浅析机械制图教学中三维实体造型技术的应用
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
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)
作者：刘 莹
[摘 要] 该文基于工程教育专业认证以学生为中心、以成果为导向、持续改进的三大核心理念，改变传统教学以知识传授为目的、以教师为中心、以学科导向的教学模式，聚焦于解决复杂机械工程问题，从课程定位、课程教学目标、教学内容、教学方法与手段、教学评价与持续改进等角度对三维实体造型设计课程的教学模式进行改革，以支撑机械工程专业的毕业要求和培养目标的实现。
[关键词] 工程教育;成果产出;持续改进
[作者简介] 张 晶(1982—)，女，山东东阿人，硕士，济南职业学院智能制造学院副教授，主要从事三维实体造型设计、PLC控制技术、数控机床系统维护和调试研究。
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一、工程教育認证的核心理念
工程教育专业认证的核心理念包括：以学生为中心(Student Centered，SC)、以成果为导向(Outcome Based Education，OBE)和持续改进(Continuous Quality Improvement，CQI)。工程教育认证的核心理念是相互联系的整体，涵盖学生专业发展的全过程，是面向工程师职业的全面发展，是涵盖知识、能力、素质等多维度发展。工程教育认可的成果，就是面向全体合格毕业生的培养目标和毕业要求，体现在经过工程专业培养的学生应具备的职业素养和从业能力。
二、工程教育理念在三维实体造型设计课程教学中的体现
1.三维实体造型设计教学中存在的问题。教师是教学活动的主体，教师关注的是教学目标是否明确、教学行为是否规范、教学方法是否科学、教学效果是否达到。教学评教的对象也是教师教得怎么样，而不是学生学得怎么样。课程负责人制定教学大纲时，往往聚焦于学生能学到哪些知识、哪些知识是重点难点内容、哪些知识点应该考核，很少关注到学生通过学习本门课程在毕业时应具备何种技术性和非技术性能力，是否对学生解决复杂机械工程问题提供支持。
2.基于OBE理念进行教学目标和教学内容设计。根据机械工程专业培养目标和毕业要求体现的知识、能力要求，将三维实体造型设计的课程目标解构为知识目标、能力目标，以促进学生技术性和非技术性能力的达成。其中，知识的传授和应用是提高学生工程素养与设计能力的途径。知识目标以知识应用为目的，掌握解决复杂零件、装配体和工程图等建模设计方法。能力目标定位在复杂零件、装配体、工程图的建模绘图能力上。知识是能力的基础，不是为了分数而学习知识，而是为了解决复杂机械工程问题。OBE关注的是学生通过教育过程所取得的学习成果，把学生的获得作为教学的最终目的，所有教学环节必须围绕成果产出来组织，即课程目标必须支撑毕业要求指标点的达成。首先要明确课程体系对毕业要求的支撑关系，然后再建立毕业要求和课程目标的对应关系。
三维实体造型设计是一门以机械CAD软件为工具进行三维实体造型设计的现代设计工具类课程，设计环境复杂，建模命令繁多，如果教师以具体知识点的讲解出发进行教学，单调乏味，学生参与感不强。因此教学过程需要以学生熟知的经典案例为引导，以典型任务驱动教学内容的实施。首先将课程内容划分为零件设计、装配体设计和工程图三大模块，而后在各模块内设置典型任务，且各模块任务之间存在上下游关联。以减速器为例，需要先建立其各零部件的三维实体模型，将各种建模命令及草图绘制命令、基本参考体设定等融入典型零件的建模过程中，对于标准件介绍Toolbox设计工具及迈迪设计宝等第三方插件的调用方法;而后进行装配建模，将各种配合关系融入到减速器装配过程中;最后介绍各种视图生成和标注命令。通过项目任务把“零件—装配体—工程图”三大内容衔接起来，完成典型项目任务。教师发挥教学先行者作用，有侧重点地选择不同项目任务，实现对课程目标和教学内容的全面覆盖，例如选择台灯的设计任务时重点练习曲面/曲线设计，平口钳任务重点练习扫描建模及丝杠/螺母副配合关系等。
3.以学生为中心多种教学手段并举。三维实体造型设计课程的“实践性”和“工具性”特征，决定了学生必须参与到整个课堂教学和上机教学的全过程，突出学生的主体地位和教师的引领者作用。通过采用“教—学—做”相结合、分组教学、科创比赛激励教学等教学手段，从兴趣培养、实践能力、团队协作、创新意识等多维度实施教学，将教学理念从“教得怎么样”向学生“学得怎么样”过渡。
(1)教、学、做相结合。“教”，教师要做好教学先行者，根据实际上课时长，设计教学内容、创建教学情境、设计典型任务，合理划分理论授课和实践内容，鼓励学生带笔记本电脑上课，边听边学;“学”，学生实时跟随教师授课节奏和建模方法，完成典型案例建模，体会建模中常见问题及解决方法，学会“自助式”“自主式”学习;“做”，学生根据教师布置的任务，通过上机实操和课下练习，熟练掌握所学建模命令和建模思路。
(2)分组教学。解决复杂机械工程问题贯穿于机械工程整个专业认证要求，反映在本课程中主要体现在零件建模的多样性、装配体建模的复杂性、工程图视图的规范性和完整性，通常采用分组教学法来实施教学。教师按照自愿组合、合理调配原则将学生划分为若干项目组，组长负责项目任务管理，组织协调设计任务的细分，各组员分工协作，既独立完成各自建模任务，又协同完成装配任务。
(3)科创比赛激励教学法。兴趣是最好的老师。鼓励机械工程学生参与挑战杯、先进成图比赛、智能制造大赛等科创比赛中通常都设置有三维虚拟设计内容，因此在讲授三维实体造型设计课程时，将各类比赛相关项目的内容设置、技术特点、选拔机制、奖励办法、与本课程相关建模技术的关系等向学生做相应介绍;鼓励并指导学生参与相关赛事，激发学生的学习和创新兴趣。
4.课程达成度评价与持续改进。
(1)面向过程的课程培养环节和考核方案。通过授课、上机、作业、大作业培养环节来达成课程目标及毕业要求指标点。基于本课程的“工具性”特征，相对于形成性考核(如试卷等)，教师更关注过程性考核。对于过程性考核，按照能力层级递进原则，从草图绘制→零件建模→装配体建模→创建工程图→调用设计工具等布置相应的作业，并在上机环节集中辅导，环节设定可衡量。形成性考核基于Rubrics尺规，建立各教学环节的评分细则表，实现考核方案的可衡量，为课程、毕业要求达成度评价提供基础数据。具体到本课程，需要根据设计任务的复杂性、完整性，按照课程目标和毕业要求指标点来设置考核项目、各部分权重及考核细则。
(2)课程达成度评价与分析通过对上述各个培养环节和考核方案，对学生学习三维实体造型设计课程的学习效果、对课程目标和必要要求的达成情况进行评价和分析。由授课教师及课程负责人分别对授课班级和整门课程进行达成度评价和分析，课程(班)达成度评价值的计算公式如下：
课程(班)达成度=
授课教师及课程负责人通过对各指标点达成情况进行分析，找出对毕业要求支撑相对薄弱的课程目标及内容，从而从教学环节设置、教学方法改进、软硬件设置更新等各方面分析原因，提出改进措施;通过对近三年的课程(班)达成情况的对比分析，分析上次评价中的薄弱环节及改进措施的实施效果、本次评价中薄弱环节及改进措施，以促成本课程的持续改进。
(3)课程反思。除了上述课程(班)达成度的评价与分析，本课程在课程结课时开展学生对学习效果及是否达成毕业要求的自我评价调查，通过量化评价结果形成对本课程达成度的间接评价，通过对比直接评价和间接评价的差异性，找出教学中的短板问题。在每学期课程开始之前，进行学生座谈和教学反思活动，倾听学生及同行的建议和意见，每学年根据课程达成情况、学生及同行反馈情况组织修改教学大纲，以达成教学工作的持续改进。
三、结论
本文探讨了机械工程专业认证背景下对三维实体造型设计课程的教学改革的思路和方法，秉承工程专业认证以学生为中心、以成果为导向、持续改进三大理念，结合三维实体造型设计课程实践，从教学内容设计、教学方法、教学环节及考核方案、课程达成情况评价、教学反思等角度对传统三维实体造型设计课程教学提供了教学改革的思路和方法。
參考文献
[1]王孙禺，赵自强，雷环.中国工程教育认证制度的构建与完善——国际实质等效的认证制度建设十年回望[J].高等工程教育研究，2014，(05)：23-34.
