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摘要:传统的教育技术已不能满足现代机械制图教学的需要。科技的发展促进了教育技术的发展。本文在分析了传统制图课教育技术的弊端后,从教学模式、模型库建设、各章节难点、授课形式四个方面阐述了将三维实体造型技術应用于机械制图教学中的方法。
关键词:机械制图;三维实体造型技术;教育技术
中图分类号:G712文献标识码:A文章编号:1672-5727(2010)09-0154-02
图样是工程技术界的语言,对于机电类专业而言,机械制图是一门非常重要的专业基础课,培养学生的识图和绘图能力是每一位教师的重要任务。在根据实体绘制三视图和根据三视图想象实体形状的练习中,学生的空间想象力起着至关重要的作用。
机械制图教学传统教育技术分析
传统的制图教学采用挂图和模型帮助学生直观、形象地理解物与图的关系,取得了一定的教学效果,但也有很多弊端。比如,教材不断更新,实物模型跟不上教材更新的步伐;教师在授课过程中无法随意切割、拉伸模型来应对题型的变换,制约了授课思路;模型成本高,不便于携带;教室后排的学生看不清挂图;更换挂图耽误课堂时间;让学生拿萝卜、土豆雕刻模型,课堂秩序容易混乱。截交线和相贯线是提升学生空间想象力的重要教学点,无论雕刻土豆还是捏橡皮泥,由于误差大都无法把截交线、相贯线的形成及形状表达清楚,学得好的学生寥寥无几。
同时,教师讲授新课和做习题时,需要在黑板上绘制大量图形,致使教师体力消耗大,课堂容量小,节奏松弛。对于学生而言,即使在课堂上听明白了,在课后做练习有疑问,模型、挂图、教师都不在,问题得不到及时解决,久而久之,就会失去学习的兴趣。
近几年,教育技术在不断更新和成熟,比如多媒体课件提高了课堂教学效率,减少了教师的劳动量,较之黑板教学有了很大进步。但是,这些“课件”都是将立体模型以图片的形式拷贝到PowerPoint里的,无法翻转和移动模型,学生看不到模型的全貌,难以较好地理解知识。尤其是“三视图绘制”一节,课件中给出的组合体图片,孔是否穿通、是螺纹孔还是光孔、通槽的深度和形体是否前后对称等信息均无法从图片中获取,只能靠教师解释。同时,由于职业教育加大了实践力度,每学期都有实习,加之机械制图又增加了计算机绘图章节,必须留有一定的上机操作时间,致使机械制图的理论授课时间减少了很多。
由此可见,传统的教育技术已不能适应现代机械制图教学,高职制图教学必须引入新的、先进的技术手段,才能跟上高职教育技术改革的步伐。
三维实体造型技术介绍
随着科技发展日新月异,三维实体造型软件百花齐放,常用的有Solidworks、CAXA、AutoCAD、UG、Pro/Engineer等。这些软件都具备二维和三维绘图功能,能完成三维实体造型,能从实体造型生成三视图和剖视图,可以绘制有着真实色彩、附于材质、显示表面特征及光照效果的高保真图形。其出众的建模能力和优化的设计流程能充分满足机械、电子、建筑、汽车、航天等特定行业的设计需要。
笔者将三维实体造型技术应用到制图教学中,用这些软件做出的模型精度高、质感好、形象逼真、色彩丰富,极受学生欢迎。在具体演示中,“实体”可以实现任意方向的旋转、任意截面的剖切,可以清晰地观察物体的各部分结构。大量的制图教学实践证明,三维实体造型技术不仅可完全避免传统制图教育技术的弊端,而且能更有效地培养学生的空间想象力,进而提高教学质量。
三维实体造型技术在制图教学中的应用
(一)建立“体—图—体”的新型实体化教学模式
