关于在机械制图课程中引入共享虚拟模型库的教学探讨

王文静，董玉德，段国奇

（合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥230009）

关于在机械制图课程中引入共享虚拟模型库的教学探讨

王文静，董玉德，段国奇

（合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥230009）

本文探讨了《机械制图》课程教学方法，从教学过程中的几个难点出发，利用三维CAD软件建立虚拟模型库，改变传统教学模式，把先进的计算机辅助教学方法融入到传统的课程中去，增强了学生的感性认识，生动、形象地将大量资源库展示给学生，培养和发展了学生的观察力和想象力，并且实现了资源共享，体现了模型库带来的教学优越性。

机械制图；三维模型库；SolidWorks；教学；

制图课程是工科院校普遍开设的专业基础课程。课程定位在培养学生的空间想象能力、图形表达能力和计算机绘图能力。制图教学的关键是投影概念的建立，在长期的工程制图教学工作中，发现学生对机械制图的学习有两个突出的难点：一是立体图形转化为平面图形，二是平面图形转化为立体图形。解决这些问题均需较好的空间想象能力。传统的教学模式是借助于实物模型或挂图，学生仍难以突破难点，且学习兴趣不高。为了克服这些难点，我们利用合肥工业大学数字化设计与制造研究中心建设的机械设计开放式教学平台，实验尝试了用三维CAD软件Solidworks来建立共享虚拟模型系统，利用三维软件和计算机辅助教学技术CAI相结合，使得整个制图教学过程生动形象，教学内容直观，并增强交互性，同时也为课程的教学改革提供了技术手段。

一、建立共享虚拟模型库的目的

模型是机械制图教学中不可缺少的工具，它可以帮助学生理解教学的内容，对培养学生的空间想象能力，提高学生识图的能力都起了非常重要的作用。现在有不少的学校还在延续传统的教学方法，仍然用实物模型作为教学工具，这些模型体积大，不易携带，模型种类也有限，这些缺陷制约着制图教学的发展，学时量不断增加，教师讲得口干舌燥，但效果不显著。随着三维CAD软件的发展，我们在此平台上开发了虚拟模型库对制图教学进行补偿并丰富传统的实物模型。虚拟模型库，就是用三维CAD软件技术在计算机上建立形体的三维几何模型库，在组合体的教学中，用三维CAD虚拟模型使得原本枯燥的机械制图课程形象生动起来，使学生对一些抽象的概念通过三维实体模型获得大量的感性认识，激发学生的学习兴趣。

二、建设虚拟模型库的方法

本虚拟模型库采用Solidworks软件制作，用计算机虚拟模型取代传统教学实物模型。Solidworks是由美国Solidworks公司推出的功能强大的三维机械设计软件系统，以其易用性、创造性成为领先的、主流的三维CAD解决方案。具有面向对象的参数特征，因此，非常适合教学需要。具体实施办法为：

（一）构筑制图课程的教学体系，建设虚拟模型结构图

本课程在教学模式上采用主线式课程体系，由体到面，同时贯穿二维和三维并重的思想。如图1所示，以三维造型技术为主线，以二维制图基本投影为辅，融合基础投影理论，课程自始至终贯穿着模型的空间立体与平面图形相互转化的思维训练。[1]

图1 课程教学体系

模型室的结构如图2所示，将模型按特征组合，以便备课使用，同时也可以提供给学生自主学习。在教学过程中，教师可以根据教学需要分组设计不同的教学任务，每组学生根据自己的教学任务要求，从素材库中调用零件模型，借助三维CAD软件提供的测绘与装配功能进行零件建模以及装配体建模，然后利用Solidworks软件的工程图功能进行零件模型和装配体模型的二维平面图的绘制。这种以虚拟环境为背景的教学模式，有利于激发学习者的观察力、发现力、想象力、逻辑联想力，有利于认知思维深化与发展，增强了培养分析与工程能力的力度，开阔了学生的视野，极大提高了学习的趣味性与教学效率。[2][3]

