科技信息 博士・专家论坛 基于Solidworks硇机赫制图教学应用砥夯 安徽工业大学机械工程学院 裴善报 【摘要]本文在分析了Solidworks辅助机械制图教学的优点后,从教学模式、模型库建设、主要应用举例等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]Solidworks机械制图教学 三维实体造型技术 0.引言 在娱乐中得到拓展,思维在兴趣中得以提高。 机械制图课程是机械类各专业重要的专业基础课,本课程的特点 2.SolidWorks软件在机械制图教学中的运用 是合理选用视图及表达方法表达各种零、部件的形体结构及相关国家 SolidWorks是公认的易学、界面友好、操作过程直观、简单、功能强 标准介绍。它研究的工程图样是机械设计的重要技术文件,是工程界进 大的三维软件。换句话说,教师容易使用而学生易于接受。教师能采用 行设计、制造、检测、安装、调试、维修的主要依据。本课程要求学生学会 Solidworks.根据教学的具体情况,随时增加一些典型例题,一步一步地 绘制和阅读工程图样,同时本课程具有很强的实践性,目的是培养学生 讲解,除了可使学生了解作图过程外,还可使学生对软件的使用,有更 空间思维能力及实际绘图的能力_1J。而培养学生的空间想象和形体思维 真实的认识。Solidworks教学使学生的空间概念更强,从而做到理论联 能力是本课程的重点和难点。传统的教学方法在某些方面已存在一定 系实际。这种教学过程紧凑,生动有趣,启发了学生的空间思维,激发了 的局限性,影响了机械制图课程的教学效果,因此针对传统机械制图课 学生的学习兴趣[21。 程教学中存在的问题,通过自己多年的教学实践,对机械制图课程的教 2.1建立“体一图—体”的新型实体化教学模式 学进行了探索。实践证明,在机械制图教学中灵活地运用SolidWorks三 传统的教育技术受教学条件不佳、学生做模困难等原因的影响,只 维绘图软件进行建模,可使复杂的空间几何形体直观化、形象化,使学 能先从二维图纸人手想象立体形状,再从立体形状绘制二维图形,即实 生更好地建立起空间概念,对提高机械制图的教学效果有很好的辅助作 行“图一体一图”的教学模式。这一模式违反了人们对形体的认知规律, 用。 初学者感到非常难懂。自从将3D技术引入制图教学后,机械制图教育 1.应用Solidworks辅助机械制图教学的优点 有了飞跃的发展。基于Solidworks强大的三维造型功能,我们终于实行 1.1符合学科体系转变和学生的认知心理特点 了“体一图一体”的教学模式。 机械制图是机械类的专业基础课,在此之前学生没有任何专业方面 Solidworks软件具有造型准确、快速的特点,教师授课时可根据备 的知识,形体和视图对学生来说比较陌生,机械零件方面的知识更是一 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 片空白,所以学生普遍感觉制图枯燥难懂、深奥难学。先前的“应试学 考基准面、拉伸切除等操作,建立教学模型。让学生观察模型的形成过 习”造成了学生对具体形象的缺少,当从抽象的投影理论中建立具体形 程,逐渐在头脑中形成三维空间的概念。然后由体人手,把原本按点、 象的想象能力时,就背离了学生现有的思维能力,容易造成学生对机械 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 制图学习的不适应心理。如果辅导不及时,他们一旦遇到想象不出来的 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 问题时,会产生厌烦,并逐渐失去了对机械制图学习的兴趣。充分利用 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 Solidworks软件直观性的优势,及时把抽象的知识变为学生可亲身观 图、斜视图及轴测图等,让学生直观地看到各视图的形成过程及视图问 察、能想象出来的知识,有助于学生理解、记忆,并逐步形成具体形象概 的关系。这种顺向思维教学方式,学生易接受。应在学生理解和掌握由 念,培养学生的学习兴趣,从而达到较好的教学效果。 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 1.2有助于提高学生的读图能力 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 机械制图的主要任务是培养学生的阅读图样、绘制图样的能力,而 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 阅读图样与绘制图样都离不开空间想象能力。