融入三维建模的工程图学教学改革与实践

——————————收稿日期：2006年2月21日 第17卷 现代教育技术 V ol. 17 2007年第8期 Modern Educational Technology No.82007 融入三维建模的工程图学教学改革与实践李迎春 李 华 刘万强河南科技大学，洛阳471003【摘要】将三维建模引入工程图学教学中是当今图学教育的一个热点。

本文介绍了作者在这方面教学改革试点的情况。

【关键词】工程图学，三维建模，改革，实践【中图分类号】G420 【文献标识码】B 【论文编号】1009—8097（2007）08—0038—04一、前言三维CAD 技术的快速发展和应用的日益普及，使设计和制造的理论和技术都发生了巨大变化。

三维CAD 实体造型、特征造型软件已在一些大中型企业和科研院所应用，随着市场竞争的加剧，作为工程设计和产品开发工具的三维CAD 应用必将普及。

那么，如何将三维CAD 技术融入工程图学教学中来是我国图学界近两三年来讨论的一个热点问题，国内一些重点院校相继开展了这方面的教学研究[1-4 ]，进行了一些教学试点。

自2004年以来，我们在这方面进行了一些探索，对工程图学的课程体系、内容、教学方法及手段进行了改革，并取得了一定成效。

二、教学改革的基本内容与实施（一）以三维建模为主线，计算机绘图与传统教学兼容并重 将三维建模的原理、方法和技能融入到工程图学课程中，形成以三维建模为主线，计算机绘图与传统教学兼容并重的教学体系。

在保证原有教学大纲的基本要求不变的前提下，将总学时定为136学时，分三个学期完成，三个学期的学时安排分别为40、64、32，其中新增三维建模内容18学时，三维构形与建模实践20学时，同时将计算机绘图（讲课8学时、实验18学时）融入到相应的章节中，课程主要教学安排见表1。

表1 课程主要教学安排主要教学要点 相关的三维建模内容 上机作业要求 制图基本知识草图绘制绘圆弧连接点、直线、平面、基本体、截交线、相贯线 尺寸与几何约束、拉伸、旋转、扫掠、放样、除料 绘制常见基本体并上机验证截交线、相贯线部分作业 轴测图组合体参考平面、圆角、倒角、阵列等特征上机做模型、构形练习机件表示法 (插入计算机绘图基本知识 )用AutoCAD 绘制平面图形、表达方法综合练习作业 标准件、常用件零件图孔、抽壳、倾斜、肋板、螺旋、螺纹等零件建模的置放性特征，3D →2D转化完成两类典型零件的建模并转化为工程图，要求出一张CAD 图装配图模型装配 上机模拟装配一装配体，用CAD 拼画一装配图，并拆画一零件图针对大一新生的特点，我们选择了较简单易学的SolidEdge三维造型软件作为三维建模工具。

在讲完截交线、相贯线、平面图形的绘制后，学生具备了初步的制图知识，再引入三维建模内容，介绍了草图绘制、尺寸与几何约束、拉伸、旋转、扫掠、放样、除料等生成基本体的方法和技能，学生通过自己创建基本体，并用各种位置平面去截切，观察在其表面产生的交线，加深了对截交线、相贯线这部分内容的理解。

在讲完组合体读图后，引入创建复杂几何体的方法，内容包括参考平面、圆角、倒角、阵列等特征，学生在读懂二视图后，建立其三维模型，可以更有效地帮助学生掌握形体分析方法和训练空间想象能力，同时在上机实验中增加了三维构形与建模练习，激发了学生的学习兴趣。

图1为学生创建的组合体模型。

图1 学生创建的组合体模型讲零件图时，在学生对零件的工艺结构有了大致地了解以后，引入了孔、抽壳、倾斜、肋板、螺旋、螺纹等零件建模的置放性特征[5]，学生可利用这些特征来创建零件上一些常见的工艺结构，并引入了三维模型向二维视图转换的方法、编辑手段和尺寸标注等内容，大大简化了零件图的绘制。

图2为学生创建的零件模型。

讲典型零件的建模时，强调采用满足设计要求和工艺要求的建模方式，加强工程意识培养。

如轴类零件的建模可采用旋转法、拉伸叠加法、除料加工法来实现，其中除料法与轴类零件的加工工序相符，因此要求学生采用此方法建摸。

图2 学生创建的零件模型在第三学期讲授的装配图部分，引入了模型装配，使学生体会现代设计过程中的协同性及模拟装配过程，进一步理解装配图中零件间的连接、定位及装配关系。

（二）优化教学内容，奠定创新设计能力的知识结构基础1、降低部分原有教学内容的难度首先，适当降低了画法几何部分内容的难度，删减了直观性差、与绘制和阅读机械工程图样的联系也不紧密的点、线、面及相互位置关系的定位、定量投影作图内容。

其次，降低了相贯线部分的难度，因为在三维CAD中，形体及其位置确定后，相贯线就自然形成了，而较复杂的相贯线求解对空间思维能力培养的作用不大。

2、加强轴测图、徒手图训练徒手绘图是学生应掌握的基本技能之一，它在交流设计思想、现场测绘记录图样时经常使用，而轴测图对设计构思很有帮助，对发展抽象思维所必须的空间想象力、空间构思力、空间分析力等能起到催化作用。

