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引言
工程制图是研究绘制和阅读工程图样的理论、方法、技术的一门技术基础课，以图形信息的形式来表达思想，研究问题和相互交流，它在专业建设中起着承上启下和贯彻始终的作用，课程教学质量的好坏不仅影响到学生对后续专业课程的学习，而且反映学生的基础理论水平。如何提高学生的空间想像力，培养其阅读和绘制工程图样的能力一直是工程图学教学中所要解决的主要问题。
以前，读装配图通常的方法是借助实物模型和三维立体图挂图等手段进行辅助教学这些方法在一定程度上解决了形象化的问题，但实施效果并不理想。近年来，随着三维建模设计软件的普遍应用使得工程制图课程教学方法发生了很大变化，本文工作主要涉及三维软件在工程制图教学中的具体应用。
三维软件以数字化的形式出现，可以很好地处理上述遇到的各种问题，本文以典型的solidworks软件为例分析讨论三维软件在实际教学过程中的运用。当前机械制图教学存在的不足
机械制图课程学习的主要目标是培养学生正确分析机械工程问题，了解零件装配过程，提高绘制、阅读机械图样的能力，以及空间想象能力。而在实际的教学过程中存在一些问题：
一、刚刚开始学习的学生由于空间想象能力比较差，难以理解以文字描述为主的课本上空间几何的问题，同时书本有限的篇幅也很难描述实际生产中复杂多样的机械零件。
二、虽然在教学过程中采用各种挂图和教学模型等教学工具，但是很多挂图不过是把课本上的图放大而已，仍然是采用平面的方式来讲解空间实体；模型虽然可以表达一部分零件的结构，但是很多情况下学生只能从一个方向来观察，并且模型的形状固定，不能够根据需要作适当的变化。
三、在实际的操作过程中，挂图主要是用纸做的，不易保存和查找，而且在使用的过程中也很容易损坏，无法修复。教学模型的材料主要是木头或者铸铁，为了表达清楚实体的结构，通常体积和重量都比较大。这样在教学的过程中，如果老师在比较高的楼层上课，搬运就比较困难，大大增加了教师的体力消耗，从而影响教师的上课质量。2 三维实体构型仿真在机械制图教学中的优势
三维实体构型仿真是新年来在机械制造行业一种新兴的技术，它能够全面而详细的展现零件的空间结构，装配体的配合关系，以及快速的生成工程图纸。
（1）更加形象直观快捷
如果采用三维软件进行教学，则可以利用软件的造型功能创建任意需要的实体形状，并且可以很轻松地创建各种带有曲面的复杂实体，从而解决了在实际教学过程中挂图只能在平面内讲解和模型比较单一的问题。
（2）取代传统的实物模型
应用三维CAD技术创建的机械制图虚拟模型库，可以利用光盘存储数量众多的模型，在使用中可以完全取代实物模型，从而消除了实物模型因体积和重量造成的携带不便的缺点。
（3）采用软件造型，可以从各个不同的方面向学生展示需要表达的问题。三维软件可以很容易实现三视图和实体之间的转换，可以让学生更容易理解和想象实际生产中的实体如何利用正投影的规则被三视图所表示。利用三维软件在教学过程中可以对实体进行实时的旋转来展现实体不同方向观察的效果，帮助学生在充分认识实体形状的基础上，理解三视图中各种线型所表示的含义。教师可以根据教学过程的需要随时修改实体的结构性状、颜色、材质、显示模式和方向等，在讲解的过程中可以随时旋转右下角的立体视图来帮助学生理解其他位置三个视图所表示的含义。
(4)学生课下学习的助学型课件
机械制图虚拟模型库可以载入网络，不受时空限制在网上进行传输。当学生在课后练习中遇到困难，可以通过公共邮箱模型库，在库中找到所需要的模型,进行仔细观察，增强对实物的感官认识,辅助完成课后练习。在实际的教学过程中，利用三维软件制作的课件只需要一个小小的存储设备就可以保存和运输，大大方便了教师的教学，降低教学的成本。
下面结合solidworks软件详细介绍三维实体仿真构型在教学中的具体应用。
3.solidworks的软件特点
SolidWorks是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统，是由美国SolidWorks公司在总结和继承了大型机械CAD软件的基础上，在Windows环境下实现的第一个机械三维CAD软件，于1995年11月研制成功，它全面采用非全约束的特征建模技术，其设计过程全相关性，可以在设计过程的任何阶段修改设计，同时牵动相关部分的改变。SolidWorks软件包包含了设计者必备的设计工具，如零件设计、装配设计、工程制图和运动仿真等[1]。
