三维动画技术在工程制图课程教学中的应用研究

摘要：本文根据工程制图课程教学的特点和传统教学方法存在的不足，探讨将计算机三维动画技术运用于课程教学当中，培养学生空间思维能力，实现课程的形象化教学，以解决目前教学中存在的问题。

关键词：三维动画 工程制图 教学研究

基金项目：云南省教育厅科学研究基金（08y0293）

工程制图课程是高等学校工科类专业必修的一门技术基础课程，它着重培养学生绘图、读图和识图的能力，让学生在今后从事相关技术工作时，具备正确识读和使用技术图纸的能力。本课程主要通过学生对空间形体投影规律的认识和理解，从而能正确绘制出空间形体的三面投影图，并逐步掌握绘制工程图和识读工程图的能力。

1 传统教学方法存在的不足

在课程学习中，学生的空间思维能力对于学生学习空间形体的投影规律、各种投影图的绘制原理以及对工程图的识读起到了关键作用。但在实际教学中，工程制图课程由于受传统教学媒体和教育技术的限制，使教学局限于平面化，空间的概念难以表达。虽然采取多种措施，如采用各种教学模型、图片等，并期望通过大量的绘图练习，力图培养学生建立空间思维能力，使学生能通过平面化的投影图形建立起形体的真实空间形状，进而理解投影原理和制图过程。但这些教学措施对于空间形体的描述仍然不直观，导致教师难以表达，而学生理解困难，以至不能取得良好的教学效果。

理解空间形体的投影规律首先要求学生具备一定的空间思维能力。学生由于各自生活、教育背景的不同，其所侧重认知的领域也有所不同，因此学生在思维习惯上存在较大的差异，这种差异使不同的学生在对空间形体投影的理解上出现较为明显的分化。

在传统教学中，学生需要通过教师对形体的描述和平面化的投影图来想像建立形体在空间不同方向的投影形状，而平面化的投影图也仅仅是空间形体的外轮廓在投影面的反映。如在投影变换中用换面法求解线或平面的实形，需要建立的新投影面要求与原有的投影面中的一个垂直，并且要和空间的线或平面平行，这样在新投影面上形成的投影才能反映出空间的线或平面的实际形状。但是，在原有投影面上作图时，要从和新投影面垂直的原投影面开始，由于此投影面和新投影面垂直，新投影面聚集成一条直线。要理解换面法的绘图原理，就必须想象出新投影面在原投影体系中的位置，特别是和原投影体系中的一个投影面垂直时的空间景象，并且要想象新投影面与线或平面平行的景象，才能根据正投影的形成规律来理解换面法求实形的方法。传统教学方法由于对空间形象难以描述，导致难于引导学生进行空间思维、想象，而注重绘图的方法和结果。因此，部分学生在不理解换面法投影原理和过程的情况下，只要套用换面法求实形的绘图方法作图就可以得到正确结果。对于相对简单的线、面投影，这种方法还可行。但如果空间形体变得复杂，则不理解投影原理和投影过程，不能对复杂的形体投影过程进行空间想象，单纯套用绘图方法作图来获得正确的结果是非常困难的。

2 三维动画技术模拟教学的优势

工程制图课程教学的难点就在于如何让学生通过二维的平面投影图抽象出形体在空间中的实际形状和相对位置，并抽象出形成二维平面投影图的投影过程。改进教学手段和教学媒体，进行形象化教学是解决这一教学难点比较有效的解决措施。如将三维动画技术运用于工程制图课程的教学当中，就能有效模拟形体在空间的形状和位置，并能进一步模拟投影图的形成过程。对学生进行空间思维，理解制图原理和过程能起很大的帮助。

如前述，换面法求实形的难点在于难以形象描述新投影面在原投影体系中的位置，则可以利用三维动画技术来进行形象化模拟。利用三维动画技术制作出原投影体系的三维动画模型，可以清楚、形象地反映形体在空间的位置，而新投影面加入后的位置，特别是它与一个原投影面垂直的位置关系，利用三维动画模型能非常清晰地表达出来，再加入投影面平行线、投影面平行面和投影面展开的三维动画模拟，能把整个换面法求实形的投影原理、过程和方法都形象化地表达出来。在使用三维动画模型进行教学时，学生不再依靠教师描述和平面图形自己进行空间思维，而是跟随动画的引导，在脑海中逐步建立形体和投影面的位置及其投影变换过程的影像。形象的动画代替了教师的描述，在帮助学生进行空间思维，理解原理、过程的同时，也活跃了教学气氛，提高了教学效率。

工程制图课程中的一些复杂形体更适于使用三维动画技术进行模拟教学。复杂形体需要学生具备较强的空间思维能力才能对形体的空间位置、形状和在不同方向投影后形成的投影图进行有效的想象。如用截面法绘制立体的相贯线，首先要求学生能够想象出两个立体相交所形成的表面交线（相贯线）的空间形状，并能初步想象沿不同方向看到的这条表面交线的形状，也就是这条表面交线沿不同方向所得到的投影图。利用三维动画模型，通过改变视角就能形象地表达相贯线在不同方向所得到的形状，也就是绘图结果所要得到的图形，如图1、图2所示。

图2 圆柱与圆锥相贯的侧视图

其次，在用三维动画模型用模拟辅助平面结截割两个立体时，辅助平面截割两个立体的位置、截割后两个立体的外形和在截割面上外轮廓线的形状、交点都能清晰的反映，而绘制相贯线的关键在于找到这些两个立体共有的交点的投影位置。如图3、图4所示。

图4 截割后两个立体的外轮廓线及交点

3 结束语

通过在工程制图课程教学中使用三维动画模型模拟空间形体的投影原理和制图过程，使投影的原理和绘图过程能清楚、形象地展现在每个学生眼前。让学生的思维跟着动画演示的过程走，提高了教学效果，培养了学生的空间思维能力，有效解决了传统教学中存在的内容描述困难等问题。三维动画模型的使用，代替了传统的黑板、粉笔绘图过程，提高了绘图的精确度和教学效率，也增加了课程教学的趣味性。

参考文献：

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