SolidWorks在高职《机械制图》课程教学中的应用研究

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摘 要：随着信息技术的发展，三维建模技术被引入了机械制图的教学过程。该文针对SolidWorks三维建模技术与高职《机械制图》课程教学相结合的具体应用进行了实践和研究，并对教学过程进行了反思。通过该教学研究，为《机械制图》课程的信息化教学改革积累宝贵经验。
关键词：SolidWorks 机械制图 信息化教学
中图分类号：TH126-4  文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）06（b）-0060-03
1 高职《机械制图》课程
该课程是一门培养学生识图和绘制机械图样能力的技术基础课[1]。在教学过程中，需要逐步培养学生的空间想象力和构思能力。传统的机械制图教学，通常使用PPT图片或者实体模型来展示形体的外部形状特征和内部结构特征。图片立体感欠佳，且不能从多方位观察模型。实体模型虽然能很好地展现机件内、外部的结构，但是模型体积较小，课上的展示效果并不理想。
2 SolidWorks软件
SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows系统开发的三维CAD软件，该软件以参数化特征建模为基础，具有功能强大、易学、易用等特点[2]。SolidWorks的工程图是全相关的，例如当修改图纸时，三维模型、各个视图、装配体都会自动更新。SolidWorks软件可以在一个CAD文档中，通过对不同参数的变换和组合，派生出不同的零件或装配体。基于SolidWorks强大的建模功能，将三维虚拟模型引入到机械制图的课堂上，用以丰富教学形式，激发学生的学习兴趣。
3 SolidWorks在高职《机械制图》教学中的应用
结合高职学生的学习特点，教师要不断地激发学生学习兴趣，可以从提供具体形象的刺激入手[3]。将三维实体的专业设计软件SolidWorks应用到机械制图的教学实践中去，形成新的多媒体教学，形成图、文、声、像、动画、视频的有机结合，表现一般教学手段不易表达的内容，展示现场观察不清楚的细节，将抽象的概念转化为生动活泼的画面，使课堂教学直观易懂，易于接受和理解[4]。从而提高学生的学习积极和课堂的教学效率，同时增强机械制图的教学效果。
（1）SolidWorks在立体及其表面交线教学中的应用。基本体的投影包括平面基本体的投影和曲面基本体的投影两部分，在教学中引入SolidWorks软件制作的三维模型，一是可以全面观察基本体的形状;二是SolidWorks的四视图命令能够同时展示三维模型和三视图，从而帮助学生理解基本体各个面的投影特征及三视图长宽高的对应关系，帮助学生在三维立体和二维平面图形之间建立联系，培养空间想象能力;三是四视图的对应显示，这个功能便于学生理解三视图中点、线、面的对应关系。如正六棱柱的四视图（见图1），当用鼠标选中某一点、边或面时，选中的部分会变色以突出显示，在其他视图上与之对应的部分也会变色突出显示。
（2）在平面切割回转曲面体和相贯线的教学中，一是由于模型数量的限制，相贯线的形成和投影一直是教学的难点，而SolidWorks的建模功能能够突破实物的限制，让学生看到更多的三维模型，使学生更容易理解和记住相贯线的形状;二是通过更改SolidWorks模型参数，可以演示平面切割回转曲面体的截交线或者相贯线的变化规律。比如截平面与圆柱轴线成不同角度时形成的切割体的三视图及截交线的变化规律（见图2），以及不同直径的圆柱相贯时，相贯线的变化规律。三维虚拟模型的演示能使学生获得丰富的感性知识，有利于激发学生的学习兴趣，培养观察能力和抽象思维能力，学生学习更加直观易学。
（3）在切割体和切割型组合体的教学中，切割体形状复杂，学生缺乏空间想象力，注意力很难集中，需要老师对着图片重复几遍，学生思考很久才能理解空间形体的结构。这既影响学习效率，也打击学生的学习积极性。利用SolidWorks建模可以很好地展示空间形体的结构和切割过程，使得切割过程易于理解，提高了学生的学习兴趣。具体做法是：课前用SolidWorks建模，将模型逐步切割，上课时在SolidWorks的设计树中移动退回控制棒，来逐步演示模型的切割过程。在演示过程中，切割体的三视图在学生的脑海中就已经成形，适时用PPT动画或板书演示切割体三视图的作图过程，学生能够正确、快速地看出切口在三视图上的投影形状。这样不仅提高了学生学习的积极性，也提高了学习效率。
（4）叠加型组合体的教学过程中，用SolidWorks将叠加体的每一部分单独建模，并进行装配。讲授的过程中，可以通过移动/旋转零件来展示各部分的形体特征，逐个画出各部分的基本体;还可以将三维虚拟模型放大觀察各形体间的连接关系和细节，用来检查形体间表面连接处的投影是否正确。如图3和图4、图5，在剖视图、断面图的授课过程中，可以用SolidWorks建立三维模型，通过剖面视图功能或者切除命令进行剖切，来辅助授课。比如在讲授几个平行的剖切平面时，先在SolidWorks中建立三维模型，再用拉伸切除命令进行切除。授课过程中，通过移动SolidWorks设计树中的移动退回控制棒，可以从各个方位展示机件完整的外部结构和剖切后的内部结构。还可通过二视图命令，将轴测图和剖视图同屏显示，进行对照讲解（见图5）。通过观察右侧轴测图来理解实体左侧阶梯孔之间粗实线的由来。
（5）在装配图的教学中，SolidWorks建模能清楚地表达各个零件的结构形状（见图6）;在使用配合功能装配的过程中，让学生直观地观察每个零件在装配体中的功能和零件间的装配关系;装配完成后，通过动画功能可以演示机器或部件的工作原理。如千斤顶装配图（见图7），当旋转螺杆时，螺杆会相对于底座做上下方向的直线运动。SolidWorks建模使千斤顶各零件的结构和装配关系更加直观，工作原理更易于理解。学生通过对SolidWorks模型的观察，主动进行思考并得出结论，从而使教师由教学过程的主导者转变为学生学习的引导者。
4 SolidWorks在《机械制图》教学中的应用反思
（1）在机械制图课程中，用三维虚拟模型替代实体模型具有以下几个优势：一是可以建立大量的模型，为学生在课中和课后作业中遇到的各种组合体、装配体建立模型库;二是SolidWorks软件可以展示模型的变化过程，如切割体的切割过程、相贯线的变化过程等;三是可以展示不易观察的细节特征，使授课过程变得更加直观;四是可以展示零件的装配关系和机器或部件的工作原理。
（2）通过SolidWorks模型的应用，能够帮助学生在二维图形和三维立体之间建立联系，培养观察能力和建立空间想象能力，降低学生的学习难度，提升学习积极性，激发学习的兴趣，进而起到提高学习效率的作用。
（3）SolidWorks在教学中的使用必须结合PPT和板书来讲解投影规律、作图方法以及总结读图的规律和要领，促使学生通过观察模型获得的感性认识向理性认识转化，达到理解知识、加深记忆的学习效果。
参考文献
[1] 钱可强.机械制图[M].北京：高等教育出版社，2014：1.
[2] 暴风创新科技.SolidWorks2010从入门到精通[M].北京：人民邮电出版社，2011：1.
[3] 郭英，张雳.高等教育心理学[M].北京：高等教育出版社，2018：55.
[4] 王福娟，李耀辉.SolidWorks在《机械制图》教学中的应用[J].中国农机化学报，2013，34（2）：228-229，242.