因此,培养制图能力的实 维能力和构型能力能迅速提高。 质就是培养学生对空间形体的想象能力、分析能力和表达能力,这三种 2.2建立机械制图三维模型库 能力相辅相成,想象能力居于核心地位。Solidworks可以现场制作教学 机械制图的教学离不开模型,利用Solidworks制作出的模型完全可 模型,利用3D技术创建的模型不仅精度高、形象逼真,还能将复杂形体 以取代实物模型,并且可以根据教材的更新而修改,只需携带装有模型 的内外部结构、相贯体中相贯线的变化趋势、截交体的形成及装配体中 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 零件之问的连接关系充分地展示出来,加上动画效果,教学效果更加生 的教育技术,应成为现代制图教师的必备技能。结合机械制图教材和练 动、形象,使教学中的知识难点更加清晰易解。学生还可以通过三维建 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 模达到对零件图纸的理解,达到自我评价学习效果的目的,对学生开阔 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 视野、提高读图能力、提高对机械零件的表达能力都有很大的帮助。 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 13可增强实践性教学 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 为了使机械类专业的学生,毕业后在生产一线能胜任实际工作,必 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 须在校学习过程中加强实践能力的培养,实践教学的目的就是使学生 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 能够综合地应用所学的知识解决实际问题。目前计算机辅助教学已经 拟的。 成为机械制图课程的一个重要组成部分,在教学过程中,教师可以借助 2.3 Solidworks软件在机械制图教学中的应用举例 SolidWorks提供的测量与装配功能进行零件测绘以及装配体的拼装,然 基本体如学习“立体表面取点”内容时,学生空间想象力尚未建 后利用二维绘图软件进行零件图的绘制以及装配图的拼画。这种以虚 立起来,不能将立体上各表面与其形成的投影三视图很好地一一对应, 拟制造环境为背景的教学模式,有利于激发学习者的观察力、想象力, 想象不出三视图中的点、线在空间立体表面上的位置。教师可以根据需 有利于认知思维深化与发展,开阔了学生的视野,极大地提高了学习的 要选择具有代表性的案例,建立模型库,讲解时调用所需模型,通过软 趣味性与教学效率。 件的旋转、动态观察等命令让学生观看,详细地展示立体的每一部分, 1.4在达到直观教学效果的同时减少学校对教学模型等的资金投入 增加趣味性的同时增强他们对实物的感官认识,启发学生想象空间的 在传统的机械制图教学中,为了展现形体的空间结构特征,教师采 物体与视图之间的联系。 用圆规和三角板在黑板上绘直观图或者辅之以挂图、实物模型等,直至 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 采用多媒体课件进行教学,但均存在一定的不足之处。f1)各种实物、模 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掌握。 型和挂图的制作需要大量的资金投入;当合班教学时,由于模型体积 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 小,后排的学生看不清楚;实物及模型需要专门的保管室,在使用过程 线自动生成,学生很容易观察到。利用旋转命令,从不同角度观察形体 中磕碰损坏现象时有发生,造成模型、挂图的缺失又会影响到教学效果; 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 (2)采用课件教学时,一般课件中的内容仍以静态、平面性的居多,对学 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 生空间想象能力的建立起不到很好的作用。SolidWorks软件辅助教学克 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 服了传统教学的不足,几秒钟内可现场建立教学模型,无需教学成本,提 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 高教学效率,并能实现动态转换,极大地提高学生学习的趣味性,能力 拓展学生空间想象的思路,进一步提高学生的空间 (下转第23页) 基金项目:本文系安徽工业大学教学研究项目(2010jg14)。 