图2 三维造型模型库结构图

（二）零件模型设计

复杂的零件都是以简单的零件建模为基础的，而零件建模的基本组成单元则是特征，主要包括草图特征、放置特征、定位特征。草图特征是从草图几何图素创建的特征，如拉伸、旋转等；放置特征是指不用绘制草图，直接指定参数后确定其在零件中的位置即可创建特征，如各种孔、圆角、倒角、拔模、螺纹、阵列、镜像等；定位特征是指辅助定位新特征，如基准面、基准轴和点等基本几何元素，这些几何元素可作为其他几何体构建时的参照物，在创建零件的一般特征、曲面、零件的剖面以及装配中起着重要作用。

（三）装配模型设计

装配建模是利用solidworks软件将三维零件模型调入到装配环境，然后定义零件间的配合关系，进而来模拟实际装配过程。装配体模型设计分为自底向上和自上向下两种设计方法或配合以上两种方法产生装配体。

自底向上的装配方法主要是由已设计好各个零件、按各零件在装配模型中的位置及配合要求直接装配成符合设计意图的设计模型的设计方法。各零件在装配设计之前，设计者已有一个明确的设计思路，零件的尺寸大小、结构形式、各零件之间的连接与定位方式已经完全确定。设计者可将已设计好的零件运用“插入/零部件/现有零件/装配体”命令，将此零件插入到装配体模块中，并添加相关有效的配合关系，使零件在装配模型中处于一个正确的位置。

自上向下的装配方法是直接在装配模型中利用已有零件的点、边线或面等几何要素，根据设计思路，在现有零件的面或基准面上创建零件草图，从而根据零件的结构特点，选用合适的零件设计方法，在装配图中直接创建新的零件设计方法。

三、三维虚拟模型库在教学中的应用实例

传统教学侧重于二维制图，教学规律“面体面”，这要求学生必须具备一定空间思维能力，对于初学者来说，很难通过二维视图在脑海中清晰地勾勒出三维形体，若在教学中引入三维虚拟模型，强化三维造型形成二维视图的过程，上面的问题也就迎刃而解了，即教学规律调整为“体面体”。

（一）组合体视图中的应用

读组合体视图是制图教学的重点和难点，教学中采用形体分析法和线面分析法，要求学生积极思考，充分想像，在头脑中形成空间点、线、面，综合起来想清楚组合体的整体形状和各部分连接关系。教学中常常用切萝卜、捏橡皮泥的方法来制作实物形体，帮助学生提高空间想像能力。但这种方法适用于简单形体，对于如图3所示的复杂形体，根本制作不出来，而借助SolidWorks软件构建的模型，不管形体有多复杂，都能让学生直观地看出复杂的形体也是由一些圆柱体、长方体、圆锥体、孔等简单的形体组成，如图4所示。此外，还能利用SolidWorks强大的编辑功能改变组合体的位置和尺寸，来观察相贯线的变化趋势，如图5所示。利用三维CAD软件制作的虚拟模型，能表达组合体的组合形式，各个面、线的实际形状以及各部分的连接关系并且能进行实时动态旋转变换和视图定向，如图6所示。使学生看清重点部分或细小结构的形状，让他们自己分析各个视图的形状特征，逐步增加他们对视图中线和框的感性认识，帮助学生实现了从空间到平面、从平面到立体的转换，激发了学生的空间想像能力，帮助学生应用线面分析法和形体分析法独立分析视图、读懂视图。[4][5]因此，学生觉得制图课比以前生动了许多，容易了许多，学习兴趣也提高了。

（二）剖视图中的应用

剖视图是机件的另一种表达方法，主要表达机件内部的孔、槽。剖视图的形成是假想用剖切面剖开机件的，学生很难理解“假想”，弄不清剖视图的形成过程、剖切平面的剖切位置，不知道哪些实体被剖切平面剖切，哪些地方要画剖面线。例如，溢流阀主阀的内部结构，仅仅依赖于投影原理去想象内部结构，是抽象的模糊的。如果我们将三维CAD制作的溢流阀主阀模型从模型库中抽调出来，如图4和图5，便能很好将三维模型展示，以帮助学生建立空间立体思维能力。[6]

使用SolidWorks软件的剖切工具对零件模型选择不同的位置进行“剖切”，如图5和图7，分析剖切位置对剖视图画法的影响，从而加深对剖视图画法的认识，同时还可以将零件模型生成工程图，然后利用工程图工具编辑，画出相应的剖切线，生成各种剖视图。使用这样的功能，对教师讲课和学生学习有很大的帮助，不用费很多课时就能很好地完成教学任务，达到事半功倍的效果。