传统教育技术下的制图教学受教学条件不佳、学生做模困难等客观因素的影响,只能先从二维图纸入手想象立体形状,再从立体形状绘制二维图形,即实行“图—体—图”的教学模式。这一模式违反了人们对形体的认知规律,初学者非常难懂,很难在头脑中建立空间关系。将三维实体造型技术引入制图教学后,制图教育技术有了飞跃发展。基于Solidworks等软件强大的三维造型功能,我们终于实行了“体-图-体”的实体化教学模式。
目前,机械行业的数控技术已经非常成熟,Solidworks等计算机绘图与加工软件强大的三维造型功能已弱化了二维图纸在行业中的作用。在三维设计过程中,设计者设计的产品可直接与机床连接进行加工。课程改革要求保证课程的培养目标与生产一线“零距离”接触,因此,机械制图的课程培养目标应由以往的培养学生的识图和绘图能力上升为培养学生很强的空间思维能力和创新性构型能力。
Solidworks软件具有造型准确、简便、快速的特点,教师授课时可根据备课内容,现场绘制实体,通过选择基准面、草图绘制、拉伸实体、建立参考基准面、拉伸切除等操作建立教学所需的模型。让学生注意观察模型的形成过程,逐渐在头脑中形成三维空间概念,然后由体入手,把原本按照点、线、面、体顺序进行的教学改为由体抽取点、线、面,学生就可在三维空间中直接认识和感知空间几何元素。并且,利用Solidworks软件里三维模型和二维视图的相关性,能直接导出二维工程图纸,包括基本视图、剖视图、斜视图、及轴测图等,能让学生非常直观地看到各视图的形成过程及视图间的关系。这种顺向思维教学方式学生更易接受。应在学生理解和掌握了由体到图的形成过程后,再给出三视图,让学生想形状,由图到体进行空间思维的练习。如果空间问题解决不了,就在教师的引导下,由学生配合,教师用Solidworks绘出实体与图对照,这样反复训练,学生的空间思维能力和构型能力也能迅速提高。
这种基于三维造型软件的“体—图—体”的教学模式易于被学生接纳,不仅能节省购买模型、挂图的资金,还能让学生全方位观察机件及其内部结构,教学效果非常明显。
(二)建立机械制图三维模型库
机械制图的教学离不开模型,利用Solidworks制做出的模型完全可以取代实物模型,并且可以根据教材的更新而修改。教师只需携带装有虚拟模型库的光盘或U盘即可授课。这种将三维造型软件应用于机械制图教学的教育技术,应当成为现代制图授课教师的必备技能。
结合机械制图教材和练习册中的习题,利用Solidworks构建教学模型库,模型库可分为基本体、组合体、零件和装配体四个部分。每个部分可根据课堂例题和课后练习建立三个库,即三维模型库、二维视图表达库、动画模拟仿真库,三个库之间相互联系、一一对应。在授课过程中,更改三维模型或任一二维视图的尺寸,会导致三维实体和所有二维视图自动更新,软件的先进性能实现模型库的自我管理,其实用性是传统教育技术无法比拟的。
同时,可以把机械制图模型库传输到校园网上,当学生课后遇到困难时,可直接通过校园网打开模型库,找到需要的模型,仔细观察,得到辅助,从而顺利完成课后练习。一般模型库中都收集了大量典型零部件的三维模型和与之对应的二维工程图,学生可以将自己对零件的表达方法与库中对照,找出不同与不足,自己修改,变被动学习为主动思考,提高学习能力和解决问题的能力。
(三)利用Solidworks技术突破各章节难点
截交线、相贯线在传统工程制图教学中,求截交线、相贯线都是用立体表面取点、做辅助面等方法来解决,讲解起来学生很难理解空间的相互关系。引入Solidworks后,只需正确绘出体与体的相交或截切,截交线与相贯线会自动生成,学生很容易观察到。利用旋转命令从不同角度充分观察形体的形状及表面交线,再运用剖面视图直观地呈现不同截面上表面交点的位置,教师能很容易地给学生指出截交线与相贯线上的一些特殊点,并讲述画法,可大大节省教学时间。同时,由于Solidworks建模是一个参数化的设计过程,当改变立体相交的位置时,可得到各种不同的相贯线,能拓展学生空间想象的思路,进一步提高学生的空间思维能力。
