Inventor在机械制图课程教学改革中的应用

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(1.重庆电力高等专科学校，重庆 400053；2.华润电力(宜昌)有限公司，湖北 宜昌 443000)

机械制图课程是大学工科学生接受工程训练的第一门专业基础课，通过运用正投影法来分析、表达工程问题，主要培养学生对形体的观察能力、空间想象能力以及计算机绘图能力[1-4]。机械制图课程学习过程与生产过程是一致的，设计者运用正投影的原理把设计的三维空间产品表达成二维基础视图；而产品生产者需要根据拿到的二维基础视图想象出产品的三维形状，最后根据尺寸和三维空间形状加工出产品来。这种二维基础视图与三维实体之间的联系是抽象的[5-6]，所以许多学生都觉得这门课程难学。而截切体、相贯线、组合体以及装配图等内容学习起来更难。如何能在较短的时间里，合理地优化教学方法，高效地培养学生的读图能力、绘图能力、空间表达和想象能力，这就需要在制图教学中大胆尝试创新。本文是机械制图课程教学中改革新尝试，介绍了应用Autodesk Inventor三维设计软件在机械制图中辅助教学实践，将以前的静态化教学变为动态化教学，这种教学模式具有明显的优势。

1 Autodesk Inventor简介

随着电子计算机的不断发展，各种二维和三维设计建模软件越来越多，功能也越来越强大[3]。以往的机械制图课程一般都会给学生讲授Autodesk CAD二维绘图软件，近年来Autodesk公司最新推出了三维参数化实体设计软件Autodesk Inventor 9[6]。该软件与CAD同由Autodesk公司开发，具有很多共通性及兼容性，是最受欢迎的三维设计软件，也是汽车设计、机械制造等工程领域设计软件之一，更是全国职业院校计算机技能大赛中工业产品设计(CAD)项目的指定软件。该软件主要包含零件造型、钣金、装配、表达视图、工程图5个模块。在零件造型中，可以首先通过几何特征新建二维草图，然后进行相应的立体造型(拉伸、旋转等)得到零件；在装配部件环境中，可以将完成造型的零件调入部件环境，并添加装配约束，得到装配部件；在表达视图环境中，可以自定义部件的爆炸视图，模拟装配过程(也可生成视频)；在工程图环境中，可以创建零部件的多种基本视图与轴测图等。

2 开拓机械制图教学创新性

2.1 模型不再是死的，可以动起来，就像玩拼图

传统教学过程主要通过挂图、PPT以及实物模型来实现抽象思维向形象思维的过渡。由于在这些模型中各个零件是“死”的，不能充分展示形体的位置关系和内部结构。利用Inventor软件的三维建模功能[7]，能够清楚地将各个形体之间的位置关系与内部形状表达出来，如图1所示。这样能有效降低学习难度，让学生理解起来也特别轻松。

图1 组合体形体分析

2.2 三维数值模型造型越来越生动，立体感强

二维三视图可以较完整地呈现出零件各部分的形状，但这种图样直观性差，如图2所示；三维数字模型能同时反映形体长、宽、高3个方向的形状，具有立体感强，形象直观的优点。比如：在一些复杂组合体投影的教学中，如果没有比较直观的实体模型，对于空间想象能力差的学生则很难正确理解形体相对位置关系与表面连接关系问题。运用Inventor软件画出1个逼真的三维数值模型，再导出轴测图辅助观察[8]，最后从各个角度观察得到各个方向的基础投影视图，这样易于激发学生的学习兴趣。

图2 组合体投影图

2.3 三维设计把学生的创新性思维展现在丰富多彩的三维图形中

软件建模比实物教模更方便灵活，学生通过Inventor软件可以把二维视图形转换成三维立体模型，而且同学们可以更清楚地理解同一个二维视图形可以通过不同的建模方式得到相同的三维数值模型[9]，但是在三维建模过程应该遵循生产实际过程，采用造型步骤最少，模型数据量最小的最佳建模方式。通过这种造型设计的学习，可以把学生的创新性思维充分展现在丰富多彩的三维建模中。

2.4 数字模型方便教师根据教学内容快捷改动

学生普遍认为机械制图课程抽象、不直观、难学。因此在以往的教学中，教师普遍采用木制三维实体模型等手段将教学内容直观化、形象化，以此来帮助学生理解记忆。然而教学内容不断更新换代，木制模型制作的成本很高，周期也长。Inventor软件采用参数化建模和动态尺寸驱动技术，可以根据教学的需要进行随意更改，方便快捷地展现一个生动逼真的模型[10]。这样既丰富了教学内容，又可大大减少教学模型的成本。如图3所示，教师讲解两圆柱正交相贯的相贯线形状，以及与相贯体的形状、大小和相对位置有关的知识点时，可以通过改变相贯体尺寸，来轻松讲解这一知识点。

