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基于工程设计与三维CAD的工程图学的教学改革与实践

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摘要:针对目前工程图学课程,学生空间思维能力较弱、理论知识抽象难懂的问题,将三维建模融合到图学课程的教学中,将三维建模的构形设计理念与立体的构形过程结合起来,直观展示二维到三维之间的相互转换关系,有效的提高了学生的学习兴趣及空间思维能力,同时在教学过程中融入工程实例,以培养学生解决实际问题的能力,并有效培养了学生的工程意识。

关键词:工程设计;三维cad;工程图

中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2016)36-0132-02

一、引言

工程图学是一门以图形为研究对象,用图样来表达设计思维的学科。图样作为构思、设计与制造工程中工程信息的载体,准确地表达了工程对象的形状、尺寸、材料和技术要求[1],制造者通过图样来了解设计要求,通过图样进行科学技术交流,故图样被称为“工程界的语言”。在工厂企业中如果不会看图、读图,那就等于人没有了空气和水。整个机械制造行业中,企业的管理人员,设计部门的设计师,工厂、车间的工艺师,生产工人,检验人员,产品销售人员,设备维修人员,等等,都必须学会看图读图。学好读图绘图也是学生进行课程设计、毕业设计的基础。

传统的工程图学的教学很多还秉承前苏联“传递―接受”式的教学模式,学生实际解决问题的能力不强,工程教育与实际工作脱节,工程教育中缺少对学生工程意识的培养,学生缺乏解决实际工程问题的经验和认识”[2]。另外,图学课程需要的空间思维能力,对于刚接触该课程的同学来说觉得抽象,难以理解,通过三维CAD的介入可以帮助学生很好地实现工程制图学习中“平面―空间―平面”这一思维过程的转换,有效地培养学生的“图学意识”。基于此,在课堂教学中,融入三维CAD及工程概念,激发学生的学习兴趣,提高教学效果。

二、三维CAD造型在工程图学教学中的融合

(一)三维建模与组合体的融合

工程图学主要是培养学生读图绘图的能力,读图是看平面的二维工程图去想象三维立体,绘图是由三维立体绘制相应的二维工程图。这是一个二维和三维空间转化的过程,对于大部分学生来说,由二维工程图想象立体图较为困难,所以在组合体的教学中,穿插三维建模教学,帮助学生实现空间想象。组合体构形的方法有叠加、挖切、求交三种集合运算方法和拉伸、旋转两种动平面轨迹运算方法,这些运算方法都可以直接在三维软件中动态演示。例如下面的组合体,如图1所示,图学中讲解的理论知识为利用组合体形体分析法将组合体分解为若干个形体,确定形体之间的组合形式和相对位置去想象立体,这个过程可以利用三维建模软件直观显示出来,三维建模的过程是先构造右侧立体,如图1(b)所示,由水平面的草图通过拉伸形成右侧立体,然后画底部立体草图,拉伸形成地板立体,如图1(c)所示,最后画出V面三角形草图,拉伸形成三角肋板,如图1(d)所示,整个组合体建模完成,通过立体的建模过程,学生能够直观的看到“二维―三维―二维”的转变过程,快速掌握空间思维方式。

(二)组合体尺寸标注

图形只能表达组合体的形状,各形体的真实大小及其相对位置,必须由尺寸来确定[3]。尺寸标注对于大部分学生来说也是一个难点,因为大一的学生没有工程概念,还没开始学习专业知识,教师上课若是只讲解尺寸标注的若干规定,那么学生无法完全理解这些规定,标注尺寸时似懂非懂,出现很多错误。形体分析法是保证尺寸标注完整的基本方法,即将组合体分解为若干个形体,逐个标注定形、定位尺寸,最后标注总体尺寸,完成整个标注。这一过程完全可以借助三维软件建模过程来实现,建模的过程即是将分解的形体组合起来的过程,例如图1中的组合体,由建模过程很显然我们可以将组合体分解为三块,如图2所示,分块逐一标注定形、定位尺寸,这样学生理解起来简单易懂。

(三)直观感知装配关系

利用三维建模软件的装配功能,给学生演示典型的机械装配,学生可以直观的看到整个装配过程,了解各零件相互之间的装配关系。

如图3所示,选择齿轮泵作为装配体讲解,齿轮泵结构相对比较简单,工作原理易于理解,通过三维建模软件,将齿轮泵的整个装配过程演示给学生,各个零件之间的装配关系可直观的看到,同时通过三维建模软件,直接由齿轮泵的装配图生成工程图,让学生更加直观的感受三维到二维的转变,这一过程对于理解如何绘制装配体的工程图有很大的益处,所学知识不再抽象难懂,学生通过课堂上直接观看,很容易掌握所学知识,并且对于学习三维软件的兴趣大大提高,为以后的三维教学打下了良好的基础。

三、图学课程与工程实际的融合

工程图学是一门实践性较强的课程,应注重培养学生的工程实践能力,以往的教学过程,过多的重视学生对理论知识的掌握,而忽略了对学生工程实践能力的培养,以至于学生画出的图纸并不能真正用于实际加工,只能纸上谈兵,学生很难实现理论到工程实践的转化。因此在教学过程中,以具体的工程实例教学,从工程的角度提出问题、分析问题,然后解决问题。特别是对于零件图、装配图的内容,与实际工厂加工紧密相关,学生由于刚进大学,没有任何工程概念,对于这部分内容觉得抽象,不好理解。在课堂教学之前,组织学生去学校的实习基地参观,现场观察各种零件的具体加工方法,使学生对机械零件加工有一个直观的认知,便于知识的理解和掌握。在课堂教学中,结合工程实际讲解相关知识,例如:以齿轮泵案例来讲,泵结构简单,易于理解,我们对应的有齿轮泵的模型,从标准件内容开始,到零件图、装配图的绘图读图,以一个实际的工程实例来实现一系列的教学。对于标准件中的螺栓、螺钉、螺柱等,先让学生观察分解模型,从拆解的零件中观察螺纹紧固件的实际连接形式,再针对理论知识讲解,学生即对螺纹紧固件有了感性的认知。对于常用件齿轮的教学,同样可以利用齿轮泵中的齿轮,直观展示给学生看齿轮的具体构造,两个外啮合的齿轮是如何工作的,怎样实现泵的吸油、压油过程,再到后面泵体的零件图绘制,装配图绘制,学生通过具体实物感知,加上教师对工程知识的不断融入,学生所学的不再是课本上孤立的知识,学生学习兴趣大大提高,也能明确所学知识的具体工程应用。

四、结论

在工程图学的教学中,通过融入三维CAD建模,加上多媒体设计,与现有的教学有效融合,解决了学生由二维工程图到三维立体思维这一想象难题,通过三维构形设计过程,培养了空间思维能力及逻辑思维能力,学生学习热情得以提高。实践证明,学生的考试成绩较之以往平均分有所提高,在“高教杯”全国大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛中取得了良好的成绩。同时,在教学过程中结合实际工程案例讲解图学内容,培养了学生的工程意识,有效的将理论与实践相融合,学生的实践绘图能力有所提高,教学效果较之以前也有所提高。

参考文献:

[1]徐云杰,张雪芬,钱孟波,范兴铎.机械类工程制图课程教学内容改革与实践[J].教育教学论坛,2013,(32):47-48.

[2]马巧英,吉晓梅.工程制图教学中培养学生工程意识的研究与实践[J].机械管理开发,2013,(1):163-166.

[3]王雅萍.新课程体系中尺寸标注的教法探讨[J].西南科技大学高教研究,2008,(2):55-57.