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浅谈ＵＧ三维建模在《机械制图》教学中的应用
作者：吕 勇 金秀丽
关键词：UG；建模；空间想象能力；空间分析能力
《机械制图》是机械类专业重要的专业技术基础课，对于刚步入技工学校校门的学生而言，是一门全新的课程。由于空间概念薄弱，又缺乏必要的生产实践经验，学生在学习上遇到的困难较多。传统教学法多以模型辅助，但模型数量有限，特别是复杂结构的模型更是稀缺。在截割与相贯、复杂组合体的投影这些难点内容的教学中，学生反映很难理解。UG三维实体的建模功能，可在计算机上虚拟建立立体模型并附以颜色，以动态显示，把截交线的形成、相贯线的产生以及立体内部的复杂情形表现得淋漓尽致。不但可以加强学生对物体的感性认识，扩展和培养学生的空间构思能力，激发学生的学习兴趣，调动学生学习的积极性和主动性，而且可以强化教师和学生的计算机应用能力。此外，还可以为学生以后学习计算机辅助制造等后续课程打下良好的基础。下面运用实例讨论一下UG建模的教学应用。
实例一：求正六棱柱的截交线
如图1所示，正六棱柱被水平面P和正垂面Q截切后产生缺口，求截割体的投影。
传统教学过程为：（1）演示六棱柱模型，选择棱面垂直于水平面，且两棱面为正平面位置放置。（2）将未切割的六棱柱的三投影做出。（3）在六棱柱模型上解释切割情况，并分析：水平面上截交线的水平投影反映实形，正面投影和侧面投影积聚为一条直线，正垂面上截交线的正面投影积聚为一条直线，而另外两个投影是类似的缩小图形。（4）在主视图上做出切割的特征视图。（5）在左视图和俯视图上利用点线的投影关系做出截交线的投影。
图1 拉伸成的六棱柱和三棱柱
传统教学的缺陷与不足是：（1）由于模型不容破坏，切割只能用语言表达，不够直观。（2）学生对切割过程的认识缺乏动感，对培养和提高学生的空间想象能力显得帮助不够。（3）由于对切割过程认识的不足，当缺乏模型演示或说明的时候，学生往往感到不知该如何分析，造成了学习上更大的困难，甚至丧失学习的信心。
用UG辅助教学的过程如下：
1.模型的制作：（1）在二维草图上调用“基本曲线”命令，画出正六边形。（2）在三维模式下，调用“拉伸”命令拉伸成正六棱柱。（3）移动WCS。（4）选取正六棱柱欲要挖切的平面，在二维草图上调用“基本曲线”命令，画出一个三角形。（5）在三维模式下，调用“拉伸”命令拉伸成三棱柱（如图1）。（6）调用“布尔运算”中的“差集”命令，选取三棱柱，完成带缺口的正六棱柱（如图2）。
图2 被挖切的六棱柱
2.演示设计：（1）以动画方式演示正六边形拉伸为正六棱柱的过程，并设正六边形为水平放置，则六条棱与水平面垂直，故六棱面的水平投影积聚为正六边形。（2）以动画方式分别演示用水平面和正垂面切割六棱柱，观察六棱柱的变化，如割面（棱面）出线、割线（棱线）出点，加深学生对物体由于切割产生形状变化的认识。（3）以动画方式反复演示三角形拉伸成三棱柱的过程，要求学生注意观察切割过程，再次理解割面（棱面）出线、割线（棱线）出点。
3.思维设计：（1）在动画演示切割后要求学生将该切割过程在脑中自行完成演示，如割线、割面、割体，建立形象思维。（2）出示一截割体的切割特征视图，先初步分析，后要求学生在脑中思考切割过程并进行描述，如割到了哪个面？哪根线？截交线的形状如何？等等。（3）假设缺口水平向右扩大，即六棱柱有五条棱线被切割，此时截交线形状有何变化？要求学生在脑中自行完成切割过程并能描述，展开认识互动，最后总结出切割范围的变化必将引起截交线形状的变化，进一步认识截交线形状与切割的关系。
