基于三维建模的制图课程自主互动式教学模式

【摘 要】高校针机电类专业开设的《机械制图》和《三维软件的应用》课程,都以培养学生的绘图、识图能力和空间想象能力为共同目标.《机械制图》课程的教学需要立体模型的辅助支撑,《三维软件的应用》课程需要一定的空间构型理论知识做铺垫.在教学中将这两门课程有机结合起来,实现三维建模课程与制图课程的自主互动式实践教学模式,如：交互浸入式教学方式；项目式自主教学法；建立直观的立体模型库；高效的教学效率可以达到事半功倍的效果.

【关 键 词】机械制图；三维软件；课程整合；自主互动式；教学方法

一、制图教学状况分析

目前的制图教学一般采用板书和多媒体结合的方式,板书教学需要在黑板上画出一些图例,教师的劳动量很大,但内容多以静态为主,课堂上传授的信息量比较有限.多媒体教学虽然可以展示更多的实例,但是在画图方面对学生的启发和训练不够.尤其是学习到一些难点章节时,部分学生会感到非常吃力,产生畏难情绪.传统教学模式下培养的学生毕业后无论作为设计人员还是加工人员都要经过专门训练才能在脑中将眼睛看到的二维视图转化成三维实体,更重要的是很难用二维图纸去描绘三维空间中立体的机构运动和进行产品装配干涉检查等工作,从而使产品设计存在很多缺陷,造成设计修改工作量大,开发周期长.

与此同时,为了适应学生就业后的技术需求,越来越多的院校针对广大机电类的学生开设了三维软件类的课程,比如Solidworks,UG等.软件学习固然重要,但是其学习方法及过程与传统课程的教学有所区别.在课堂上,教师只能通过电脑应用投影仪演示建模过程,很难与学生互动；学生在大量的上机练习中又缺乏充分地指导,在遇到难度较大实体建模时会感到非常无助.在长时间的被动式学习的压力下,会丧失学习的兴趣与动力.

二、课程整合

综上所述,与其让学生为了画图而画图,为了建模而建模,不如引导学生为了画图而建模,应用模型去画图.如果可以把这两门课程有机的结合在一起,实现三维建模课程与制图课程的自主互动式教学模式.这样我们可以在教学过程中达到事半功倍的效果.

在长期的制图教学过程中,发现大部分学生在空间构型方面存在很大的困难,严重的影响了对制图课程的积极性.但是在讲授《三维软件的应用》课程时,由于专业需要,经常建构一些制图课上曾经讲过的三维实体,先进行初步的建模,然后再叠加或者切割.在此过程中,学生看到自己亲自建构的三维实体,有恍然大悟之感,感叹如果当初学习制图课程时能够看到这样的实体,很多问题就可以迎刃而解了.在《机械制图》教学中,为了便于分析、验证投影视图,我们会讲授绘制轴测图的方法.但是如果遇到较为复杂的立体,手工绘制十分复杂,尤其对于学生而言显得更加困难.在这种情况下借助三维建模软件则会变得十分方便快捷.在三维软件中,由模型到投影（平面图）,或由投影到模型,可实时对照,当旋转三维模型时（线架结构状态）,实际上就是模型在任意角度的投影.[3]

所以,如果能将两门课程有效的整合,使二者平行互动进行,就能够达到事半功倍的效果.当制图课程讲到立体部分时,同步开展三维软件课程,在学生学习制图遇到难以想象的实体时,刚好可以应用三维软件知识建造出那个难以捉摸的造型,这样可以在此过程中同时激发对两门课程的浓厚兴趣.将两门课程同步浸入式教学,随着制图课程的深入进展,三维建模的难度也随进度逐渐增加.由基本立体到实际零部件,三维软件的学习也就由基本建模命令扩展到了高级建模和零件装配.教师在讲授过程中,可以穿插进行,相互引用,可以达到事半功倍的教学效果.

三、自主互动式教学模式

研究基于三维建模与制图课程的自主互动式教学模式,将《机械制图》和《三维软件的应用》课程整合的有效方法,将两门课程间隔4周教学周先后开设,同步浸入式进行.改变学生为了画图而画图,为了建模而建模的被动局面,大大提高学生对这两门课程的学习兴趣,从而达到培养综合性机电类人才的目的.