组合体教材给出了两个很经典的组合体实例,即轴承座和V型切割体。笔者在以往的授课中,先拿出木制的轴承座模型让学生假想把它分开,再一块一块地组合起来,讲解相接、相切、相交的组合形式,整个过程都在教师的语言描述下完成,没有任何真实动作。根据教材要求,画三视图时,要依次画出每个简单形体的三视图,由于模型小、已破损,学生不易观察出每个形体间交线的形状,给学生传看模型还易造成课堂秩序混乱。在讲V型切割体的三视图绘制时,只能在黑板上绘制立方体轴测图,然后一刀一刀地切割,不停地修改,引导学生绘出三视图,整个过程都在黑板上通过粉笔和教师的描述来完成,直观性差,事倍功半。自从引入Solidworks软件教学后,教学效果明显提高。我在授课时,先让学生观看用Solidworks绘制轴承座的过程,形体在叠加、截切时自动生成了交线,交线的形状一目了然,不需做过多的解释。在确定主视图的投影方向时,可以选择软件中的显示变换工具条,显示方式选择正视投影、左视投影和俯视投影,让学生自己观察哪个投影最能反映物体的形状特征,即确定为主视图。在指导学生作图时,将组成轴承座的底板、圆筒、支撑板、肋板依次选中,让学生边观察边讨论,根据不同的投影方向,按顺序画出各组成部分的三个视图。教师对相切、相接、相交处的画法作重点讲解和示范,让学生将图形按要求绘制好后,在软件中打开轴承座的工程图纸,对照找出自己的错误与不足。然后,教师总结易出错的地方,学生最终完成零件图的绘制。整堂课下来,教师教得轻松,又能紧紧抓住学生的注意力;学生通过形象逼真、具有质感的模型,既学得轻松,又很快掌握了课堂内容,Solidworks让制图教学变得轻松而愉快。
零件的表达方法剖视是较难理解的,没有剖开的模型,学生很难想象其实体形状。利用Solidworks建模后,先让学生观察零件的外部形状,再用剖切平面把零件模型剖开,观察其内部的结构形状,学生可以比较和选用不同的剖切方法,画出不同的三视图,避免学完剖视后,出现对各种剖切方法不能灵活运用的问题。
装配体由于学生缺少实践经验,对装配体了解甚少,教师怎么讲,学生就怎么记,难以独立分析问题。笔者利用Solidworks中的动画功能,展示装配体中零部件的装配关系及装配体的结构和工作原理,让学生了解装配体的装、拆顺序和零件间的动力传递路径,从而可使学生直观地快速掌握装配体的知识。由于Solidworks具备高品质的渲染功能并自带材质库,提供定义好的金属、木材、石材、塑料等材质纹理,可以为整个零件、单个特征、单个表面添加材质,制做出的动画仿真效果极佳,能达到与拆卸实物一样的教学效果。
(四)完善了传统的授课形式
如要将三维造型軟件应用到机械制图课堂上,授课地点应选在多媒体教室而不是计算机房。我们的教学重点是利用三维实体造型软件辅助教学培养学生的空间思维能力和零件表达能力,而不是学习Solidworks软件的使用。所以,制图授课教师在教学时一定要调配得当,重点突出,否则会出现本末倒置、主次不分、教学重点模糊等问题。
教师在利用三维软件教学时,要充分发挥自身的主导作用,不能让学生只是观看模型演示,要让学生参与其中,分析问题、解决问题,把传统的教师单向灌输改为互动式教学。教师要充分让学生动脑、动口、动手,还要给学生独立思考机会。总之,三维实体造型软件能让教师和学生在轻松愉快的环境下共同完成教学任务。
参考文献:
[1]谢忠佑,张雅雯,蔡建安.Solidworks完全实例教程[M].北京:机械工业出版社,2007.
[2]高玉芬,卜桂玲.机械制图[M].大连:大连理工大学出版社,2007.
[3]武海华.机械制图与CAD[J].科技情报开发与经济,2007,(8).