[2]孙晶，张伟，崔岩，等.工程教育专业认证的持续改进理念与实践[J].大学教育，2018，(07)：71-73+86.
Key words：Engineeringeducation;Outcomeoutput;Continuous improvement
作者：张晶
摘要: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如何将三维实体造型技术应用于机械制图教学中。
关键词:三维实体造型技术;机械制图教学;应用
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,如何培养学生的识图和绘图能力是每一位制图教师的重要任务。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。
机械制图传统教育技术分析
传统的制图教学,采用挂图和模型来帮助学生直观、形象地理解物与图的关系,取到了一定的教学效果,但是这种传统、落后的教育技术有很多弊端,例如,教材不断更新,实物模型跟不上教材更新的步伐;教师授课过程中无法随意切割、拉伸模型来适应变换的题型,制约了授课思路;模型成本高,不便于携带;后排的学生看不清挂图,更换时耽误课堂时间等。截交线和相贯线是提升学生空间想象力的一个重要章节,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,理解的学生寥寥无几。
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,课堂节奏松弛。对于学生而言,虽然课堂上听明白了,但课后做练习有疑问时,模型、挂图、教师都不在,问题得不到及时解决,久而久之,就失去了学习制图的兴趣。
近几年,教育技术在不断更新和成熟,比如使用了多媒体课件,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,再好的课件,立体模型都是以图片的形式拷贝到PowerPoint里的,无法翻转、移动模型,学生看不到模型的全貌,不能有效地帮助学生理解知识。尤其是组合体章节中“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、形体是否前后对称等信息都无法从图片中获取,只能靠教师解释。同时,由于职业教育加大了实践力度,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化教学,高职制图教学必须引入新的、先进的技术手段,才能跟上高等职业教育技术改革的步伐。
三维实体造型技术介绍
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。这些软件都具备了二维和三维的绘图功能,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,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。
我们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完全避免了传统制图教育技术的弊端,还更加有效地培养了学生的空间想象力,提高了教学质量,收到了良好的效果。
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
传统的教育技术受教学条件不佳、学生做模困难等客观原因的影响,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,初学者感到非常难懂,很难在头脑中建立空间关系。自从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的发展。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慢慢弱化了二维图纸在行业中的功能。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第一线“零距离”接轨,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的概念。然后由体入手,把原本按点、线、面、体顺序进行的教学改为由体抽取点、线、面,让学生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,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,不仅节省了购买模型、挂图的投入,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制作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,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,应当成为现代制图教师的必备技能。
结合机械制图教材和练习册中的习题,可利用Solidworks来构建教学模型库,模型库可分为基本体、组合体、零件体及装配体四个部分。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,更改三维模型或任意二维视图的尺寸,会导致三维实体和所有的二维视图自动更新,软件的先进性实现了模型库的自我管理,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,直接通过校园网打开模型库,找到所需要的模型,仔细观察,得到辅助,从而顺利完成课后练习。模型库中还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,学生可以通过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、辅助面等方法来解决,这样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,教师很容易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,进一步提高掌握较好的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,再一个一个组合起来,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,模型传下去给学生轮着看,易造成课堂秩序乱。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用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。笔者在授课时,先让学生观看教师用Solidworks绘制轴承座的过程,形体在叠加、截切时自动生成了交线,交线的形状学生一目了然,不需教师做过过多的解释。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,教师既讲得轻松,又能紧抓学生的注意力;学生通过形象逼真、具有质感的模型,既学得轻松,又能很快掌握课堂内容,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,避免产生学完剖视后,对各种剖切方法不能灵活运用的弊端。
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,不能独立分析问题。利用Solidworks中的动画功能,可以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,形象、直观地掌握装配体的知识。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,制作出的动画仿真效果极佳,达到了与拆卸实物一样的教学效果。
