工程制圖教學中三維CAD技術的應用
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教育部“卓越工程師教育培養計劃”的三個特點是：行業企業深度參與培養過程;學校按通用標準和行業標準培養工程人才;強化培養學生的工程能力和創新能力。在工程師的培養過程中，《工程制圖》是最重要的基礎之一，課程的主要目標是培養學生四種能力，即：空間想象能力、繪制和閱讀工程圖樣能力和計算機繪圖能力。作為工科院校的基礎課程，隨著市場需求和信息技術的發展，對工程制圖的教學提出了許多挑戰，例如：工程制圖教學與市場需求結合面臨的難題是什么?傳統的工程制圖教學效率如何提高?如何將傳統制圖理論與全新制圖軟件相結合等等。
一、三維模型庫對工程制圖教學的影響
教學模型作為教學手段的重要組成部分，在幫助學生形象地理解教學內容的過程中，發揮著積極的輔助教學的作用。工程制圖作為機械類專業的重要專業基礎課，也作為工藝類學生的一門必修課，無論是在課堂教學還是在課后作業，都需要大量使用教學模型，以增加學生的感性認識，最終達到空間思維能力的培養。
傳統的教學模型因其制造成本高、數量有限、容易損壞、不便攜帶、不能修改等缺點，已經不能或不足以滿足現代教學的需要。因此，應用計算機軟件結合多媒體技術建立基于三維CAD技術的虛擬模型庫，不僅精度高、質感好、形象逼真、色彩豐富，還能將復雜形體的外型與內腔、相貫體中相貫線的變化趨勢、裝配體中零件之間的連接關系充分地展示出來，加上動畫渲染等效果，使教學中的知識點更加清晰、生動、形象[1]。
在工程制圖的學習過程中，閱讀、分析、比較典型的工程圖樣，對提高讀圖能力、開闊視野、積累經驗、提高對機械零件的表達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生理解學習中的難點、重點，模型庫可以改變傳統教學的單調模式，有助于學生從被動學習變為主動學習，從而提高學習效率。
學習工程制圖課程的最大障礙是空間思維能力的不足，而計算機可以作為輔助空間思維的有效工具。學習初期，對于難以想象空間形狀的投影圖，可以應用軟件工具在課堂上現場造型，實時顯示，將二維到三維的空間思維視覺化。同時，在造型過程中，強化學生對形體尺寸(定形尺寸、定位尺寸)的理解，學習造型的技巧和技能，通過構型訓練，既掌握了三維設計表達的技能，又了解了現代工程設計的理想形式，同時對培養專業興趣、拓寬知識也起到了積極的作用。
二、三維模型在工程制圖教學中的應用
SolidWorks是基于Windows平臺的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系統，是三維實體特征建模軟件系統，有零件、裝配體和工程圖三個模塊，能夠實現自三維實體模型到二維工程圖的直接轉換，主要特點有[2]：
(1)采用基于特征的參數化三維實體建模，能方便、快捷地創建任意復雜實體模型，并且利用設計樹回放功能可以隨時瀏覽實體生成過程。
(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計表功能，大大節約造型時間。
(3)在裝配環境下可以對零件進行智能化裝配，并可以方便的生成裝配體的動畫爆炸，模擬組裝過程，使裝配關系完整清晰地表達出來。
(4)三維模型自動轉換生成二維工程圖，工程圖是全相關的，當修改圖紙時，三維模型、各個視圖、裝配體都會自動更新。
(一)三維模型在組合體視圖讀圖中的應用
組合體視圖的繪制和閱讀是工程制圖教學的重點，也是教學的難點。它不僅是對點、線、面知識的集合，對后面零件圖和裝配圖的學習起著承上啟下作用。
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，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、線、面的投影特性及投影規律，且要求學生的思考能夠與教師的步驟協調，圖1展示了已知主視圖和俯視圖要求補畫左視圖的讀圖過程。利用SolidWorks設計樹回放功能可以反復比較，有效地激發老師與學生的互動。
(二)三維模型在裝配圖中的應用
裝配圖該怎么教?對沒有實際經驗的學生而言，他們對裝配圖的結構、工作原理、零件間的連接關系及主要零部件的結構形狀都缺少感性認識，在課堂上教師拿幾張幻燈講解裝配圖，或者只拿一個實物小模型拆裝，雖說可以達到一定目的，但效果有限。SolidWorks具有強大的裝配模塊，利用自下而上的裝配設計方案，把已經制作好的三維零件進行模擬裝配，學生可了解到機器或部件的組成情況、各零部件之間的裝配關系等等。通過裝配，可以進一步對裝配體進行干涉檢查，發現結構設計是否合理等。制作爆炸視圖，通過動畫播放來模擬零部件裝拆的先后順序。此外，通過運動模擬，學生可了解到機械零件的機構運動和工作原理。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，通過對顯示器中的三維動態顯示觀察，可以隨時修改參數進行交互。教師在教學過程中采用三維CAD繪圖軟件，根據具體情況，增補一些典型例題和習題，分步講解，學生不僅可以學習作圖過程，還可以對軟件有更直接的認識。三維CAD的教學不僅強化了學生的空間概念，更強化了理論聯系實際。這種教學過程生動有趣，過程緊湊，既啟發了學生的思維活躍性，又激發了學生學習興趣[3]。
三、三維模型和二維視圖的相關性
三維CAD技術的飛速發展和應用的日益普及，使人們的思維方式和工作方式發生了巨大的變化。現在工程設計常用的三維建模軟件眾多，如3DS Max、ProE、UG、SolidWorks、SolidEdge、MDT等，它們都具有很強的三維模型設計功能，并且已經實現了三維模型與二維圖紙之間的雙向關聯，給工程制圖教學提供了非常優秀的造型工具[4]。
SolidWorks的三維模型可以自動生成精確的二維工程圖紙，除六個基本視圖外，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要求注釋。SolidWorks的二維視圖和三維模型之間的雙向關聯功能使模型形狀和尺寸的編輯更加容易，在設計過程中更改任一二維視圖的尺寸，會導致三維實體和所有的二維視圖自動更新，將2D繪圖與3D造型技術融為一體。
將Solidworks軟件應用于工程制圖教學起到了很好的積極效果，但是也應注意防止產生負面作用。如果過分依賴三維模型，與學習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教學直觀性、啟發性、提高感性認識的措施，不能因此削弱基本概念、基本方法等教學環節，習題模型的發布要注意時間節點把握。SolidWorks在工程制圖中的應用作為一種教學內容和方法的改革，還有待完善。
總之，從三維模型入手進行工程制圖課程教學，是對工程制圖教學體系的全新的設計，它更符合人們進行空間構思的思維方式，通過三維模型的表達，使教學內容更加形象生動，增加了課堂容量，提高了學生形象思維的能力，三維CAD技術在教學中的應用一定會起到非常好的作用。
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