作者简介:
刘莹(1975—),女,宁夏民族职业技术学院讲师,主要从事机械制图课程的教学与研究。
(本栏责任编辑:谢良才)
关键词:机械制图;三维实体造型技术;教育技术
中图分类号:G712文献标识码:A文章编号:1672-5727(2010)09-0154-02
图样是工程技术界的语言,对于机电类专业而言,机械制图是一门非常重要的专业基础课,培养学生的识图和绘图能力是每一位教师的重要任务。在根据实体绘制三视图和根据三视图想象实体形状的练习中,学生的空间想象力起着至关重要的作用。
机械制图教学传统教育技术分析
传统的制图教学采用挂图和模型帮助学生直观、形象地理解物与图的关系,取得了一定的教学效果,但也有很多弊端。比如,教材不断更新,实物模型跟不上教材更新的步伐;教师在授课过程中无法随意切割、拉伸模型来应对题型的变换,制约了授课思路;模型成本高,不便于携带;教室后排的学生看不清挂图;更换挂图耽误课堂时间;让学生拿萝卜、土豆雕刻模型,课堂秩序容易混乱。截交线和相贯线是提升学生空间想象力的重要教学点,无论雕刻土豆还是捏橡皮泥,由于误差大都无法把截交线、相贯线的形成及形状表达清楚,学得好的学生寥寥无几。
同时,教师讲授新课和做习题时,需要在黑板上绘制大量图形,致使教师体力消耗大,课堂容量小,节奏松弛。对于学生而言,即使在课堂上听明白了,在课后做练习有疑问,模型、挂图、教师都不在,问题得不到及时解决,久而久之,就会失去学习的兴趣。
近几年,教育技术在不断更新和成熟,比如多媒体课件提高了课堂教学效率,减少了教师的劳动量,较之黑板教学有了很大进步。但是,这些“课件”都是将立体模型以图片的形式拷贝到PowerPoint里的,无法翻转和移动模型,学生看不到模型的全貌,难以较好地理解知识。尤其是“三视图绘制”一节,课件中给出的组合体图片,孔是否穿通、是螺纹孔还是光孔、通槽的深度和形体是否前后对称等信息均无法从图片中获取,只能靠教师解释。同时,由于职业教育加大了实践力度,每学期都有实习,加之机械制图又增加了计算机绘图章节,必须留有一定的上机操作时间,致使机械制图的理论授课时间减少了很多。
由此可见,传统的教育技术已不能适应现代机械制图教学,高职制图教学必须引入新的、先进的技术手段,才能跟上高职教育技术改革的步伐。
三维实体造型技术介绍
随着科技发展日新月异,三维实体造型软件百花齐放,常用的有Solidworks、CAXA、AutoCAD、UG、Pro/Engineer等。这些软件都具备二维和三维绘图功能,能完成三维实体造型,能从实体造型生成三视图和剖视图,可以绘制有着真实色彩、附于材质、显示表面特征及光照效果的高保真图形。其出众的建模能力和优化的设计流程能充分满足机械、电子、建筑、汽车、航天等特定行业的设计需要。
笔者将三维实体造型技术应用到制图教学中,用这些软件做出的模型精度高、质感好、形象逼真、色彩丰富,极受学生欢迎。在具体演示中,“实体”可以实现任意方向的旋转、任意截面的剖切,可以清晰地观察物体的各部分结构。大量的制图教学实践证明,三维实体造型技术不仅可完全避免传统制图教育技术的弊端,而且能更有效地培养学生的空间想象力,进而提高教学质量。
三维实体造型技术在制图教学中的应用
(一)建立“体—图—体”的新型实体化教学模式
传统教育技术下的制图教学受教学条件不佳、学生做模困难等客观因素的影响,只能先从二维图纸入手想象立体形状,再从立体形状绘制二维图形,即实行“图—体—图”的教学模式。这一模式违反了人们对形体的认知规律,初学者非常难懂,很难在头脑中建立空间关系。将三维实体造型技术引入制图教学后,制图教育技术有了飞跃发展。基于Solidworks等软件强大的三维造型功能,我们终于实行了“体-图-体”的实体化教学模式。
