三维建模对学习机械知识的能力的培养研究

【摘要】三维建模即利用三维绘图软件，把给出的二维平面图绘制成三维空间立体模型，再进一步的话，可以将拟建好的三维模型生成二维平面图。这种操作，可以大大提高学生绘制二维平面图、阅读二维平面图和三维空间想象能力，了解机械结构及其作用。这对高职学生后续课程学习及以后工作打下良好基础。

【关键词】三维建模；国家标准；绘图能力；空间想象力

1.引言

工科机械专业高职学生在学习机械知识时，鉴于其初学以及对机械结构没有感性认识，加之自身基础较差，学习中往往存在很多困难，久而久之就会导致学生学习积极性的下降，课堂教学效果变差。三年高职学习下来后，在校学习的内容就忘得所剩无几了，这给以后工作及学生以后发展带来很多阻碍。利用什么方法，可以在主要专业课程教学前，使学生先行接触一些机械零部件及其常识，在产生一定的感性认识后，再进行后续课程的学习，以提高学习效果，是摆在每一个职业教师面前的一大难题。笔者在三维建模教学中，不仅仅教授三维建模知识，而是在三维建模的同时有意识的对机械知识进行教学，发现对学生获得机械感性知识及后续课程学习有很大帮助。

2.运用国家标准，提高机械制图作图能力

高职机械专业学生，其中一项职业能力就是要求学生能熟练运用机械制图方法，完成符合国家标准的机械图样。然而，由于传统教学方式中的某些缺憾，学生毕业后往往不能拿出一张合符标准的机械图，主要表现是学生对机械制图国家标准掌握不好，如线型运用不对，表达方法不好，标注不符合规范等。在三维建模教学中，有意识的让学生对实体建模后，利用软件可以快速自动生成二维平面工程图的功能，要求学生还要生成一张标准的二维平面图。在这个过程中，当学生出现不符合国家标准的情况时，及时的、一对一的指出并要求其修正。在教学实践中，一般一次课作一次这样的练习，经过一个学期64学时的反复训练、强化，学生基本上能对国家标准熟练运用，如一幅标准图样的格式，包括图框格式、标题栏格式及明细表的格式与填写等，各种线型的正确运用，各种表达方法如视图、斜视图、局部视图及剖视图的运用等，各种简化画法和正确的标注及其含义都能较好的掌握。这给后续课程的学习奠定了很好的基础，作图能力大大提高。

3.三维空间想象能力的提高

人们常说，机械图样是工程界的“语言”，机械设计、加工、检验以及装配，都依据二维机械图这样的“语言”进行交流。熟练、正确的阅读机械图样，是每一个工科机械类学生必须具备的基本技能。在阅读机械图样时，三维空间想象能力至关重要，如果缺乏空间想象能力，不仅绘制不好机械图，就是读懂机械图也十分困难，这对空间能力差一些的学生来说就更是如此。要完成这一任务，必须对学生进行由空间到平面，由平面到空间，再空间到平面……，如此反复训练方可完成，这种做法，也是符合人类对一事物的认识规律的。

要提高学生识图的空间想象能力，仅靠机械制图课程来完成这一任务相当困难。只有较少的学生能阅读简单机械图样，而多数学生不能正确阅读，若机械图样更复杂一点，则看懂的人就少之又少了。

CAXA实体设计，由于其软件本身易学易用的特点，三维建模的学习，用少量的时间就可以完成基本操作，然后主要是各种建模。较好的做法是，初期学习时，给出的是具有立体感的轴测图，要求学生对其建模，这一阶段主要是训练其三维软件命令的用法；尔后给出的则是由易到难的平面图，要求学生对其建模，这除了进一步熟悉命令外，更重要的作用是进行空间想象力的训练。在这个过程中，学生首先要读懂二维平面图，如果他有些没搞懂，他会思考、探索，同学间会交流，若还有问题，就会问老师，通过老师讲解，以及后来绘制出的三维模型，他会明白二维平面图对应的三维模型的真实情况，在这个过程中，学生还会反复的观察、比对二维平面图和三维空间模型，以期发现它们的内在联系和规律。这一过程，实质就是由平面到空间，由空间到平面的反复再现。经过若干次的反复训练，不断的对大脑进行刺激，三维模型投影的二维平面图形状及二维平面图对应的三维模型，就会在其头脑中形成条件反射，读图能力得到很大提高，即便是难一些的平面图，通过其思考，推敲和比较，调动其大脑中储存的相关信息，也能正确的把三维形状想象出来。

自2008级开始，我校机械类专业在机械制图课程，均开设了CAXA实体设计，进行三维建模教学，从实际的教学效果看，学习了三维建模的学生，其读图能力远超在没有进行这方面训练的学生，读图正确率达到90%以上，空间想象能力大大提升。