作者简介:裴善报(1978一),男,安徽舍山人,安徽工业大学机械工程学院讲师。 一21~ 科技信息 博士・专家论坛 org.papervision3d.objects.parsers.Collada; 本书的具体内容者哺 在网上浏览到是一件非常“酷’’的争情。基于web3D 技术,可以开发出书架导航系统、图书定位系统、图书内容在线浏览系 统等。可以建构3D图书馆模型和书架模型,在精确定义书架馆藏定位 信息的基础上构建数据库,当读者浏览书架时,系统自动从书架数据库 中读取该书架信息或藏书信息,并以2D图片贴图形式或者三维虚拟模 型的形式呈现给读者,从而使得读者有身在图书馆的感觉。 3.系统开发实例 还需导人其他资源:import gs.TweenLite;import gs.easing. ; (2)初始化场景。需要依次定义Viewport3D;BasicRenderEngine; Scene3D;Camera3D;BitmapAssetMaterial;DisplayObject3D;Plne;Colala— 借助几何造型核心系统和渲染系统,就可以开发出功能强大的三 维图形系统。目前主流的几何造型核心系统目前主要有Parasolid和 ACIS两种。三维渲染系统主要有DirectX3D和OpenGL,分别由Mi— crosoft公司和SGI公司开发。然而,几何造型系统和渲染系统由于其复 杂性,常常使初学者入门难度加大。本文借助简单易学的ActionScript3.0 语言,开发了一个图学教具的网络交互浏览系统。 3.1开发平台选择 FLASH有着强大的矢量图形系统,兼容性好,动画可以通过插件的 da;模型导入可以通过定义Conada新对象来完成。 (3)添加监听事件函数。将函数事件作为参数传人addEventListener 函数,实时侦听鼠标事件和键盘事件。 基于以上步骤,本文开发出了一个机械图学教具浏览系统。其界面 如图l所示。界面中所显示的圆柱直齿轮和四通管都可以通过鼠标来 移动、旋转、放大、缩小等操作。利用PV3D提供的几何支持功能,实现 利用Action Script编程来完成简单模型的三维造型,从而可以通过界面 输入参数实现零件的参数化修改。 ■m 方式实现跨平台播放与互动。通过FLASH自身提供的图形脚本编程语 言ActionScript编程实现真实感图形的生成与小规模三维虚拟场景的 构建。由于FLASH在网络方面的优势尤为突出,通过更深层的开发与 完善,可以实现小规模的虚拟现实,支持网络或本地的中小型游戏开 发,科学计算可视化,多媒体教育,网页特效与动画特效等。 由于Flash本身是一个二维动画软件,用它制作三维效果实际上是 种伪三维效果。直接在Flash中实现3D效果,可以有三种方法:分别 是光影效果、遮罩和使用Actionscript。其中,基于Adobe Flash CS3软件, 利用动画脚本语言Action Script 3.0来实现WEB3D技术是常见的方 法。ActionScirpt不仅丰富了动画的功能,而且还简化了动画制作的流 程。ActionScript3.0是一种真正意义上的面向对象的编程语言。 基于Action Scirpt 3.0语言,目前已开发通用的开源flsah三维渲染 引擎主要有papervision3D,Away3D,Sandy等,另外有非开源的渲染引擎 Altemative3D等。papervision3D(简称PV3D)是一款开源的Hash 3D引 擎库,已经有非常多的应用。PV3D是由巴西人Carlos差不多凭自己 人之力开发出来的,它几乎是在Hash界第一成熟的3D引擎,现在 有些商业性网站也用这套引擎来做应用类。PV3D可以直接导人dae和 sae文件,这意味着可以直接使用大部分专业3D工具制作出来的模型, 而且可以提供开源代码,这将为开发带来极大便利。不过,PV3D也有较 多缺点,比如渲染效率比较低,对于第三方模型文件支持也不完善。 3.2三维模型建模与格式转换 3D max是一种使用很广泛的3D造型软件,具有许多功能插件,其 中ColladaMax插件可以将max文件导出为DAE格式的文件,而DAE 格式文件是PV3D允许导人的由外部程序中创建的3D模型,可以利用 PV3D支持的引擎Collada将DAE格式的文件导入程序。 一糖 幽 ■■ 齿t n 翻●幸■t ■* 9《蛙 ■ -料t 臼g畦l 曼剀] 圈圈 图1图学教具交互浏览界面 利用常用的网页制作工作,可以方便地将以上界面集成到网页或 者课件中,从而方便地进行图学教具的网络动态交互浏览技术。