基于AutoCAD的3D 教学模式在工程制图教学中的应用❋

时间：2024-08-31

赵继成，王兰美

（山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东淄博 255049）

0 引言

工程制图教学中，空间想象力的培养是非常重要的一个环节，为了培养学生的空间思维能力，需要进行大量的二维与三维之间的双向思维训练。传统的工程制图教学模式多使用挂图或实物模型，把二维的投影图和空间实体结合起来，帮助学生读图。随着现代教学方法和手段的提高，CAI辅助教学在现代课堂上表现出明显的优势，同时，在许多工科学生的课程设计和毕业设计中，已经广泛使用 AutoCAD、UG、Pro／E、SolidWorks等造型工具。在这一趋势的推动下，制图课程已开始将三维造型内容的学习纳入教学内容体系［1］，这使得工程制图教学过程的直观性得到充分显现，在很大程度上弥补了学生空间想象不足带来的教学障碍，培养了其空间思维能力。

1 工程制图教学改革现状

国内主流的工程制图教学改革模式是把三维建模融入教学当中。比如清华大学童秉枢教授总结了现有各院校提出的三维内容引入方式以及由此形成的新课程体系［2］；浙江大学施岳定教授通过添加式、分离式、结合式、融合式等多种模式引入计算机绘图和三维模式；华南理工大学陈炽坤提出从三维模型入手，直接建立从体到图的教学体系等。总之，将三维建模引入工程制图教学当中是未来工程制图教学改革的一个模式。

引入三维建模并不是完全意义上取代二维绘图，目前二维绘图就其自身来讲也有很多优势，比如：对教学条件要求不高；可以增强初学者对工程图的读图能力等。因此，工程制图教学短期内仍然需要从“画法几何—二维绘图”开始，同时引入三维建模，以培养学生的空间思维能力和对工程制图的兴趣。

2 工程制图教学中存在的问题

教育部工程图学教学指导委员会于2004年针对工程图学教学的基本要求，提出了工程图学课程的6项任务［3］：①培养使用投影的方法用二维平面图形表达三维空间形状的能力；②培养对空间形体的形象思维能力；③培养创造性构型设计能力；④培养使用绘图软件绘制工程图样及进行三维造型设计的能力；⑤培养仪器绘制、徒手绘画和阅读专业图样的能力；⑥培养工程意识，贯彻、执行国家标准的意识。

日常教学工作也是围绕该任务展开的，教学过程中存在的问题大致可归纳如下：

（1）学生缺乏空间想象能力。空间想象能力差是阻碍工程制图学习的一个重要问题，其表现在两个方面：一方面是图与物体分离，学生看到零件想象不出三视图和见到三视图想象不出零件的结构；另一方面是学生缺乏实践经验，对许多零件感到陌生，见到零件后所留的印象也不深。例如，投影基础和几何元素的投影图是课程的基础，但入门较难，学生不易建立空间投影体系，难以在脑海中勾画出点、线、面、体等元素在空间的形状和位置，很容易在学习开始阶段就失去学习兴趣。

（2）截交线、相贯线作图是难点。截交线、相贯线分别表示平面截切物体产生的交线和物体与物体相交产生的交线，在二维投影图中，它的主要表现是抽象、不直观，尤其是在曲面立体与曲面立体相贯方面表现得更加明显。初学者在二维和三维之间的转换上存在许多障碍，想象不出空间物体的结构，作图也会遇到困难。

（3）实物教学模型灵活性差。实物模型在工程制图教学过程中发挥着很好的作用，能够把抽象的物体展现在眼前，变得更加具体，但是随着现在工程制图课时量的压缩，同时又要传授较大的信息量，课堂上带着很多教学模型是比较困难的事情，况且题目若有变化，模型不能立即更新，使用起来很不方便。

（4）对工程图样的读图、绘图能力下降。过多地依赖三维模型，会造成学生思维懒惰，不能养成良好的读图习惯，读图能力下降；智能化的三维建模软件可以生成二维工程图样，但是多数三维建模是基于特征的建模，生成的工程图样在尺寸标注上不是完全符合国家标准，甚至是错误的，单靠三维模型自动生成工程图样显然不是一个一蹴而就的过程，仍然需要在牢固掌握工程图样的基础上再利用三维造型，才是正确的学习顺序。

3 基于AutoCAD的3D教学模式的引入

许多优秀的三维软件如UG、Pro／E、SolidWorks等，更注重的是实体造型和仿真，虽然可以由实体模型生成视图，但并不能由二维的投影图直接转换成三维实体。因此，虽然可以培养学生的空间思维能力，但其对于二维工程图的绘图和读图能力的提高却成效甚微；而且这些软件对计算机性能要求较高，掌握起来也需要一定时间。而AutoCAD虽然是低端绘图软件，但却有其自身的优势，与其他三维造型软件相比，更便于短时间内掌握，也具有不错的三维造型功能；更重要的是在二维绘图方面AutoCAD具有更大的优势。

为了解决以上问题，提出了基于AutoCAD的3D教学模式。所谓基于AutoCAD的3D教学模式，是指在教学过程中，教师借助于AutoCAD软件及开发的开放式3D模型库开展教学工作。当同学们对二维视图的空间立体构思有困难时，可适时调出3D模型库在AutoCAD下进行现场剖切、叠加等操作，也可以根据需要现场建模，丰富逼真地构建各种复杂的三维实体，对照二维投影图进行讲解，正误对比，培养学生的空间想象力。同时也可以进行二维工程图样的绘制，整个过程不仅讲述了二维视图而且也展示了Auto－CAD的操作技巧。

4 教学应用实例

为了保证作图过程的有序性和尽可能地减少出错的几率，下面配合一个教学实例进行作图过程分析。如图1所示，求作左视图，并补齐其他投影。

（1）形体还原。形体还原时可不予考虑内部形状，主要从外形的主要形体特征入手，勾画物体形状；从主视图和俯视图看，该形体下半部分的外形是圆柱，上半部分具有球体投影的特征，但是左视图中给了一定的外形限制，因此，上半部分是球体的情况可以排除，这种结构在现实中接触不多，学生可能对形体没有概念，在进行投影分析的基础上，我们可以给出形体还原后的投影和模型，如图2所示。

（2）求外形交线。外形交线包括形体和形体的外表面相交，孔或槽与形体外表面的交线。作外形交线时可不予考虑内部情况，容易理清思路。该例中外部交线有2组，1组是竖直方向的孔和上面圆柱表面相贯，另一组是下部的“n”形槽和竖直方向圆柱外表面相贯，如图3所示。

图1 求做左视图并补齐投影

图2 外形结构还原图

图3 作出物体外形交线后的投影图

（3）求内形交线。内形相交指形体内部孔和孔或槽之间的交线。题目中的内形交线是竖直方向圆柱孔和“n”形槽上半部分（半圆柱槽）相贯，此时两孔半径相等，相贯线在左视图上表现为不可见直线，如图4所示，其中A－A剖视图为内形相贯线。

（4）补齐投影、描深。最后一步主要是检查和补全投影工作，检查有没有多线、漏线现象，确认无误后再按国家标准规定的线型要求描深，补齐完整后的投影图如图5所示。

图4 物体内形交线作图及内形剖视

图5 补齐完整后的投影图

以上作图步骤是我们在讲授过程中应当遵循的一个常规解题过程，也是初学者正确作图的入门技巧，把三维模型和二维视图结合起来，更容易发挥计算机作图的优势，从而提高学生的学习兴趣，和空间想象能力。