图3 两正交圆柱的相贯线随直径变化的情况

3 有效提高教学质量

3.1 便捷、高效地实现“二维-三维-二维”转换的教学

机械制图课程教学从点线面投影开始，到基本体、组合体的投影，最后延伸到装配图等。可以采用“二维-三维-二维”的全新教学顺序，即教会学生了解投影知识和投影规律，能看懂基本体二维三视图，会画基本体二维三视图之后，就可以让学生利用Inventor软件建立三维数字模型来辅助学习后面的内容，比如截切体、组合体等。在教学实践中，学生建立三维数字模型的同时二维视图读图能力也不断得到提高。另外，学生在遇到看不懂的二维视图时，也会主动利用Inventor软件画出三维数字模型来分析形体特征，如图4所示。在教学实践中，笔者发现，用这种从二维平面到三维实体、再从三维实体到二维平面的教学模式，学生识图能力、绘图能力都得到显著提升，对后面的复杂形体投影、零件装配等学习内容的掌握也会相对容易，学生同时也能一直保持浓厚的学习兴趣。

图4 圆管相贯线示意图

3.2 运用视图功能，理解基本视图线框含义

可以利用Inventor提供的多种造型方法和观察功能，在学生面前展现出一个生动的实体模型，根据教学内容的需要可以从各个方向进行投影，方便教师讲解组合体投影、视图表达等知识，显著降低教学难度，如图5所示；同时快速提高学生形体分析能力和表达能力。在教学实践中，学生普遍认为这种教学模式理解起来更轻松。

3.3 利用观察功能，提升对复杂形体的识图能力

形体内部的结构是看不见的，用虚线表示，学生对此较难理解，它往往也是考试的一大难点。我们可以运用Inventor画出物体的剖视图、半剖视图等充分表达形体内部形状，也可以在绘制草图时选择剖切观察功能[11]，将看不到的形体内部结构直接呈现在学生面前，让学生一目了然，并很容易地理解，掌握相关知识，如图6所示。

图5 组合体读图线框分析

图6 阀体半剖视图

3.4 运用投影功能生成二维工程图，增强学生绘图能力

Inventor软件提供的二维工程图功能，就是将建模好的三维实体模型直接生成相对应的二维工程图，可根据教学需要生成基础视图、剖视图和轴测图等多种视图[12]。学生甚至还可以根据三维数字模型从不同视角观察三维实体，生成相对应视角的三视图，并将生成的工程图与自己绘制的工程图进行对照，结合三维立体反复纠错和修改。这样在“做中学”，在“学中做”，学生能增强绘图能力。

3.5 装配爆炸图，辅助学生读懂装配图

Inventor软件的装配关系和生产过程中的装配原理相同，都是通过添加各种装配约束条件来实现装配过程。Inventor软件装配约束条件有配合、角度、相切和插入等[13]。运用软件仿真装配过程各零件间的装配关系、位置关系和装拆过程的装配爆炸图，可以帮助学生较好地理解和学习。我们还可以根据教学需要采用拆装、淡显、剖切等处理[14]，分步骤、动态地展示装配体中各零部件间的运动过程和原理，进一步帮助学生了解装配体各零部件间的工作过程和原理，如图7所示。这样可以让学生看清楚装配体各零部件间的运动过程和原理。整个装配过程也可以录制成其他格式的视频文件，然后做成具有空间立体感的微课。这可以加快学生认知的进程，更好地读懂装配图。

图7 旋塞阀剖切观察示意图

4 提升学生综合能力

4.1 培养学生空间思维能力

为了培养学生从平面到空间或从空间到平面的抽象思维能力，教学中利用Inventor零件图中可以拉伸、旋转、扫掠或放样等特征形成有光、有色的三维立体表达的零部件实体，如图8所示。这可以让学生很轻松地观察到零件生成、组合装配的过程，更清楚零件的位置关系。另外，如果三维建模过程一旦出错，就会有相应错误提示，可以马上根据提示一步步进行修改。教学实践证明，这种以三维建模和二维视图表达相结合的教学模式，既检验了学生二维视图的读图能力，化看图考核于无形，又培养了学生三维建模的空间思维能力，切实提高学生对机械制图课程的学习兴趣，迅速提高读图能力和空间思维能力。

图8 减速器拆装图

4.2 培养学生三维建模能力

Inventor的三维数字模型直观、形象，我们可以利用它做出很多后续专业课的设备，让这些设备辅助后续专业课的教学，从而激发学生的学习兴趣。而且建模过程易学，学生只要学会建立工作平面、二维草图绘制等基本操作后，采用拉伸、旋转、放样、扫掠等简单形体特征就能完成三维实体建模[15]。但是，在三维建模过程中，需要学生不断分析二维视图的形体特征，想象三维形体怎么得来的，然后不断尝试各种建模方法，这就间接提高了学生的看图能力和空间思维能力。教学实践表明，这种教学模式激发了学生从“要我学习”转变成“我要学习”，提高了学生学习的主动性。

5 结语

经过长期教学实践表明，机械制图课程教学过程结合Inventor软件辅助，利用软件的视图表达、动画和三维建模等功能，可以有效增加教学的可视性、直观性、立体感。

1)有效提高学生的视图分析和空间思维能力，增强学生的识图能力、绘图能力和建模能力，从而显著提升机械制图课程课堂教学质量和效果。

2)轻松实现“二维-三维-二维”的机械制图教学过程，可以有效增加课堂的趣味性，激发学生的学习兴趣，提高学生学习的主动性，使学生乐意主动接受新知识。

3)生动直观地表达出形体结构、位置关系等教学过程的重难点知识，切实降低教学难度，为学生今后的专业课程学习打下扎实基础。

4)可以根据教学需要快捷方便地改变数字模型，大幅降低教具成本。