也可将 该界面集成到PPT中,从而方便地为学生演示教具模型。 4.结论 一Web3D的发展日新月异,版本和功能不断推陈出新。Web3D具有 的直观性、真实性、互动性,如果将Web3D融人到某些学科,例如:物 理、化学的微观结构,建筑结构,机械运动,画法几何和工程制图等学 科,可以帮助学习者理解和掌握知识要点,解决重点和难点。既然Web3D 有这样大的教学优势,加入Web3D能够实现的技术,以便使学习者更好 地理解重点和难点,建立从做中学的学习方式(1earningby doing),将学 习者置于主动学习的中心地位,将更有助于学习者知识的构建。 参考文献 [1]张剑平.现代教育技术理论与应用[M].北京:高等教育出版社, 2003. 1 2 JMzoughi,T.,Davis Herring,S.,FoleyJ.T.,et a1.WebTOP:a 3D interactive system for teaching and learning optics[jj.Computers&Educa— tion,2007,49(1):110—129. 3.3编程实现 可以分为以下步骤: (1)导人flash提供的资源flash.display.Sprite,lfash.events.Event, flsh.aevents.KeyboardEvent.flash.events.MouseEvent。构建程序入口基础。 PV3D提供的资源: org.papervision3d.caIneras.*;org.papervision3d.scenes. ; org.papervision3d.render.BasicRenderEngine; org.papervision3d.view.Viewport3D; [3]Luca Chittaro,Robe ̄o Ranon Web3D technologies in learning, education and training:Motivations,issues,opportunities.Computers&Ed— uc ̄ion,2007,49:3-18. org.papervision3d.objects.DisplayObject3D; org.papervision3d.events.FileLoadEvent;org.papervision3d.materials. org.papervision3d.materials.utils.MaterialsList; org.papervision3d.materials [4]张伟.Web3D技术在多媒体教学中的应用[J].长春师范学院学 报(自然科学版),2010,29(1). 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BitmapFileMaterial; org.papervision3d.objects.primitives. : (上接第21页)思维能力。 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,装配的爆 炸视图可以展示整个装配的位置关系和装配关系。让学生了解装配体 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、 教学重点模糊等现象。 实践证明,Solidworks软件辅助教学是让学生亲身感受空间形体、 增加实际经验、培养空间想象能力的有效方法。在机械制图教学中充分 利用Solidworks软件辅助教学的优势,把机械制图的传统理论与现代计 算机技术的先进成果,通过对学生制图“能力”的培养这一目标进行有 机整合,利用形象直观的三维模型,生动的动画帮助学生建立起空间概 念,进一步展示形体和零件的结构特征,呈现机器和部件的工作原理、 装配关系、拆卸过程,这些都促进了学生空间分析问题、解决问题能力 的提高,有效地优化机械制图教与学过程。 参考文献 [1]杨惠英,王玉坤机械制图[M].北京:清华大学出版社,2002:3 [2]胡仁喜,温正,王渊峰.SohdWorks2007中文版标准教程[M].北 京:科学出版社,2007:卜10 的装、拆顺序和零件间动力传递路径,形象、直观地掌握装配体的知识。 另外,由于Solidworks具备高品质的渲染功能并自带材质库,提供定义 好的材质纹理,可以为整个零件、单个表面添加材质,制作出的动画效 果极佳,达到了与装拆实物一样的教学效果。 3.教学的实践与启示 将s dworks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。教学重点是利用Solidworks软件辅助教学来培养学生的空