从目前的教学状况来看,大部分院校对这两门课的教学仍然是分离的,这样培养出来的学生,已经不能满足市场的需要.这两门课程前者注重讲授制图的原理和方法,后者则注重讲授利用计算机三维建模的技巧,相同之处在于,两者都以培养学生的绘图、识图能力和空间想象能力为共同目标.但独立的讲授,使学生虽然学了这两门课程,却不能将其有机地结合起来使用.应当通过正确处理传统的手工绘图和建模软件应用之间的关系,以达到更好的教学效果,力求充分提高学生的学习兴趣,增强学生的自信心,提高学生的成就感.所以将机械制图与三维软件课程合成一门新的课程,非常有利于改革教学方法,提高教学质量,拟采用的方法如下所示：

1.交互浸入式教学方式

机械制图三视图的绘制与三维软件的建模学习同步交互式进行.在制图课程讲到立体部分时,同步开展三维软件课程,在学生学习制图遇到难以想象的实体时,刚好可以应用三维软件知识建造出那个难以捉摸的造型,这样可以在此过程中同时激发对两门课程的浓厚兴趣.随着制图课程的深入进展,三维建模的难度也随进度逐渐增加,由基本立体到实际零部件,三维软件的学习也就由基本建模命令扩展到了高级建模和零件装配.教师在讲授过程中,可以穿插进行,浸入式教学.通过教师轻松的在软件集成界面中的“点击”,一个个立体神奇地组合成我们所需要的形体来,并能自动转换生成的二维图进行讲解,大大增强了学习的生动性和透明性.用三维软件构造出的模型,还可随时更改各细部结构,可演示由基本立体到组合体,再到各种任意复杂结构的立体,其变化过程一目了然.

2.项目式自主教学法

由制图课的三视图的投影引入问题,采用项目式教学法将学生分组,带着既定的任务去完成视图分析,读图绘图,再应用三维建模将实体构建完成,二者互相验证对比,由各小组将任务完成后进行讲解分析,实现自我评价.

3、建立直观的立体模型库在三维软件中,由模型到投影（平面图）,或由投影到模型,可实时对照,当旋转三维模型时（线架结构状态）,实际上就是模型在任意角度的投影.在此教学改革过程中,通过学生不断地进行各类形体建模和三视图的绘制,可以逐渐积累适用于教学的各种立体模型库,以便于课程的后续开展.

4.高效的教学效率

教学效率是指在单位时间里教师传授知识和学生学习知识的量度.影响效率的因素很多.经过教学实践证明,应用三维实体建模和多媒体组合化教学在提高机械制图教学效率中所起的作用是很显著的.同时带着绘图目的的建模练习也大大促进了对三维软件的学习.

四、预期成果

通过两门课程的有机结合,达到二者的双赢,使两门课程都能达到最佳的教学效果.运用三维实体建模的教学手段,可以使那些传统的教学手段无法讲清或难于讲清的教学内容,化难为易、化繁为简,使抽象的视图变得直观,使课堂教学获得最大的效率.使空间感不强的同学更加容易接受制图课程上三视图的读图绘图；同时加强三维软件学习的主动性,引导学生提高软件的应用能力,已达到能够熟练使用建模功能,满足机电产品设计的要求.采用三维软件辅助《机械制图》的教学,借助各种各样的三维立体图形,既可以提高学生学习的兴趣,又能增强学习的直观性,降低学习的难度,还能帮助学生顺利建立二维平面与三维立体之间顺利转换的思维模式.而且利用三维实体造型技术可从各个视角观察实体、方便设计与修改,最终还可转换成一组所需的二维平面图形,以视图、剖视图和断面图等形式导出,真正做到了思维过程和设计过程一致.[2]

通过先后两轮的教改试点,可以不断调整教学计划,确定适合课程整改的案例.再进一步进行资料汇总整理.同时随着实验案例的积累,可以初步建立适用于此项目的实体模型资料库.

五、结语

两门课程的有机结合,可以最大程度的调动学生的学习积极性,带着问题去学习,带着任务去练习,使学生变被动学习为主动探索.引入学生亲自建立的模型给学生讲解其投影规律三视图的画法,可以大大降低机械制图课程的难度.带着问题去学习,改变了软件类学习的被动性,使枯燥的练习变成了有趣的探索.通过学生实验案例的积累,可以逐渐建立专门适用于机械制图课程教学的模型库,从而改变其教具不足,实体图形绘制困难的情况.最终在自主互动式教学模式中得到两门课程教学的双赢.

【参考文献】

[1]朱江丽,施尚云,刘蔚.三维实体建模在《工程制图》教学改革中的应用研究.中国科技信息.2010.15.277-278.

[2]叶军,孙根正.三维建模引入制图课程的改革研究.工程图学学报,2008.2.168.

[3]李曼,王立红.《机械制图》课程教学课件设计.网络财富.2010.8.106.

【作者简介】

张曼,河北保定人,硕士研究生,陕西科技大学机电工程学院讲师.