目前,机械行业的数控技术已经非常成熟,Solidworks等计算机绘图与加工软件强大的三维造型功能已弱化了二维图纸在行业中的作用。在三维设计过程中,设计者设计的产品可直接与机床连接进行加工。课程改革要求保证课程的培养目标与生产一线“零距离”接触,因此,机械制图的课程培养目标应由以往的培养学生的识图和绘图能力上升为培养学生很强的空间思维能力和创新性构型能力。
Solidworks软件具有造型准确、简便、快速的特点,教师授课时可根据备课内容,现场绘制实体,通过选择基准面、草图绘制、拉伸实体、建立参考基准面、拉伸切除等操作建立教学所需的模型。让学生注意观察模型的形成过程,逐渐在头脑中形成三维空间概念,然后由体入手,把原本按照点、线、面、体顺序进行的教学改为由体抽取点、线、面,学生就可在三维空间中直接认识和感知空间几何元素。并且,利用Solidworks软件里三维模型和二维视图的相关性,能直接导出二维工程图纸,包括基本视图、剖视图、斜视图、及轴测图等,能让学生非常直观地看到各视图的形成过程及视图间的关系。这种顺向思维教学方式学生更易接受。应在学生理解和掌握了由体到图的形成过程后,再给出三视图,让学生想形状,由图到体进行空间思维的练习。如果空间问题解决不了,就在教师的引导下,由学生配合,教师用Solidworks绘出实体与图对照,这样反复训练,学生的空间思维能力和构型能力也能迅速提高。
这种基于三维造型软件的“体—图—体”的教学模式易于被学生接纳,不仅能节省购买模型、挂图的资金,还能让学生全方位观察机件及其内部结构,教学效果非常明显。
(二)建立机械制图三维模型库
机械制图的教学离不开模型,利用Solidworks制做出的模型完全可以取代实物模型,并且可以根据教材的更新而修改。教师只需携带装有虚拟模型库的光盘或U盘即可授课。这种将三维造型软件应用于机械制图教学的教育技术,应当成为现代制图授课教师的必备技能。
结合机械制图教材和练习册中的习题,利用Solidworks构建教学模型库,模型库可分为基本体、组合体、零件和装配体四个部分。每个部分可根据课堂例题和课后练习建立三个库,即三维模型库、二维视图表达库、动画模拟仿真库,三个库之间相互联系、一一对应。在授课过程中,更改三维模型或任一二维视图的尺寸,会导致三维实体和所有二维视图自动更新,软件的先进性能实现模型库的自我管理,其实用性是传统教育技术无法比拟的。
同时,可以把机械制图模型库传输到校园网上,当学生课后遇到困难时,可直接通过校园网打开模型库,找到需要的模型,仔细观察,得到辅助,从而顺利完成课后练习。一般模型库中都收集了大量典型零部件的三维模型和与之对应的二维工程图,学生可以将自己对零件的表达方法与库中对照,找出不同与不足,自己修改,变被动学习为主动思考,提高学习能力和解决问题的能力。
(三)利用Solidworks技术突破各章节难点
截交线、相贯线在传统工程制图教学中,求截交线、相贯线都是用立体表面取点、做辅助面等方法来解决,讲解起来学生很难理解空间的相互关系。引入Solidworks后,只需正确绘出体与体的相交或截切,截交线与相贯线会自动生成,学生很容易观察到。利用旋转命令从不同角度充分观察形体的形状及表面交线,再运用剖面视图直观地呈现不同截面上表面交点的位置,教师能很容易地给学生指出截交线与相贯线上的一些特殊点,并讲述画法,可大大节省教学时间。同时,由于Solidworks建模是一个参数化的设计过程,当改变立体相交的位置时,可得到各种不同的相贯线,能拓展学生空间想象的思路,进一步提高学生的空间思维能力。