4.对掌握机械零件结构的影响

真实的机械零件与机械制图中教授的机械模型，存在很多区别。这主要是由于毛坯生产、机械加工或是装配工艺的原因，导致实际零件与模型有差异。在三维建模的学习中，作为练习的平面图，一般都是零件图，学生在练习建模时，会接触到如退刀槽，砂轮越程槽，中心孔，沉孔，盲孔，拔模斜度等等机械零件中的常用工艺结构，这些结构对于没有进行建模的而言，其形状和作用往往是模糊的，就算是通过后续课程的学习，也不一定能掌握好，并且可能会因此影响到后续课程学习中更为重要的知识的接收。通过三维建模，学生接触到了这些结构，并把它绘制了出来，对这样的结构产生了一个真实的印象，它的作用也搞得明明白白，甚至象箱体类零件中用于加工定位的工艺孔，装配时为保证上下箱体准确对齐的用于定位的孔也都清清楚楚，并能把它们和连接上下箱体的螺孔区别开来。

由此可见，通过不断接触，仔细推敲，动手操作，其机械常识在此构建，教师在后续课程教授过程中，涉及这些时，就不会因为这些“细枝末节”的东西，成为学生学习上的障碍，学生就会有更进一步的时间去掌握更为重要的、当时需要掌握的知识。

5.提高装配体的阅读能力及了解机构工作原理

在机械设计和机械维修时，经常需要由装配图拆画零件图；在生产过程中，我们也常常需要阅读部件装配图；在高职学生后续课程的学习中，如讲液压阀，或是机械加工设备等都要阅读装配图。装配体的阅读要求是了解部件的构造、性能、工作原理，装配关系和拆装方法，读懂各主要零件的结构形状及在装配体的作用。装配图的阅读能力如何，在很大程度上影响其后续的专业基础课和专业课的学习效果。在后续课程学习中，往往讲述的是机械部件的性能及工作原理，这是建立在学生已经掌握了装配图阅读，或是教师默认学生已经了解装配图的构造的基础上的。然而，如果学生前期课程学习得不好，没能把装配图读懂，则教师的授课目的就达不到。因此，能否读懂装配图就非常重要。

如何才算真正的读懂了装配图，教师怎样才能知道学生读懂了装配图，如果能否正确拆画零件图，或是能将装配体的零件进行三维建模，就算是真正的读懂了。

CAXA实体设计提供了将三维零件装配成部件的功能，其装配是否正确，或是装配体在运行时是不是会发生问题，该软件还提供了干涉检查及仿真动画的功能。

在CAXA三维建模中，学生根据教师给出的装配图，先绘制三维零件图，再利用软件提供的装配功能，将其装配成部件装配图，如果通过了仿真动画的试运转检查，那么说明阅读的装配图没有问题，否则就会有，这就会促使学生再次仔细推敲，是哪里出错了，以便进行修改。如此反复，学生的装配图阅读能力就会大大提高，为以后学习扫清障碍。

在装配体中，还涉及装配结构的合理性问题，如两零件接触面在同一方向上只允许有一对面接触；轴上零件的定位与固定；方便拆装的结构、操作空间等。教师若能在学生作装配练习时，将涉及到的这方面的问题进行讲解，则会因为有直观的“实物”，而使空洞的问题变得实在，易于理解，在其后续课程学习中遇到这些，它已经不是问题了。

教师在学生三维建模中，如果有意识的对装配体的工作原理进行讲解，学生还会建立起根据装配图初步了解其工作原理的能力。

6.结语

三维建模在学生大量接触机械知识之初，就使其在虚拟的空间中接触机械零件及部件，并且通过其自身的努力，对零件加以大量的想象，通过建模，将想象中的实体再现出来，使其理解国家机械制图标准，建立三维空间想象力，理解零件结构及部件装配方面有很大帮助。不仅如此，学生在学习三维建模过程中，还会培养其独立思考的能力，自主探索的能力，学习接受新知识的能力；更可以激发其学习的积极性和主动性；另一个重要影响是，确立了他学好新东西的自信心，解决问题和战胜困难的信心。这些对学生来说，都是终身受益的。所以，在机械类专业中开设三维建模课程，其意义不仅在于三维建模本身，而更在于其背后所挖掘出来的学生潜力，所教给他的解决问题的一般性思维方法。

参考文献

[1]徐蔚.基于三维建模技术的机械制图教学方法研究[J].职业教育研究，2012（7）：108-109.

[2]张兴全等.UG三维建模在机床夹具设计教学中的应用[J].安徽工业大学学报（社会科学版），2011（3）：118-120.

[3]张兰英.虚拟装配设计系统的研究[J].机械设计与制造，2002（2）：37-38.

[4]王军.基于CAXA的数字化教学工厂设计与实践[J].实验室研究与探索，2013（1）：216-219.

[5]孙勇兵.CAXA软件在机械（数控）专业教学中的应用[J].中国职业技术教育，2010（18）：94-95.

作者简介：何发伟（1964―），男，重庆永川人，工学学士，重庆水利电力职业技术学院副教授，长期从事机电专业教学及机械设计研究。