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工程制图教学中三维CAD技术的应用
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教育部“卓越工程师教育培养计划”的三个特点是：行业企业深度参与培养过程;学校按通用标准和行业标准培养工程人才;强化培养学生的工程能力和创新能力。在工程师的培养过程中，《工程制图》是最重要的基础之一，课程的主要目标是培养学生四种能力，即：空间想象能力、绘制和阅读工程图样能力和计算机绘图能力。作为工科院校的基础课程，随着市场需求和信息技术的发展，对工程制图的教学提出了许多挑战，例如：工程制图教学与市场需求结合面临的难题是什么?传统的工程制图教学效率如何提高?如何将传统制图理论与全新制图软件相结合等等。
一、三维模型库对工程制图教学的影响
教学模型作为教学手段的重要组成部分，在帮助学生形象地理解教学内容的过程中，发挥着积极的辅助教学的作用。工程制图作为机械类专业的重要专业基础课，也作为工艺类学生的一门必修课，无论是在课堂教学还是在课后作业，都需要大量使用教学模型，以增加学生的感性认识，最终达到空间思维能力的培养。
传统的教学模型因其制造成本高、数量有限、容易损坏、不便携带、不能修改等缺点，已经不能或不足以满足现代教学的需要。因此，应用计算机软件结合多媒体技术建立基于三维CAD技术的虚拟模型库，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，加上动画渲染等效果，使教学中的知识点更加清晰、生动、形象[1]。
在工程制图的学习过程中，阅读、分析、比较典型的工程图样，对提高读图能力、开阔视野、积累经验、提高对机械零件的表达能力都有一定的帮助。建立完善的工程制图虚拟模型库可以帮助学生理解学习中的难点、重点，模型库可以改变传统教学的单调模式，有助于学生从被动学习变为主动学习，从而提高学习效率。
学习工程制图课程的最大障碍是空间思维能力的不足，而计算机可以作为辅助空间思维的有效工具。学习初期，对于难以想象空间形状的投影图，可以应用软件工具在课堂上现场造型，实时显示，将二维到三维的空间思维视觉化。同时，在造型过程中，强化学生对形体尺寸(定形尺寸、定位尺寸)的理解，学习造型的技巧和技能，通过构型训练，既掌握了三维设计表达的技能，又了解了现代工程设计的理想形式，同时对培养专业兴趣、拓宽知识也起到了积极的作用。
二、三维模型在工程制图教学中的应用
SolidWorks是基于Windows平台的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统，是三维实体特征建模软件系统，有零件、装配体和工程图三个模块，能够实现自三维实体模型到二维工程图的直接转换，主要特点有[2]：
(1)采用基于特征的参数化三维实体建模，能方便、快捷地创建任意复杂实体模型，并且利用设计树回放功能可以随时浏览实体生成过程。
(2)零件配置功能可以方便地配置和管理形状相同或相似的零件，可以通过系列零件设计表功能，大大节约造型时间。
(3)在装配环境下可以对零件进行智能化装配，并可以方便的生成装配体的动画爆炸，模拟组装过程，使装配关系完整清晰地表达出来。
(4)三维模型自动转换生成二维工程图，工程图是全相关的，当修改图纸时，三维模型、各个视图、装配体都会自动更新。
(一)三维模型在组合体视图读图中的应用
组合体视图的绘制和阅读是工程制图教学的重点，也是教学的难点。它不仅是对点、线、面知识的集合，对后面零件图和装配图的学习起着承上启下作用。
组合体的组合方式有：叠加、挖切或叠加与挖切的综合，读图方法有：形体分析法和线面分析法，前者从体的角度出发，后者则是从面的角度考虑。读图过程必须熟练掌握基本形体的投影特征和点、线、面的投影特性及投影规律，且要求学生的思考能够与教师的步骤协调，图1展示了已知主视图和俯视图要求补画左视图的读图过程。利用SolidWorks设计树回放功能可以反复比较，有效地激发老师与学生的互动。
(二)三维模型在装配图中的应用
装配图该怎么教?对没有实际经验的学生而言，他们对装配图的结构、工作原理、零件间的连接关系及主要零部件的结构形状都缺少感性认识，在课堂上教师拿几张幻灯讲解装配图，或者只拿一个实物小模型拆装，虽说可以达到一定目的，但效果有限。SolidWorks具有强大的装配模块，利用自下而上的装配设计方案，把已经制作好的三维零件进行模拟装配，学生可了解到机器或部件的组成情况、各零部件之间的装配关系等等。通过装配，可以进一步对装配体进行干涉检查，发现结构设计是否合理等。制作爆炸视图，通过动画播放来模拟零部件装拆的先后顺序。此外，通过运动模拟，学生可了解到机械零件的机构运动和工作原理。图2为涡轮减速箱爆炸视图。
在三维软件的支持下，建立三维几何模型，通过对显示器中的三维动态显示观察，可以随时修改参数进行交互。教师在教学过程中采用三维CAD绘图软件，根据具体情况，增补一些典型例题和习题，分步讲解，学生不仅可以学习作图过程，还可以对软件有更直接的认识。三维CAD的教学不仅强化了学生的空间概念，更强化了理论联系实际。这种教学过程生动有趣，过程紧凑，既启发了学生的思维活跃性，又激发了学生学习兴趣[3]。
三、三维模型和二维视图的相关性
三维CAD技术的飞速发展和应用的日益普及，使人们的思维方式和工作方式发生了巨大的变化。现在工程设计常用的三维建模软件众多，如3DS Max、ProE、UG、SolidWorks、SolidEdge、MDT等，它们都具有很强的三维模型设计功能，并且已经实现了三维模型与二维图纸之间的双向关联，给工程制图教学提供了非常优秀的造型工具[4]。
SolidWorks的三维模型可以自动生成精确的二维工程图纸，除六个基本视图外，也可以方便的生成局部视图、斜视图、剖视图及轴测图等，并可以在二维视图中显示尺寸和技术要求注释。SolidWorks的二维视图和三维模型之间的双向关联功能使模型形状和尺寸的编辑更加容易，在设计过程中更改任一二维视图的尺寸，会导致三维实体和所有的二维视图自动更新，将2D绘图与3D造型技术融为一体。
将Solidworks软件应用于工程制图教学起到了很好的积极效果，但是也应注意防止产生负面作用。如果过分依赖三维模型，与学习工程制图的目的是提高空间思维能力背道而驰。采用三维模型目的是加强教学直观性、启发性、提高感性认识的措施，不能因此削弱基本概念、基本方法等教学环节，习题模型的发布要注意时间节点把握。SolidWorks在工程制图中的应用作为一种教学内容和方法的改革，还有待完善。
总之，从三维模型入手进行工程制图课程教学，是对工程制图教学体系的全新的设计，它更符合人们进行空间构思的思维方式，通过三维模型的表达，使教学内容更加形象生动，增加了课堂容量，提高了学生形象思维的能力，三维CAD技术在教学中的应用一定会起到非常好的作用。
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