因此，在教学环节中，加强了对学生绘制轴测图能力的培养，如加画二补三的组合体轴测图，并鼓励学生自由创意，大胆构思。

在零件图、装配图部分，由于有了计算机绘图这种现代化的先进手段，适当削弱了手工仪器绘图的训练，改画徒手图，重点强调视图表达的正确性和尺寸标注的合理性，这样，学生的徒手绘图、计算机绘图能力得到了综合训练与提高。

（三）以多媒体教学为主，配合传统的教学工具，科学化组织教学在教学中，合理使用多媒体课件，扬长避短，充分发挥课件生动形象的优势，将教学中诸多老师难于讲解、学生难于理解的内容化繁为简，化难为易，化静为动，使讲解内容浅显化。

当画图、解题的过程需一步步地详细演示时，就由老师在黑板上边画边讲，因为老师在黑板上画图的示范过程，可以使学生获得绘图过程的体验和感受，其中还可随时插入栩栩如生的三维立体图。

课余组织学生参观模型室，结合模型具体讲解，学生感受更直观。

在做零件图视图选择的大作业练习时，采用“讨论式”教学方法，先组织学生分组讨论，引导学生运用所掌握的知识进行自己的设计表达，得到不同的表达方案，然后分析比较各种表达方案的优缺点，最后由同学们自己得出一个最佳方案。

这样既调动了学生的学习兴趣，又培养了学生独立解决问题及创新设计的能力。

三、实践效果（一）教学效果评价从2004年开始在车动学院的农业自动化、交通运输两个专业四个班首次进行试点，2005年再次在该专业的三个班进行试验。

这两个专业的学生高考入学成绩普遍偏低，往年学生学习工程图学课的压力较大，考试成绩也较低，经过几个学期的教学实践，同学们普遍感到空间想象能力得到提高，“工图”课不再可怕，考试成绩高于全年级平均成绩（见表2、表3），学生对知识的掌握和运用能力都有所提高。

表2 2005级工程图学期末试卷分析汇总表（第一学期）班级 班级数平均分数总人数优秀人数优秀率（%）良好人数良好率（%）中等人数中等率（%）及格人数及格率（%）不及格人数不及格率（%）热动051－052、热气051－0535 81.9178 53 29.86737.633 18.518 10.1 7 3.9机制051－054 4 79.7136 47 34.63223.527 19.8517 12.5 13 9.6 车辆051－054 4 76.3127 18 14.23325.937 29.111 8.66 28 22.04机电051－054 4 77.5139 22 15.84028.838 27.321 15.1 18 12.9机设051－053 3 75.8101 22 21.82423.827 26.712 11.9 18 17.8交通051、农自051－0523 81.797 35 36.12222.722 22.711 11.3 7 7.2合计 778 197 25.321828 184 23.690 11.5 91 11.6注：表中黑体部分为试验班数据。

表3 2005级工程图学期末试卷分析汇总表（第二学期）班级 班级数平均分数总人数优秀人数优秀率（%）良好人数良好率（%）中等人数中等率（%）及格人数及格率（%）不及格人数不及格率（%）热动051－052、热气051－0535 67.59159 7 4.4 3421.3843 27.0430 18.87 45 28.3机制051－054 4 71.72135 7 5.193928.8943 31.8524 17.78 22 16.3车辆051－054 4 64.2126 4 3.171713.4930 23.8129 23.02 46 36.51机电051－054 4 63.28134 3 2.241712.6927 20.1541 30.6 46 34.33机设051－053 3 62.6165 1 1.52 5 7.5818 27.2719 28.79 23 34.85交通051、农自051－0523 72.09157 7 4.464025.3246 29.341 26.15 23 14.65合计 776 29 3.7 15219.59207 26.68184 23.71 205 26.42（二）学生评价在课程的问卷调查中，有97%的同学认为在工程图学课程中融入三维建模内容对该课程的学习有帮助。

学生写到：“在课程中加上三维建模使我们以前想象不出来的立体图真实地表现出来，可以更真实地看到什么地方存在交线，什么地方不需要交线，非常直观，这样不仅提高了我们的学习效率，也增强了我们学习这门课的兴趣。

”“三维建模增强了对实体的印象，比较容易画出三视图，特别是自己动手建模后，对各种结构都非常清楚，对课程学习大有帮助。

”“三维建模能让我们更清楚、更直观地了解零件的结构形状，对于我们培养空间想象能力很有帮助。

”学生普遍反映这门课内容丰富，信息量大，教学内容安排比较合理，在掌握制图基础知识的同时培养了分析问题、解决问题和构形及图形表达能力。

四、体会（一）促进学生能力、素质的综合提高通过手工仪器绘图、草图训练和计算机绘图、形体构思、三维造型软件学习等方面的训练，使学生的空间思维能力、计算机绘图、形体构思、计算机造型能力有了较明显的提高，为后续的CAD、CAE、CAM等现代设计制造技术课程的学习奠定了良好的理论与实践基础。

学生在三维建模过程中，学习满足设计和工艺要求的建模方式，有益于工程意识的培养。

（二）调动学生的学习兴趣，提高学习效率把三维建模、计算机绘图融入工程图学教学中，增加了学生对本课程的学习兴趣和求知欲，提高了学习效率。

在工程图学的课堂教学中，老师用三维造型软件进行快速三维建模，产生各种不同的构形变化，创建各种生动逼真的零件模型和装配模型，学生的形象思维和发散思维的积极性在课堂上被充分调动起来，特别受学生欢迎。

很多未进行教改试点的班级的学生，也对此表现出了强烈的好奇心和求知欲望。