(四)完善了传统的授课形式
如要将三维造型软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机房。我们的教学重点是利用三维实体造型软件辅助教学来培养学生的空间思维能力和零件的表达能力,而不是学习Solidworks软件的使用。所以,制图教师授课时一定要调配得当,重点突出,否则会出现本末倒置、主次不分、教学重点模糊的现象。
教师在利用三维软件教学时,要充分发挥自身主导作用,不能让学生只是观看模型的演示,而要让学生参与其中去分析问题、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的机会。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。
作者：刘 莹
唐茜 郭辉 韩长杰 杨宛章 (新疆农业大学机械交通学院)
摘要：农业机械学课程是农业机械化专业及农业机械设计、制造专业的主要专业课程。典型农机具三维实体模型库的建立对提高农业机械学课程的教学质量有较大的辅助作用。典型农机具三维实体模型库建设目标是使用SolidWorks软件建立各种典型农机具的三维实体模型，然后使用CosmosWorks软件对实体模型进行运动模拟及受力分析，最终将三维实体模型及其运动分析结果应用到教学当中以提高农业机械学课程的教学水平。
关键词：课程
三维仿真技术
引言：农业机械是机械工程学科中的一个大门类，它与其他通用机械有许多不同之处。农业机械学的研究领域主要是根据农业生产的实际需要、自然条件等，利用机械动力学、控制论及优化设计、随机过程、可靠性设计、机械设计及理论等研究农业机械的理论、结构、设计、试验和应用等问题。农业机械学是一门讲述常用农业机械基本构造、工作原理、理论分析及设计计算等内容的专业课程。是农业机械化及其自动化专业和机械设计制造及其自动化专业的主干课程，通过学习，使同学们能够掌握典型农业机械的基本知识，为今后从事农机化事业或其他农业工程工作打下坚实的理论基础。农业机械学是一门实践性很强的专业课程，必要的典型结构认识与关键零部件的运动规律是使学生理解和掌握课堂授课内容的重要手段。
一、典型农机具三维实体模型库建设的必要性
农业机械化及其自动化是新疆农业大学重点建设学科之一，农业机械学是本专业的主干课程。近些年，由于课时不断压缩，大量的结构试验课被压缩，学生对各种农机具的认识只能通过认识实习、春耕实习来进行，而这些实习只能使学生了解到各种农机具的外表结构形式，对于农机具的主要工作部件的结构及工作原理、运动形式、动作方式等都无从了解。这样就使得我们的学生毕业后只能学到一些表象的知识，而对于知识的运用能力就有所欠缺，这一点在学生的毕业设计当中就表现的十分突出，很多学生对于一些相通的、类似的机构就无从下手。比如说有一个学生在设计吊篮移栽机的打穴装置时，就是想象不出打穴装置的运动是如何实现的(打穴装置要求鸭嘴在转动过程当中始终保持方向一致)，其实该装置的结构形式与拨禾轮的结构形式类似，运动方式也相同。就是因为在上课时学生无法清楚机构的内部结构以及机构的具体动作过程。类似的问题还有很多。
在农业机械学课程授课过程中，需要有大量的结构教学来使学生了解各种农机具的工作原理及复杂机构的运动规律。而现在，农业机械学的教学课时少，使学生没有足够的时间来进行机械结构的试验课程，因此我们就利用各种机构的三维实体模型贯穿到课程讲授的各个环节。
三维实体模型在使用时，能够对其任意位置进行平面剖切，来表达任意截面的内部构造。同时，还可利用机构的三维模型进行运动仿真授课，这样就能够简单明了的表达清楚复杂机构当中的各零部件的运动关系，同时，还能利用相关软件将各关键构件的运动学、动力学的分析结果以视频图像形式直观表达。通过这种手段，就可以在有限的教学课时内使学生尽可能多的了解各种常用农业机械设备的结构及运动分析。
为保证授课内容的丰富、全面、直观，农业机械学科组的各位教师采用了各种方法，并使用多媒体教学代替了传统的黑板授课。但是，农业机械内容丰富，典型的机构工作、运动原理复杂，现有的多媒体视频及图片都不能详细的表达机械零部件的内部结构，更无法准确表达结构相关零部件之间的关系，部分复杂零部件通过拆装实习，学生仅是认识了其外观结构，而无法对运动关系、运动规律认识透彻。
因此，我们真正需要的是能够完整表达各种机具的主要工作部件的详细结构、运动关系，运动规律的三维实体模型来进行授课，该模型必须与机具的实物模型相一致，能够反映出实物的内部结构——零部件之间的装配、运动关系，能够从不同视角对模型进行观察，模型各零部件之间的运动关系应当与实物的相一致，模型的运动模拟、动力学分析应当与实物的运动、受力情况相一致，简单的说就是模型的各种状态、参数应当与实物完全一致，这样才能够保证在授课过程中能够完全贴近真实机具。
二、典型农机具三维实体模型库的建设
建立典型农机具三维实体模型库的软件平台是SolidWorks三维设计软件，该软件简单易用，在学生的三维实体造型课程当中也是使用该软件，该软件在学生当中也具有一定的基础。在机具的三维实体模型建立完成后，使用CosmosWorks软件对实体模型进行运动模拟，并得到模型上指定点的运动速度曲线及加速度曲线，以便对机具特殊点位置的运动、受力分析。
1、机具三维实体模型建立的一般步骤
(1)对所需建立实体模型的机具进行结构分析，将其拆解围若干独立的部分;
(2)对各独立的部分进行拆分，分解为最小的单元——零件，然后建立零件的三维实体模型;
(3)将完成的零件实体模型进行虚拟装配，完成独立部件的装配，然后将各相对独立的部分再结合成机具整机。
机具模型的建立如图1所示：
图1 拨禾轮模型
2、机具实体模型运动模拟的一般步骤
(1)首先设定个零部件之间的运动关系，如图2所示：
图2 零部件间运动关系的设定
(2)根据零部件的运动特征设定运动模拟所需的相关运动参数，如图3所示：
图3 零部件运动参数的设定
(3)设定完零部件的运动参数后就可以进行运动模拟了，使用者可以根据需要在运动模拟的过程中显示出指定点处的运动、加速度等曲线图，如图4所示：
图4 运动模拟图
图4是联合收割机中切割器装置的运动模拟图，其中的曲线图就是切割器动刀顶尖处的加速度图(上)和速度图(下)，在模拟运动时，速度图和加速度图中的指针可以实时指示指定点处的速度和加速度值。
三、结束语
典型农机具三维模型库在教学中的应用，使学生更好的理解和掌握农业机械一些关键复杂机构的装配关系、运动关系以及不同时刻各部件所具有的速度加速度等关系。尤其是在给农学系的同学上课时，由于他们对机械方面的知识了解甚少，以前给他们上课往往要对某个机具、部件解释很长时间，学生也不一定能够理解，尤其涉及到机构的运动时更是如此，现在使用三维实体模型进行讲解，学生很容易明白各种机具的结构，利用三维模型模拟机构的运动学生更是一目了然。
目前农业机械化发展迅速，各种新型农机具不断涌现，为了能够使农业机械类课程紧跟农业机械化的最新发展，我们需要不断地补充最新型农机具的三维实体模型，这样才能使学生及时深入了解现在农业机械化发展的最新动态。
参考文献
[1] 王晓玲，李勇峰. 机械设计三维建模的教学方法探索[J]. 中国新技术新产品，2009,8：211. [2] 徐超，葛红美. 虚拟仿真技术在教学应用中关键技术的研究[J]. 福建电脑，2009,11：144. [3] 黄雁鹏. 仿真模拟技术在职业教育中的应用[J]. 上海职业培训研发中心，2009，(02):76-78. [4] 郭燕，赵海峰. 三维建模引入机械专业基础课程体系的改革与实践[J]. 科技创新导报，2009,6：174-175. [5] 王铮铮，贾世龙. 三维建模理念的组合体构形在教学中的尝试[J]. 沈阳建筑工程学院(社会科学版)，2004,5,6(1):87-88.
