从而解决问题.《工程制图》教学中，把虚拟模型库与网络技术结合起来，拉近了教与学两个重要环节的距离，突破了传统教学方法在时间和空间上的限制，是网络时代优越性的完美体现.虚拟实验如图6所示.

图6 虚拟实验

3.3 携带方便，成本低廉

虚拟模型库建成后教师携带方便，内容更丰富，当教学计划和教学内容发生变化时，只要对其进行更新即可.与传统的实物模型库相比，虚拟模型库减少了储藏和管理环节，既方便了教学又降低了教学成本.

3.4 有助于实践教学

目前，实践教学已然成为现代高校教育改革的重点之一，教学中的各种技能大赛非常普遍，《工程制图》课程的学习有助于工科学生实践技能的培养.大部分工科学生都需要参与拆装和测绘实践环节的培养训练，传统教学过程往往受到模型品种不全及数量不足的限制，很大程度上影响了实践的教学效果.应用虚拟模型库，教师可以在机房指导学生利用三维软件提供的功能对模型进行拆装和测量，再利用二维绘图软件完成零件图和装配图的绘制，并修改相应的线型尺寸，得到理想图形，既提高了学生的计算机绘图水平，又节约了教学资源.待学生掌握基本技能和测量方法后，再引导学生进行实物拆装和测绘.试验表明，这种模式灵活方便，能充分调动学生积极性，使学生对这门课程产生浓厚的兴趣，变被动接受为主动学习.

4 结束语

《工程制图》虚拟模型库的开发，解决了传统教学中的不足，把原本抽象难懂的模型结构变得简单、直观、通俗易懂，减轻了教师的辅导工作量，增强了学生的空间想象力和绘图能力，提高了学生的学习兴趣.由于学习平台的构建需要强有力的网络系统支持，所以虚拟模型库也要根据教材内容不断完善.