在教学中，可以随时利用SolidWorks强大的特征建模能力构建3D实体，整个过程简单方便，在课堂上可以轻松制出所需模型；利用2D生成3D的功能，实现对学生由平面视图到空间想象的引导；利用SolidWorks的装配模块，能将零件模型装配成为机械系统，动态演示典型装配过程可以使学生了解机器的构造及零件相关尺寸关系，检验零件间的装配尺寸和相互配合是否准确。通过爆炸视图可以演示与装配过程相反的装配体的拆分过程（图3）；利用“动态视图旋转”图标按扭使物体任意旋转，让学生从各个角度甚至内部观察物体；利用“消除隐藏线”和“隐藏线以灰暗表示”和“放大与缩小”图标按钮，提醒学生不要漏了看不见的线；利用“标准视图”图标按钮，了解模型在各个方向的投影；利用“剖面视图”图标按钮让学生观看物体内部的详细情况；SolidWorks可用多个不同画面分别显示一个物体，此种画面可大可小，可任意设置投影方向，并且分割画面后各绘图窗口的视角方向及模型显示方式都互相独立，互不影响。选定某一平面画图，结果在各个窗口中都会出现该图在各个视角方向的投影，此种显示方式十分有助于教师示范给学生，以了解做图的过程；利用SolidWorks软件提供的运动仿真模块，可使屏幕上的机械做动态仿真运动，进行运动分析，并检查运动轨迹、自由度及是否有干涉等。SolidWorks在教学过程中的应用
4.1 在立体投影中的应用
立体的投影是从点、线、面到组合体学习的过渡，对这一知识点掌握的好坏直接影响到后续各章节。立体的形状是各种各样的，但任何复杂立体都是由一些简单的基本几何体所组成，如棱柱、棱锥、圆柱、圆锥、球等。在SolidWorks软件的零件模式下，可以快速地创建各种基本几何体，从而引导学生观察投影特点，掌握如何在立体表面找点、线等方法。4.2 在立体的表面交线中的应用 立体的表面交线包括截交线与相贯线，了解这些交线的性质并掌握交线的画法，将有助于正确的分析和表达机件的结构形状。在SolidWroks下，通过对一个基本几何体进行一步步截切，可以帮助学生逐步掌握概念，提高想像力。
在讲解曲面立体相贯的概念时，一般是用两个轴线正交的圆柱为例。圆柱的直径不同，圆柱轴线相交还是相叉，都影响到相贯线的形状。运用SolidWorks软件及其参数化设计的特点，可以方便地对圆柱的参数进行修改，从而让学生直观地看到相贯线的变化。图1所示就是两圆柱轴线垂直相交时，直径的变化对相贯线的影响。另外可以运用SolidWorks的察看功能让学生从各个方向以及内部进行观察，从而使学生易于理解并掌握。
图1 4.3 在组合体中的应用
组合体是由基本几何体按一定的形式和位置组合而成的立体，它的构成方式分为“叠加”和“切割”两种基本方式。大多数较为复杂的组合体往往是这两种基本方式的综合[3]。组合体是工程图学课程教学和考察的重点，通常要求学生对三个视图进行补漏线或者根据给出的两个视图，补画第三面投影。如果没有一定的空间想像力或者找不到画投影的合适方法，学生在做这一类型的题时就会一筹莫展。一方面，讲课时要对如何读三视图的方法进行详细解释，使学生了解线、面的投影特性；另一方面，对复杂的组合体进行实体建模并进行投影，使得学生能更加直观地理解。实体建模可以在备课时完成，也可以在课堂上进行现场演示，通过对基本体进行一系列叠加、切割操作后，完成最终的实体模型(图
2、图3)。
图 2
图
4.4在剖面图、剖视图中的应用
机件的常用表达方式有视图、剖视图和剖面图等。对于剖视图和剖面图，我们用假想的剖切平面对立体进行剖切，以便清楚地表达机件的内外形状。在这一章中，我们可以利用SolidWorks三维软件对机件各个位置进行剖切，从而可以详细观察机件的内部结构（图4）。
图
4.5 在读装配图中的应用
表达机器或部件及其组成部分连接、装配关系的图样称为装配图。工程制图课的主要目的是培养学生的读图能力、绘图能力、空间逻辑思维能力和形象思维能力，而装配图部分的学习是对这几种能力的综合。依据军校工程制图课程标准并结合学生的实际情况，确立了在装配图教学中重点是解决如何读懂装配图的问题。读装配图过程通常可以描述成以下四个步骤[5]：1）概括了解；2）分析视图，弄清工作原理；3）分析零件及零件间的装配关系；4）通过综合分析最终达到看懂装配图的目的。以图5阀的装配图为例，在讲解读装配图内容中，可以按照以下过程和步骤，应用SolidWorks软件的特征建模、三维模型的实时观察、零件装配以及MotionManager运动仿真等模块辅助学生读装配图，从而改善了教学手段并较好地解决了目前读装配图教学过程中存在的一些局限性。