[6] 曹琳. AutoCAD三维实体造型技术在制图教学中的应用[J]. 华北水利水电学院学报(社科版)，2002,(18).
[7] 钟良，刘传惠，沈良琼. 多媒体教学中三维建模的方法研究[J]. 实验科学与技术，2004,9：76-78.
[8] 崔盟军，宋英杰，李巍杭.三维建模软件在工程制图教学中的应用[J].承德石油高等专科学校学报,2010,3,12(1):68-71.
作者简介：唐茜，女，讲师，主要从事教学管理工作。
郭辉 ，男，副教授，主要从事农业机械工程专业的教学和研究工作。
韩长杰，男，讲师，主要从事农业机械工程专业的教学和研究工作。
杨宛章，男，教授，主要从事农业机械工程专业的教学和研究工作。
实训任务书
加工十一班
任课教师： 李 树 清
目录
一、圆球、圆柱 ·························································································································4
(一)、任务内容 ····················································································································4
(二)、任务目的： ················································································································4
(三)、任务实施： ················································································································4
(四)、任务相关知识 ············································································································5
二、圆锥 ·····································································································································5
(一)、任务内容 ····················································································································5
(二)、任务目的 ····················································································································6
(三)、任务实施 ····················································································································6
(四)、任务相关知识 ············································································································7
(五)、任务练习与拓展 ········································································································8 三.实体旋转 ·····························································································································8
(一)、任务内容 ····················································································································8
(二)、任务目的 ····················································································································8
(三)、任务实施 ····················································································································8
(四)、任务相关知识 ·········································································································· 10
(五)、任务练习与拓展 ······································································································ 11
四、实体倒角 ··························································································································· 12
(一)、任务内容 ·················································································································· 12
(二)、任务目的 ·················································································································· 12
(三)、任务实施 ·················································································································· 13
(四)、任务相关内容 ·········································································································· 15
(五)、任务练习与拓展 ······································································································ 15
五、布尔运算—结合 ················································································································ 16
(一)、任务内容 ·················································································································· 16
(二)、任务目的 ·················································································································· 16
(三)、任务实施 ·················································································································· 16
(四)、任务相关知识 ·········································································································· 17
六、布尔运算—切割 ················································································································ 17
(一)、任务内容 ·················································································································· 17
(二)、任务目的 ·················································································································· 17
(三)、任务实施 ·················································································································· 17
(四)、任务相关知识 ·········································································································· 18
七、布尔运算—交集 ················································································································ 18
(一)、任务内容 ·················································································································· 18
(二)、任务目的 ·················································································································· 18
(三)、任务实施 ·················································································································· 18
(四)、任务相关知识： ······································································································ 19
(五)、任务练习与拓展： ·································································································· 19
八、综合实体： ······················································································································· 19
(一)、任务内容 ·················································································································· 19
(二)、任务目的 ·················································································································· 20
(三)、任务实施 ·················································································································· 20
(四)、任务练习与拓展 ······································································································ 24
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一、圆球、圆柱
(一)、任务内容：根据图1-1利用圆球和圆柱体创建如图1-2所示哑铃实体
图1-1
图1-2
(二)、任务目的：
1.掌握三维实体(圆柱体、球体)的基本创建方法。 2.能利用这两个基本图形创建复杂的图形。
(三)、任务实施：
1.单击文件工具栏中的【新建文件】按钮按钮，单击基本实体按钮
，选择
，在工具栏中单击等角视图，出现如图1-3所示的对话框，单击坐标原点在对话框中输入球体半径20单击【实体】，创建半径为20的球体如图1-4所示。
图1-3
图1-4 2.选择视角为右视图如图1-5所示。
3.基本实体按钮
，选择
，在坐标值为(80，0，0)处创建同样的圆球，
，出现圆柱体对
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话框，参数设置如图1-6所示(注意：单击实体，选择Y轴)，选择【布尔运算-结合】，最终图形如图1-7所示。
图1-5
图1-6
图1-7
(四)、任务相关知识：
1.圆球和圆柱体有实体和曲面之分
2. 圆球和圆柱体的旋转角度均为0到360度
二、圆锥
(一)、任务内容：根据图1-8和图1-9利用圆锥体创建如图1-10所示实体图形
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图1-8(中间大圆锥体)
图1-9(周边小圆锥体)
图1-10(小圆锥体共5个)
(二)、任务目的：
1.掌握三维实体中圆锥体的基本创建方法。 2.能利用该图形创建复杂的图形。
(三)、任务实施：
1.单击文件工具栏中的【新建文件】按钮按钮，单击基本实体按钮
，选择
，在工具栏中单击等角视图
，出现如图1-11所示的对话框，单击坐标原点在对话框中输入图1-11所示参数，单击【实体】，创建如图1-12所示的圆锥体。
2.再次单击，根据图1-11所示参数在点(20，0，0)处创建基部半径为10，顶部半径为5，高为10的圆锥体，如图1-13所示
3.选择旋转命令击
，将小圆锥体复制4个，参数设置如图1-14所示，单，选择【布尔运算-结合】，最终图形如图1-15所示。
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图1-11
图1-12
图1-13
图1-14
图1-15
(四)、任务相关知识：
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1.圆锥体有实体和曲面之分 2. 圆锥体的旋转角度为0到360度
(五)、任务练习与拓展： 利用基本实体命令创建如下图所示实体
1.
三.实体旋转
(一)、任务内容：根据图2-1利用旋转实体命令创建如图2-2所示实体
图2-1
图2-2
(二)、任务目的：
1.了解三维实体中【实体旋转】的基本创建方法。 2.掌握【旋转操作】和【薄壁设置】等命令的使用。
(三)、任务实施：
1.单击文件工具栏中的【新建文件】按钮。
2.然后单击【绘制任意线】按钮
，创建如图2-3所示的二维图形。
，在工具栏中单击前视图按钮
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图2-3
3.选择【实体】/【实体旋转】命令或单击实体设计工具栏中的【实体旋转】按钮打开【串联选项】对话框，绘图区系统提示
,选取如图2-4所示的串连.