组合体教材给出了两个很经典的组合体实例,即轴承座和V型切割体。笔者在以往的授课中,先拿出木制的轴承座模型让学生假想把它分开,再一块一块地组合起来,讲解相接、相切、相交的组合形式,整个过程都在教师的语言描述下完成,没有任何真实动作。根据教材要求,画三视图时,要依次画出每个简单形体的三视图,由于模型小、已破损,学生不易观察出每个形体间交线的形状,给学生传看模型还易造成课堂秩序混乱。在讲V型切割体的三视图绘制时,只能在黑板上绘制立方体轴测图,然后一刀一刀地切割,不停地修改,引导学生绘出三视图,整个过程都在黑板上通过粉笔和教师的描述来完成,直观性差,事倍功半。自从引入Solidworks软件教学后,教学效果明显提高。我在授课时,先让学生观看用Solidworks绘制轴承座的过程,形体在叠加、截切时自动生成了交线,交线的形状一目了然,不需做过多的解释。在确定主视图的投影方向时,可以选择软件中的显示变换工具条,显示方式选择正视投影、左视投影和俯视投影,让学生自己观察哪个投影最能反映物体的形状特征,即确定为主视图。在指导学生作图时,将组成轴承座的底板、圆筒、支撑板、肋板依次选中,让学生边观察边讨论,根据不同的投影方向,按顺序画出各组成部分的三个视图。教师对相切、相接、相交处的画法作重点讲解和示范,让学生将图形按要求绘制好后,在软件中打开轴承座的工程图纸,对照找出自己的错误与不足。然后,教师总结易出错的地方,学生最终完成零件图的绘制。整堂课下来,教师教得轻松,又能紧紧抓住学生的注意力;学生通过形象逼真、具有质感的模型,既学得轻松,又很快掌握了课堂内容,Solidworks让制图教学变得轻松而愉快。
零件的表达方法剖视是较难理解的,没有剖开的模型,学生很难想象其实体形状。利用Solidworks建模后,先让学生观察零件的外部形状,再用剖切平面把零件模型剖开,观察其内部的结构形状,学生可以比较和选用不同的剖切方法,画出不同的三视图,避免学完剖视后,出现对各种剖切方法不能灵活运用的问题。
装配体由于学生缺少实践经验,对装配体了解甚少,教师怎么讲,学生就怎么记,难以独立分析问题。笔者利用Solidworks中的动画功能,展示装配体中零部件的装配关系及装配体的结构和工作原理,让学生了解装配体的装、拆顺序和零件间的动力传递路径,从而可使学生直观地快速掌握装配体的知识。由于Solidworks具备高品质的渲染功能并自带材质库,提供定义好的金属、木材、石材、塑料等材质纹理,可以为整个零件、单个特征、单个表面添加材质,制做出的动画仿真效果极佳,能达到与拆卸实物一样的教学效果。
(四)完善了传统的授课形式
如要将三维造型軟件应用到机械制图课堂上,授课地点应选在多媒体教室而不是计算机房。我们的教学重点是利用三维实体造型软件辅助教学培养学生的空间思维能力和零件表达能力,而不是学习Solidworks软件的使用。所以,制图授课教师在教学时一定要调配得当,重点突出,否则会出现本末倒置、主次不分、教学重点模糊等问题。
教师在利用三维软件教学时,要充分发挥自身的主导作用,不能让学生只是观看模型演示,要让学生参与其中,分析问题、解决问题,把传统的教师单向灌输改为互动式教学。教师要充分让学生动脑、动口、动手,还要给学生独立思考机会。总之,三维实体造型软件能让教师和学生在轻松愉快的环境下共同完成教学任务。
参考文献:
[1]谢忠佑,张雅雯,蔡建安.Solidworks完全实例教程[M].北京:机械工业出版社,2007.
[2]高玉芬,卜桂玲.机械制图[M].大连:大连理工大学出版社,2007.
[3]武海华.机械制图与CAD[J].科技情报开发与经济,2007,(8).
作者简介:
刘莹(1975—),女,宁夏民族职业技术学院讲师,主要从事机械制图课程的教学与研究。
(本栏责任编辑:谢良才)