图3：溢流阀主阀

图4：溢流阀主阀体模型

图5：相贯线的变化图

图7：溢流阀不同位置剖视图

（三）装配图中的应用

装配图表示产品及其组成部分的连接、装配关系的图样。机器或部件是由若干个零件按照一定的装配关系和技术要求装配而成的。装配图是进行零件设计的依据，也是装配、安装、调试、检验及其或部件的依据，是工程技术人员间进行设计思想交流和生产过程中的重要技术文件。装配图的教学更显得困难，学生缺乏实际经验，对装配图的结构、工作原理、零件间的装配、连接关系及主要零件的结构形状都缺少感性认识，教师总是在课堂上机械地讲解装配图，学生没有体验，接受难度大。SolidWorks强大的装配模块，把多个制作好的三维实体零件进行模拟装配。通过爆炸视图，学生可了解到机械产品的零件组成情况、各零部件之间的装配关系以及装配体的结构。[8]此外，通过产品的运动模拟，学生可了解到机械零件的机构运动和工作原理，如图8所示。

四、结束语

把三维软件SolidWorks制作的共享虚拟模型库应用到机械制图课程的教学中，使制图教学与学科发展的前沿相结合，教学的方法、手段、内容能反映学科的最新发展趋势。教学手段的进步促进了学生多角度思维的融合，培养学生发散性和创造性思维的能力，更重要的是调动了学生学习的主动性和积极性。主要体现在：

1、机械制图虚拟模型库，可以利用各种存储介质保存和携带，在使用中可以取代实物模型，在教学中获得良好的视觉效果。

2、可以方便修改教学模型，及时补充符合新教学内容的模型。针对不同的教学对象、教学要求调整现有的模型，充分满足教学中对模型种类及数量的需要，节省了实物模型保管所需要的空间，可以达到资源共享，降低了教学成本。

3、利用先进的三维设计技术创建的模型不仅精度高、质感好、形象逼真、色彩丰富，还能将复杂形体的外型与内腔、相贯体中相贯线的变化趋势、装配体中零件之间的连接关系充分地展示出来．加上动画效果，使教学中的知识难点更加清晰、生动、形象。

4、机械制图共享虚拟模型库可以不受时空限制使用在网络教学当中。模型库中收集了大量典型零、部件的三维模型与二维工程视图，采用了不同的表达方法。虚拟模型库可以改变传统教学的单调模式，转变教学观念，以学生为中心，激发学生的学习兴趣让学生由“见多”到“识广”的转变，有助于学生从被动学习变为主动学习，从而提高学习效率。[9]

5、虚拟模型库实现了资源共享的开放式教学模式，促进了教师教学水平和自身价值的提升。

[1]祝永健.基于Solidworks的机械制图教学改进与应用[J].高教研究，2005，（23）:27-28.

[2]吴欣，徐建成，葛文庆.工程制图中教学难点的“体验教学”设计[J].工程图学报,2008，(6)：139-143.

[3]段丽玮，刘苏.从大处着眼，从小处着手——谈非机械类工程图学教学改革[J].工程图学报，2008，（6）:127-132.

[4]万静，谢杨，和丽等.工程制图虚拟模型室的建立和应用[J].工程图学报，2008，（4）:150-154.

[5]赵菊娣，国成林等.工程制图虚拟模型室的开发与研究[J].机械设计与制造，2005，（5）：114-116.

[6]詹才浩.Solidworks应用教程[M].北京：清华大学出版社。2008，8.

[7]贺健琪.基于Solidworks开发机械制图虚拟模型库[J].电脑开发与应用2008，(12):69-70.

[8]基于三维CAD技术的高职《机械制图》教学研究[J].常州信息职业技术学院学报2008，(4):57-59.

[9]江洪，吉维峰，运用三维绘图软件SolidWorks改革工程图学教学的实践[J].工程图学学报，2004，(1):109-113.

G712

A

1671-5993（2011）01-0072-04

2011-03-03

王文静(1970-)，女，安徽铜陵人，合肥工业大学在职研究生，安徽医学高等专科学校讲师，主要研究方向为机械原理与机械制图CAD。