，单击串连按钮
图2-4
图2-5 4.选取串联曲线后，单击【串联选项】中确定按钮示
，然后单击工具栏中【等角视图】
。
，绘图区系统提，如图2-5所示，出现方向对话框如图2-6所示，单击
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图2-6
图2-7 5.在出现的【旋转实体的设置】对话框中，参数设置如图2-7所示，，再次单击示： ，并且单击工具栏中【图形着色】按钮
，实体如图2-8所
图2-8
(四)、任务相关知识：
1.【旋转实体】是将二维截面图形绕中心轴线旋转一定角度后，由截 面图形运动轨迹所形成的实体模型。
2.【旋转实体的设置】对话框中【旋转】选项卡： 1).【旋转操作】选项组：
【建立实体】：按照设定的参数创建一个实体模型。
【切割实体】：按照设定的参数切割一个实体模型。
【增加凸缘】：按照设定的参数为实体模型增加浮雕。
2).【角度/轴向】选项组：
在【起始角度】和【终止角度】文本框中输入角度的设定值指定旋转的角度。
【重新选取】按钮用于重新设定旋转轴。
【换向】复选框用于自动生成反方向旋转的实体。
3. 【旋转实体的设置】对话框中【薄壁】选项卡：设置与挤压内容相同。 例：将上图创建为薄壁实体
1.将图3-7所示的【旋转实体的设置】对话框参数设置如图2-9所示， 单击【薄壁设置】按钮出现如图2-10所示对话框，单击确定按钮，薄壁实体如图2-11所示。
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图2-9
图2-10
(五)、任务练习与拓展：
1.利用旋转命令创建如下图所示图形
图2-11
2.利用旋转命令创建如下图所示图形
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四、实体倒角
(一)、任务内容：绘制图3-1所示图形，利用【单一距离倒角】将其上表面倒角半径为5，利用【不同距离倒角】绘制图3-2所示图形和利用【距离/角度倒角】绘制图3-3所示图形，将其上表面倒角半径为5
图3-1
图3-2
图3-3
(二)、任务目的：
1.掌握单一距离倒角、不同距离倒角、距离/角度倒角的基本操作方法。 2.掌握实体倒角的各参数的设置
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(三)、任务实施：
1. 单一距离倒角
1).选择【实体】/【倒角】/【单一距离】命令，或单击实体设计工具栏中的【单一距离】按钮2).绘图区系统提示
。
选取实体表面，按回车键，出现如图3-
4 所示的对话框，设置倒角距离为5，单击3).图3-5是图3-6倒角后的效果。
3-4
图3-5
图
2.不同距离倒角
图3-6 1).选择【实体】/【倒角】/【不同距离】命令，或单击实体设计工具栏中的【不同距离】按钮2).绘图区系统提示
选取实体表面，按回车键，出现如图3-7
所示的对话框，设置第一倒角距离为4，第二倒角距离为8，单击3).图3-9是图3-8矩形倒角后的效果图。
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图3-7
图3-8
3. 距离/角度倒角
图3-9 1).选择【实体】/【倒角】/【距离/角度】命令，或单击实体设计工具栏中的【距离/角度】按钮2).绘图区系统提示
。
选取实体表面，按回车键，出现如图3-10
所示的对话框，设置第一倒角距离为5，角度为45度，单击3).图3-12是图3-11矩形倒角后的效果图。
图3-10
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图3-11
图3-12
(四)、任务相关内容：
1.倒角是在实体的边线处生成一个有一定角度的斜面，倒角有单一距离倒角、不同距离倒角、距离/角度倒角三种方法。
2. 单一距离倒角：在倒角的两个表面截取相同的长度时，指定一个距离来倒角。
3. 不同距离倒角：在倒角的两个表面截取不同的长度时，指定两个距离来倒角。
4. 距离/角度倒角：在倒角的一个表面截取一定长度，并以一定的角度修剪另一表面时，需要指定距离和角度进行倒角。
(五)、任务练习与拓展：
1.拉伸实体，并且倒角和倒圆角
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五、布尔运算—结合
(一)、任务内容：利用【布尔运算—结合】命令创建图4-1所示图形
图4-1
(二)、任务目的：掌握布尔运算中结合运算的相关知识。
(三)、任务实施：
1).单击文件工具栏中的【新建文件】按钮按钮
，选择
，然后选择
以原点创
，在工具栏中单击等角视图2).单击基本实体按钮建如图4-2所示图形
3).选择【布尔运算—结合】命令，出现
，选中长方体和圆柱体，按回车键，长方体实体和圆柱体实体结合为一个实体。
4).线架实体原形如图4-3所示，线架实体最终图形如图4-4所示。
图4-2
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图4-3
(四)、任务相关知识：
图4-4
1.实体并集运算是指将图形中已存在的、部分重叠(至少共面)的多个三维实体无缝的连接成一个实体。
六、布尔运算—切割
(一)、任务内容：利用【布尔运算—切割】命令创建图4-5所示图形
图4-5
(二)、任务目的：掌握布尔运算中切割运算的相关知识。
(三)、任务实施：
1).单击文件工具栏中的【新建文件】按钮按钮。
，选择
和画多边形，利用挤出命令创，在工具栏中单击等角视图2).单击基本实体按钮建如图4-6所示图形
3).选择【布尔运算—切割】命令
，选中球体和六方体，按回车键
4).创建最终图形如图4-7所示。
，出现
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图4-6
图4-7
(四)、任务相关知识：
1. 实体差集运算是指两个实体有部分重叠，或者一个实体完全包含了另一个实体，可以从该实体中挖去一个实体，从而在该实体中产生一个凹坑，甚至一个空洞。
七、布尔运算—交集
(一)、任务内容：利用【布尔运算—切割】命令根据图4-8创建图4-9所示图形
图4-8
图4-9
(二)、任务目的：掌握布尔运算中交集运算的相关知识。
(三)、任务实施：
1).单击文件工具栏中的【新建文件】按钮按钮。
，选择
和
，在工具栏中单击等角视图2).单击基本实体按钮所示图形
，创建如图4-103).选择【布尔运算—交集】命令
，出现
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，选中球体和圆柱体，按回车键