4.物体截割用UG辅助教学的优点：（1）动态观察带缺口的正六棱柱，使学生初步了解立体截切后的形状及各平面与投影面之间的位置关系。（2）UG能把三维建模图形自动生成6个基本视图和1个轴测图，可根据需要筛选。如图3所示，只选用最常用的基本三视图。（3）UG还可以把同一类型题，如求截交线问题，可求不同物体的截交线，只需要在历史树上加以修改，即只需要在“草图1”、“草图2”上画不同的图形，自动生成不同的截交体及截交线。（4）利用UG三维建模来帮助学生弄清投影图中各图线与立体图表面交线的对应关系，进行平面与立体之间的双向思维，逐步培养学生的空间想象能力。
图3 投影三视图
实例二：组合体的建模及剖析
对于组合体，特别是复杂的组合体，应用UG进行教学更是传统手段无法相比的。UG是一个参数化软件，它的二维平面图与三维立体图是相互关联的。也就是说，如果修改三维立体图，相应的二维平面图也会自动修改；反之亦然。因此在教学时可以选用一些结构典型的组合体为例，将立体展示给学生，然后要求学生利用课堂练习时间画出二维平面图。教师可以利用UG制图模块快速生成二维平面图功能，公布答案。这样教师就节约了大量板书的时间。同时在教学设计有意地对立体图进行修改，看看学生是否能够举一反三。
图4 轴测图、三视图
组合体的形状千变万化，而无论组合体多么复杂，都可以看成是由基本几何体经过切割挖切、叠加靠齐、相交和相切等方式组合而成。如图4所示，轴承架可看成是由带有半圆孔和矩形槽的长方体底座、与底座后侧面靠齐的支撑板、圆柱筒和肋板等基本几何体组合而成。
为了使学生更好地观察组合体的形成过程，观察并认识组合体各组成部分间的连接关系，可利用UG对其进行实体建模，首先将各组成部分的形状用二维草图做出，然后在三维状态下通过编辑命令进行再加工，以加速其建模工作。
UG三维造型软件不但能生成三维模型，而且还可以生成二维投影图，通过三维与二维图形之间的相互交替，学生可对复杂的图形或者空间很难想象出来的部分恍然大悟，甚至对模型内部结构不清楚的地方，还可以采用不同的剖切方式，从不同角度采用动态观察器进行动态观察，把零件的内部形状表达得淋漓尽致。这样，可以实现教师与学生的教学现场交流，培养学生边学习，边思考，边提出问题的参与式学习方法，避免“满堂灌”教学造成的学生对教师的过分依赖，使学生养成独立思考的良好习惯，逐步提高学生的空间想象能力和空间分析能力，大大提高教与学的效率。UG辅助教学与传统教学的对比如下表。
随着计算机绘图技术的普及与应用，各行各业为了提高效益会逐渐放弃传统的手工仪器绘图，而采用计算机绘图。计算机技术辅助绘图速度快、精度高，而且绘图质量大大高于手工绘图。因此，改造传统的机械制图课程教学方法与手段势在必行。通过实践教学表明，UG三维造型在《机械制图》课中的应用，把传统教学手段和现代教学手段有机地融合起来，使教学的效率与效果大为提高，激发了学生主动学习的兴趣，调动了他们学习的积极性，激发了他们的创新意识，从而使技校毕业生的综合素质得到进一步提高，使他们的能力适应社会的需要。
参考文献：
[1]钱可强.机械制图[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2004.
[2]陈绍春，卢建涛.工程制图课程三维建模的测绘实验课设想[J].广西高教研究，2001，（5）.
[3]赵波，龚勉，等.UG CAD实用教程[M].北京：清华大学出版社，2004.
作者简介：
吕勇（1972—），男，研究生学历，广西广播电视大学高职学院讲师，主要从事模具CAD/CAM教学和计算机应用软件的开发研究。
金秀丽（1960—），女，讲师，广西广播电视大学高职学院讲师，主要从事机械制图教学和CAD软件应用的教学。
（本栏责任编辑：周秀峰）