图4.5.1 结合 SolidWorks 中的实时观察功能，了解装配体及各个零件的结构形状
以图9阀的装配图为例，课前利用SolidWorks的特征建模操作和装配技术逐一建好各零件的三维模型以及阀装配体。课上通过读装配图的标题栏、明细栏以及引导学生运用前面所学的知识分析各视图，想像出装配体及各零件的空间三维形状。在SolidWorks软件环境下，分别打开各个零件及装配体三维模型图（图6），借助软件提供的各种实时观察功能对零件和装配体模型进行旋转、放大、多窗口显示以及从内部观察（图7）等。注意在利用软件的实时观察功能进行演示时，要做到随时纠正学生在分析识读二维装配图过程中所犯的理解错误，从而使学生在头脑中真正想通装配体及各零件的正确的结构形状。
图6（千斤顶）
图4.5.2 借助 SolidWorks 的装配模块，分析零件间的装配、连接关系
由于SolidWorks软件完成三维装配的过程非常简单方便，只要给出零件间的装配约束关系即可，因此，对于零件的装配过程可在课堂中直接进行演示。通过用SolidWorks完成对装配体的装拆操作，不仅可以分析零件间的装配定位关系，而且能逐步细化对零件和装配体结构形状的深层次认识，然后再结合装配图，进行读图方面的进一步分析讲解。如图6所示给出了千斤顶的装配、连接关系：螺钉分别与顶盖、螺杆通过螺纹连接，底座内装有内螺纹，旋转杆与螺杆可以相互运动。千斤顶的拆分过程与装配过程相反。同样在千斤顶装配图（图7）的主视图上也反映出了该阀的装配、连接关系，讲解过程中可以同时进行对照分析。5.科技创新活动的主要工作 三维实体造型技术； 组合体形体构型动画演示 机件的装配过程动画演示
石油工程井下工具的三维设计方法与展示
5.结论（根据研究工作总结）
将SolidWorks软件引入到工程图学的教学中，通过运用SolidWorks软件进行辅助教学，将读二维工程图样与3D实体及动态仿真运动有机地结合起来，不仅可以更加直观地对一些概念进行讲解，从而逐步提高学生的空间想像力，并且可以引导学生将空间思维和想像具体化，提高学生对于工程制图教学中的重难点内容的理解和掌握，而且能够极大地调动学生学习的积极性以及充分发挥教师的主导作用，从而促进课堂上“教”与“学”之间的互动性，最终达到提高教学效果的目的。
6.科技创新成果
在王镇全老师的指导下，我们选择了科创的题目，我们组的科技创新项目审批通过后，我们都感到非常高兴。为了做好这个课题，我们采用了多种方式，做了许多工作，取得了一些有益的成果。
科创伊始，我们到王老师办公室询问关于科创的一些问题，王老师给我们讲讲了一些机械制图这门课在石油大学的现状，以及三维软件在国内外教学中应用的情况，王老师给我们推荐了一些资料。
我们根据王老师的讲解和初步查阅资料，我们发现三维软件在国内外应用很广特别是工程方面，但是国内很少用于教学，我们知道了课题的可行性和我们要研究的方向。
12月我们购买了相关的书籍和软件，每周末下午，我们通过一起去校图书馆，阅读有关三维软件的书籍和特别是solidworks使用、互相讨论交流自己的学习成果，详细了解了三维软件的种类、功能、应用范围、优缺点等内容。
2012年1月我们开始学习solidworks，经过若干的认真练习，我们了解了solidworks功能，并能熟练运用基本功能，我们能够做出机械制图中所学零件，在此基础上我们学习如何制作装配体。
3月，我们开始查阅资料学习制作装配体的爆炸图（三维动画）。
4月，我们通过查找资料、询问导师及上网搜集资料等方式，获得了更多相关资料。在此基础上我们将装配体转化成工程图。
科技创新后期，我们将重点放在了如何将三维仿真构型运用到具体教学中的问题，我们询问王老师在11级教学中所需要的实体三维图，我们根据需要制作了相应的三维图，最后王老师将它们应用与教学，经过多次论证与修改，收到了不错的效果。
【参考文献】
[1]何铭新,钱可强.机械制图[M].高等教育出版社.2010.[2]刘继锋.浅淡军队院校工程制图改革[J].科教论丛,2005.[3]何发伟.工程制图教学方法研究[J].中国电力教育,2008.[4]胡仁喜,张红松,刘昌丽.SolidWorks2007机械设计工程实践[M].科学出版社,2007.
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