4). 创建最终图形如图4-11所示
图4-10
图4-11
(四)、任务相关知识：
1.交集运算是获得两个实体的重叠部分，仅有公共面而没有重叠的两个实体无法通过交集运算，获得它们的公共平面(曲面)。
(五)、任务练习与拓展：
1.利用挤出，布尔运算等命令创建如图所示图形
八、综合实体：
(一)、任务内容：创建烟灰缸的三维造型，如图1所示
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图1
(二)、任务目的：
1.掌握挤出命令在实际图形中的运用。 2.熟悉倒圆角命令的使用 3.掌握抽壳命令的运用
(三)、任务实施：
1).单击文件工具栏中的【新建文件】按钮钮键，按绘制矩形的快捷键
，在工具栏中单击俯视图按
进行绘制长宽各为50的矩形，再按矩形的快捷进行绘制长宽各为40的矩形，对其倒圆角，半径为10，并对其进行定位于原点。如图2所示。
图2 2).选择菜单栏中的【实体】/【挤出】命令，弹出串联选项对话框如图3所示，并选择串联的快捷键
，选择串联曲线50X50的矩形，再按下确定
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键，弹出实体挤出的设置对话框，如图4所示。并做以下设置：选中增加拔模角的复选框，设置角度为18度;选朝外的复选框;挤出的距离设置为20mm，再按确定键，得到图5的结果。
图3 图4
图5 3)、再次选择菜单栏中的【实体】/【挤出】命令，弹出串联选项的对话框(图6)，并选择串联的快捷键定键
，选择串联曲线40X40的矩形，并按下确，弹出实体挤出的设置对话框(图7)，并对其做以下设置：增加拔模
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角的复选框角度设为10度;去除朝外的复选框;挤出的距离设置为18;选中 “切割实体”复选框，按确定键
得到图8所示结果。
图6
图7
图8 (4)、分别选择
和
，在原点各画半径为3的圆，然后执行菜单栏中的【实体】/【挤出】命令，弹出串联选项的对话框，如图6所示。并选择串联的快捷键
，选择串联曲线R3圆，再按下确定键，弹出实体挤出的设置对话框如图9所示，并对其做以下设置：去除增加
22
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拔模角的复选框;选中“切割实体”和“两边同时延伸”的复选框再按确定键。再经过步骤(4)选择另串联曲线R3圆，得到如图10所示的图形。
图9
图10 (5)、执行菜单栏中的【实体】/【倒圆角】命令，选择选择面
，，单击需要倒角的面，按回车键出现如图11所示图形，单击，图形如图12所示。
图11 图12 6).单击实体抽壳命令实体的底平面，按回车键，确定。
，出现
，选择 7).单击烟灰缸底平面，最终实体如图13所示(图14为烟灰缸底平面视图)。
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图13
图14
(四)、任务练习与拓展：
1.下图为玩具盒盖，材质为塑料，试做出其实体。
2.利用直线命令、圆弧命令、矩形命令和椭圆命令绘制台灯罩线架，并利用旋转实体命令、扫描实体命令和拉伸实体命令绘制三维实体模型。
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机动练习题：
练习1-基本实体
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练习2-基本实体
练习3-挤出实体与布尔运算
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练习4-挤出实体与布尔运算
练习5-旋转建模
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练习6-扫描实体
练习7-实体薄壳
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练习8-综合练习
练习9-综合练习
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摘要
:本文在平面设计的基础概念上，提出“平面设计≠‘平面’设计”的观念，打破平面设计二维化的既定思维，将平面设计向三维空间拓展。使平面设计的含义不再狭隘，明确现代“平面设计”应该包括基于实体化三维空间的平面设计。通过结合不同领域的成功案例分析得出通过材料、工艺、媒体等形式使平面设计实体三维化。
关键词
：平面设计;实体三维空间;拓展
在中国，“平面设计”是翻译于“graphicdesign”，“graphicdesign”是不带有维度概念的词，但中译后的“平面”一词，使我们对其的理解局限在二维上，使其平面设计概念也变得模糊化，含义变得狭隘。在一定程度上限制了我们对于“graphicdesign”的拓展[1]。加勒特埃克伯说：“人们生活在一个三维的空间中……人生最伟大的体验之一，就是置身在这个完美的三维体量之中”将“平面设计”融入三维，观者能更好地体验、感受、理解设计师所要表达的“平面设计”作品。所以平面设计的概念应该包括基于二维空间的平面设计、基于虚拟三维空间的平面设计和基于实体三维空间的平面设计。将平面设计向实体三维空间效果拓展，不仅可以提升作品的感官体验效果，同时还能增加与观者的互动性、融入性，增强观者的想象空间，拓展观者的思维。因此，本文结合三维空间的理论，以及应用于平面设计的“三维空间”实体案例进行分析，得出平面设计向三维设计拓展的必要。由此，研究二维、三维空间与平面设计的关系，能够更好地激发设计者创作的多样性，表达设计者所想表达的设计内容，也能够使观者能动地，带入性地了解作品，理解设计者的设计主题。
1平面设计中的“三维空间”与实体三维空间
在“平面设计”中，三维空间可以简单地分为虚拟三维空间和实体三维空间。虚拟三维空间是指依旧在二维的平面设计范畴内，利用错视觉的引导，所产生具有明确的轮廓的虚幻空间。换句话说，就是二维的平面设计里的“视觉”三维。
1.1二维设计里的“视觉”三维
“视觉”三维指的是视觉感官上平面内的“立体”空间。点线面、明暗、色彩作为平面设计的基本要素，它的变化往往能使平面设计具有律动感和空间感，使画面具有“立体”空间效果。图1是由KurtWenner(美国)通过透视原理在同个水平面内利用人的视错觉关系描绘了这幅立体街头绘画(3-DStreetPainting)——三维立体画《Reections》。它是利用人眼立体视觉的特点产生描绘的作品，利用人眼视觉空间的延续性，将二维作品以伪三维的形式展现，使作品的表现力丰富，意境深远。但是依旧没有脱离二维空间的局限，以一种平面的、单一的面的空间形式存在，并不是真正意义上的，真实的三维空间，“立体”的平面设计。平面设计师乔尔森泰说过“设计师在不断通过明暗手法、矛盾空间、色彩色调、叙事结合的手段来强化三维效果时，其实都被手法欺骗了眼睛”。也就是说，在“平面”二维空间内的制造出来的“视觉”感官的三维效果，是基于虚拟三维空间的平面设计。
1.2实体三维空间与平面设计
三维空间的概念是：日常生活中可指由长、宽、高三个维度所构成的空间[2]。三维设计是新一代数字化、虚拟化、智能化设计平台的基础，它是建立在平面和二维设计的基础上，让设计目标更立体化，更形象化的一种新兴设计方法[3]。平面设计向三维空间拓展既需要设计者突破“平面设计”的字面含义，更需要设计者不拘于既定思维，突破球星。与印刷形式的平面设计相比较，包括实体三维化的平面设计给我们带来更多的拓展空间，以书籍为例，书籍即是二维也是三维。就页面来说，每一页都是两个二维面的贴合，但翻阅的过程则是一个三维过程。1.2.1立体书籍封面单以页面来说，通常可见的书籍设计属于印刷作品，惯性在于无法摆脱传统的二维平面的束缚，通过印刷文字、图形对视觉感官的刺激来传达信息。而将二维的设计作品与实体三维空间中的真实元素相融合，如图2是来自拉脱维亚设计师艺术家MandarinDuck的书籍封面设计，除了增强视觉效果，也可以更全方位，多角度传递设计信息。图2设计师通过增加二维平面设计中没有的触觉体验，来增加作品的真实感与吸引力。1.2.2书籍内容立体化强化阅读的三维空间感，使阅读过程中的思维想象转变为一个观感过程，则在书籍中融入三维设计元素，例如图3Sabuda,Robert创作的立体书《绿野仙踪》的表现手法，给故事书建造了一个可看，可触碰的具体空间，使静态的书，具有动态的“趣味”效果。不管是表现形式，还是传达功能上也拓展了平面设计的领域。实体三维化的平面设计能够打破传统束缚，增强感官体验;融入观者参与，更好传达信息;增强趣味性，吸引观者目光。实体三维设计能够更好地将以人为本的设计思想进行贯彻，通过与观者的互动过程中，使作品更好地被了解，也更好地了解观者的需求[4]。传统的二维平面设计对观者来说只是以“局外人”的视角，看设计作品，因此不能很好地融入设计作品，甚至去影响设计作品。但是在遵循互动行为时，利用现代新型媒体手段或者融入观者的行为动作使平面设计完整等，来实现必要的互动性设计。总之，突破传统的印刷形式，空间束缚，使平面设计形成多方位可见，互动性强的实体三维化的平面设计。
2平面设计向实体三维设计拓展的方式
本身存在的空间(平面)+媒介=实体空间(三维)。本身存在的空间指的是通过印刷形式的二维平面设计作品。二维平面只是平面设计中的形式之一，对细致刻画作品的内在含义，是难以做到“完美”的。因此，设计者必须通过对引入媒介来探索平面设计的“实体三维”空间建设。通过“实体三维”建设的研究手法打破印刷形式的品面局限，从二维走向三维，从平面走向立体，从立体空间的多角度重新认识印刷形式的二维设计和实体媒介相结合的多样性表现，从真正意义上突破二维空间的传达设计，达到实体三维化设计[4]。陈逸飞先生在创立逸飞集团时说过：“我们致力于打破视觉局限，颠覆视觉惯性，创造一种全新的、“大视觉”的视觉文化。这是一个颠覆的时代，视觉艺术已经突破了传统平面美术的束缚，它的外延正在无限地扩展。”由此看来，平面设计突破印刷形式需要引入媒介[5]。对于媒介的映入我们可以通过以下的手法：运用材料本身的特性、手工艺的技法技巧，光与影与人的关系，突破二维平面设计的限制，真正实现三维视觉空间的立体设计。简单地将“媒介”分为以下3种：
2.1材料的运用
利用材料本身所属的三维空间在平面上设计，突破了传统、二维的印刷设计的范畴，平面设计师利用各种材料、工艺形成新的平面设计，即实体三维化的平面设计，在保留材料、工艺自身属性的基础上，改变了印刷形式的平面设计的视觉观感，创造出实体三维效果。图4原研哉设计的梅田医院视觉指示系统，巧妙地将印刷作品和实物进行结合，将作品中的印刷主体物或重点表达处用实物代替，能更直接、更有效地表达设计作品所要表达的重点、主题，也更具创意。将印刷与实物结合，拓宽平面设计领域。
2.2工艺技术
工，巧饰;艺，艺术。工艺可以理解为“巧饰的艺术”，那么工艺技术就是将原材料或半成品加工成产品、艺术品的方法、技术。用“工艺”的方式，结合材料的特性，来寻求生活和艺术相结合，使平面设计脱离全印刷的平面形式。在技术发展的今天，工艺技术不再那么复杂，图5是爱沙尼亚设计师EikoOjala的剪纸作品，就是依靠剪纸这种工艺技术完成的作品，使平面的山水画破纸而出，光影效果强烈的三维视觉感官，使作品的既视感更为强烈。
2.3媒体运用
“技术启发艺术，艺术挑战技术”当平面设计遇见光时，通过光艺术，使平面设计的表现形式丰富，视觉效果新颖，光的可变性也是平面设计变为具有动态效果的独创性设计，媒介也从实体材料扩展到了光学。开启了平面设计创作的新“空间”。图6是EMart的3DQRCode创意，利用正午时光的照射与长短不一的code的阴影形成一个完整的二维码。正是这种三维的效果使EMart中午时段的销售额大大提升，而且也带来了更大的曝光率。实体三维化的平面设计拓展方向在于打破印刷形式的二维束缚，但是印刷形式的二维设计也是推动平面设计由二维向实体三维设计拓展的有利因素，传统设计中在乎运用明暗颜色、虚实对比等并非是落后的手段，如果将其与真实效果结合，就能够完整地凸显三维效果[6]。
3结束语
设计无定式[7]。纸和印刷相结合的“平面”设计确实在平面设计领域中取得了很好的成绩，但是技术的发展，对平面设计师的要求在发生着变化。用空间的眼光看待“平面设计”，打破平面设计“平面”化的既定思维，将平面设计从二维空间向实体三维化空间拓展。实体三维化平面设计讲的是二、三维，虚实的结合。将实体材料放置于印刷作品中，形成一种新的视觉感官的平面设计。平面设计突破空间限制，突破单一的印刷形式，赋予更多的真实效果，实体视觉刺激，如此才能为其拓展更广泛的领域。
参考文献
[1]牛玉慧,刘方林.平面设计的空间性研究[J].包装工程.2007.11.192-194
[2]百度百科
[3]百度百科
[4]孙斐.二维平面设计中的三维视觉空间表现[J].美术大观.2010.11.206
[5]黄婷.平面设计向三维空间拓展研究[J].包装工程.2011.05.18-21
[6]姜昕.平面设计向三维空间拓展研究[J].艺术科技.2014.12.172
[7]李耀新.新时代新使命新格局——以创意设计引领创新转型的初步思考[J].设计.2015(22).148-149
本实验实例1创建了支承座实体模型，假设经“并运算”后的支承座实体模型是在0层，
1、2层没有任何图形实体。由实体模型生成三视图的参考步骤如下：
1. 设置图幅
选择【插入/布局/来自样板的布局】菜单命令，打开“从文件件选择样板”对话框，如图4.8所示，选择【Gb-a3…】样板文件，单击【打开】按钮，即可打开“插入布局”对话框，单击该对话框中的【确定】按钮即可插入“Gb A3 标题栏”布局。
图4.8 选择样板文件对话框
单击【Gb A3 标题栏】布局标签，点击“标准”工具栏中的“全部缩放”按钮，将“图框_视口”层的锁打开，关闭样板文件自带的其他图层(“图框_视口”仍打开)，删除缺省的视口(视口对象的选择应选视口边框，必须是在图纸空间完成此操作)，再将所有图层打开，并将“图框_视口”层设置为当前层。
2. 在图纸空间创建4个浮动视口
命令：-vports
(对应【视图(V)/视口(V)/4个视口(4)】菜单项)
指定视口的角点或 [开(ON)/关(OFF)/布满(F)/着色打印(S)/锁定(L)/对象(O)/多边形(P)/恢复(R)/图层(LA)/2/3/4] <布满>：4
指定第一个角点或 [布满(F)] <布满>：
(取A点，如图4.9所示)
95 指定对角点:
(取B点，如图4.9所示) 正在重生成模型。
创建四个视口后，删除右下角视口(与标题栏重叠的视口删除)，结果如图4.9所示。
图4.9 设置图纸布局
3. 改变视点方向，生成所需的三视图
命令：_.mspace(双击左上角视口，转向浮动模型空间)
命令：_-view
(选择左上角主视图视口，点击“视图”工具栏中的“前视”按钮输入选项 [?/删除(D)/正交(O)/恢复(R)/保存(S)/设置(E)/窗口(W)]：_front 命令：_-view (选择左下角俯视图视口，点击“视图”工具栏中的“俯视”按钮输入选项 [?/删除(D)/正交(O)/恢复(R)/保存(S)/设置(E)/窗口(W)]：_top
命令：_-view (选择右上角左视图视口，点击“视图”工具栏中的“左视”按钮输入选项 [?/删除(D)/正交(O)/恢复(R)/保存(S)/设置(E)/窗口(W)]：_left
) ) )
4. 设置各视口的绘图比例，并对齐各视图
如图4.10所示，利用“视口”工具栏右侧下拉列表设置各视口的比例为1：2。 若图面布局不合理，可使用PAN命令或“平移”工具
来移动各视口中的图形(最好不用MOVE命令移动模型)。为保证三视图做到“长对正、高平齐”，需用MVSETUP命令来对齐各视图。结果如图4.11所示。
96
图4.10 “视口”工具栏
命令：mvsetup 正在初始化... 创建默认文件 mvsetup.dfs 于目录 C:Documents and SettingsAdministratorapplication dataautodeskautocad 2010 18.0chssupport. 输入选项 [对齐(A)/创建(C)/缩放视口(S)/选项(O)/标题栏(T)/放弃(U)]: a 输入选项 [角度(A)/水平(H)/垂直对齐(V)/旋转视图(R)/放弃(U)]: v
指定基点: >>
(选择主视图视口为当前视口，打开端点快速捕捉方式) 指定基点:
(如图4.11所示，选择主视图视口中的A点) 指定视口中平移的目标点:
(选择俯视图视口中的B点) 输入选项 [角度(A)/水平(H)/垂直对齐(V)/旋转视图(R)/放弃(U)]: h 指定基点:
(选择主视图视口中的A点) 指定视口中平移的目标点:
(选择左视图视口中的C点)
图4.11 支承座三视图视口设置
5. 提取各视图中的轮廓线
命令：_solprof
(单击主视图浮动视口，并输入该命令) 选择对象：(选取支承座模型) 找到1个
选择对象：(按回车键)
是否在单独的图层中显示隐藏的轮廓线?[是(Y)/否(N)] <是>：(按回车键) 是否将轮廓线投影到平面?[是(Y)/否(N)] <是>：(按回车键)
97 是否删除相切的边? [是(Y)/否(N)] <是>：(按回车键) 用同样的方法提取俯视图和左视图中模型轮廓线的投影。
使用LAYER命令，打开“图层特性管理器”对话框，如图4.12所示。在该对话框中已自动创建了PH-2
37、PV-237等6个图层，其中以“PV”字母开头的图层用于存放实体模型可见轮廓线在该视图中的投影，以“PH”字母开头的图层用于存放实体模型不可见轮廓线在该视图中的投影，为符合《国家制图标准》要求，应将PH所在层的线型设为虚线。在当前活动视口中冻结实体模型所在层，即可见各视图中轮廓线的投影(若视口中没有图线，请单击“视觉样式”工具栏中的“二维线架视觉样式”按钮
)。
图4.12 “图层特性管理器”对话框
98
巧家一中 生物组 徐嘉佳
一、教学目的：
1、制作动物细胞三维立体模型。
2、加深学生对细胞结构和功能的理解和应用。
3、培养学生的动手操作能力和团队合作精神，启发学生的想象，充分发挥他们的自主创造力，利用各种材料制作动物细胞的三维立体模型。
二、准备工作：
(一)材料：用泡沫削成半球型(买不到琼脂，可到广告公司买8cm厚的泡沫，经济而且可重复使用);购买彩泥(制作细胞结构);大头针(固定彩泥)。
(二)分组：6人一组，让学生商量后选出组织能力强的人担任组长。
(三)复习细胞的结构和功能：可让学生画动、植物细胞结构模式图，对比动植物细胞的区别，复习各种细胞结构的功能。
三、开展教学活动：
(一)强调制作模型的要求：
1、活动目的：“制作动物细胞三维立体模型”
问：动、植物细胞的区别是?
学生答：中心体、细胞壁、叶绿体、液泡。 问：制作动物细胞模型时那些结构不能做? 学生答：细胞壁、叶绿体、液泡。
2、要保证模型知识点正确。
3、注意细胞结构之间大小比例问题。如，核糖体不应做得太大。
4、要知道自己用彩泥做的模型代表细胞的什么结构，小组内要统一看法。
(二)实施活动: 将事先准备的材料发给学生，让小组长协调，分配任务到每个成员，合作完成模型的制作。
随时视察各小组制作进度，对做得好的、有创意的给予鼓励，对有知识错误的地方给予指正。并提问彩泥的各部分代表什么。尽量激发学生的创造欲，不要束缚学生的思维，只要能给出合理解释，像不像不太重要。另外尽量让每个学生参与进来，对于乱窜的学生让组长批评，不参与回答问题的学生要及时提醒。
模型做好后集中放到讲台，让各小组观看其他小组的成果，取长补短，相互学习。
四、教学反思：
1、对做得好的小组应给予更多的鼓励。
2、在提问时可以连带问各个细胞结构的功能，这样不仅让学生通过制作模型巩固了对细胞结构的理解，还复习了细胞器的功能。
3、可以让各小组成员和自己制作的模型合影，让学生有成就感。
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