工程制图手工测绘与三维建模、3D打印结合的多样化实践教学
范雪，程蓉
（深圳大学机电与控制工程学院，广东 深圳）
摘 要： 本文提出了工程制图手工测绘与三维建模、3D打印结合的多样化实践教学模式，通过设置装配体手工测绘、零件与装配体的三维建模、模型3D打印加工等阶段的教学环节，在手工测绘实践中提升绘图基本能力，在三维建模实践中锻炼形象图学思维，在3D打印实践中培养创新工程素养。实践证明，这种教学模式能够有效地发挥学生主观能动性，促进了师生之间和学生之间的交流互动，在多样化、互动式实践教学中培养学生的综合创新能力。
关键词： 工程制图；手工测绘；三维建模；3D打印；实践教学
工程制图类课程于20 世纪50 年代从苏联引入[1]，时至今日，已经发展成为符合我国高等教育国情的工程图学完整的课程教学体系，已成为国内高等工科课程中一门重要的基础必修课。工程制图发展至今，经历了教学过程中，教师经常面临着如何系统清晰地讲解有关画法几何理论和如何提高学生绘制、阅读工程图样实践能力等难题。为了提高课堂的教学质量，教师们不断探索和改进教学方式。工程制图课程前后经历了由传统课堂板书到计算多媒体课件的发展[2]，再到如今新兴的微课、慕课等多种教学方式[3]。然而无论教学方式如何变化，考察学生掌握程度的方法依旧是以平时作业加期末考试的形式进行。这种方式不利于学生学习兴趣的培养，致使学生忽视课堂教学过程的重要性，引发学生考前突击的普遍现象，导致考核结束即遗忘知识，甚至最基本的理论方法也完全置若罔闻。另一方面，由于重视分数而忽视上机实践、课外绘图等练习，导致考核结果单一片面[4]。根据这门课 “知易行难”的特点， 针对机械类学生开设了《工程制图（2）》课程。这门课程重点学习内容是常用机件、零件图以及装配图的绘制，不仅要让学生听懂，更注重的是学生在零部件测绘的过程中实际动手绘图。通过测绘有利于学生了解所学专业的基本知识，培养工程素质，在测绘中锻炼学生的动手能力、徒手画图、表达和协作能力[5]。相应的，采用图纸考核方式，这样更加能够培养学生的形象思维、空间思维能力以及学生的工程素养。由于计算机绘制零件图和装配图容易出现制图不规范、抄袭严重等现象，必须采用手绘的方式进行考核。然而，手工绘图的方式明显又滞后于业界技术发展水平，因此有必要几何多样化的教学及考核方式提高学生的学习兴趣以及综合绘图能力。此外，随着工业4.0 革命和3D 打印技术的出现[6]，工程图形信息表达形式正在从二维平面图向三维空间图形转变，为此，国内图学界对工程图学积极引入三维几何建模教学[7]，以培养创新性图学思维及利用三维特征构型进行综合分析的能力。工程制图实践教学课程是通过了解一台机器的工作原理，学习拆装及测绘该机器零部件的方法，并进行机器及零部件图样信息的表达[8]。 因此，在《工程制图（2）》课程上，将实际测绘的减速器零部件利用SolidWorks绘制成三维模型，利用SolidWorks模型导出可以直接应用于3D打印机的可编辑文件重新打印出减速器，既能够保证手工绘图表达图样信息，又融入三维几何建模实践操作，将工程图样与实际的加工方法相结合，使简单的装配体测绘工作不再枯燥繁琐，而是变成多样化实践教学，对于培养学生的综合创新能力，提高教学效果将会起到非常积极的促进作用。
一 在手工测绘实践中提升绘图能力
工程制图作为一门工程师的“语言”，学生在学习的过程中重点就是要会运用这门语言。因此，手工测绘一直是培养学生综合绘图能力，提升学生绘图技能，打牢学生绘图知识技巧的重要途径，在整个教学过程中是不可或缺的一个环节。在这个环节中，我们以减速器为例，在《工程制图（2）》课程中教师教学时间控制在9个学时，完成常用机件、零件图和装配图绘制的基础知识介绍。然后，将学生分成5-6人一组，分组后在教师的指导下对项目装配体进行拆装，并进行测绘及草图绘制、拟定零件及部件样图表达方案，由学生各自完成工程图的绘制，每组同学完成一套减速器零件图的绘制，每人完成一张减速器装配图绘制。在减速器测绘过程中，学生对于拆装动手过程一般掌握较好，经过反复训练，对于减速器的装配结构比较清晰、能够掌握其工作原理。在零件测绘中，比较明显的问题是标准件和非标准件的区分及测绘方法，针对这些问题，在教学过程中采用课堂整体式教学效果并不是很好，往往是通过测绘过程中不断讲解、演示，帮助学生区分零件类型，对于标准件的测绘，要强调教材附录以及机械设计手册的作业，学生才能够主动到这些参考资料里根据测量结果找到国标对应的标准值，通过这个过程，学生对于国标的应用和掌握程度有所提高，比单纯的课程教学效果质量明显提高。在零件图的绘制上，通过学生互动讨论，同类零件的同学建立绘图小组的方式，达到解决视图选择方案，增进交流的目的；在减速器装配图绘制中，通过强调小组成员互相配合，解决零件间的尺寸匹配、配合关系选择等问题。综上，在手工测绘实践中侧重互动式教学，即在少量讲解之后通过一对一与学生探讨和回答问题，加深学生对于基础知识的掌握，发现并解决学生在测绘过程中掌握不牢靠的知识点，提升学生绘图能力，同时便于后续改进教学，“教”与“学”相互促进。
二 在三维建模实践中锻炼形象图学思维
在现代工业社会，计算机绘图是学生将工程图学基本知识和步入社会实际应用之间的桥梁，在工程制图课程中引入三维几何建模介绍已成为常态，软件的使用更加需要学生的实践操作，教师的作用往往限于讲述基本操作，提醒学生在使用软件过程中的注意事项，帮助学生快速入门。为了加强使用性，在教学过程中设计一定的环节督促学生熟练、灵活运用三维造型软件，利用三维建模锻炼形象图学思维尤为重要。为此，我们在《工图制图（1）》软件操作介绍的基础上，在《工程制图（2）》减速器测绘环节引入三维造型任务。首先利用3学时与学生一起回顾SolidWorks使用方法，对测绘的尺寸进行完善确认，保证零件组装后能够符合减速器的设计要求；其次，以小组为单位，由每位同学完成自己测绘的减速器零件的SolidWorks三维建模，再由小组同学一起对各零件进行组装，完成减速器部件三维建模工作，并能够展示出减速器工作原理；最后利用3学时进行师生互动交流与答辩，考察学生的掌握和实际操作能力。从课程效果来看，学生对于三维造型软件自学能力较强，能够通过自学三维建模软件进行减速器模型的建立，实现功能要求。图1展示的是减速器模型以及学生完成的SolidWorks建模结果。在这个过程中培养学生解决问题的能力，同时提升的课程教学考核方式的多样性。
图1 减速器模型以及学生完成的减速器三维模型的爆炸图及轴侧图
三 在3D打印实践中培养创新工程素养
3D打印是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。现已成为将虚拟的计算机设计变为现实的最直接、最快速的途径。因此，在《工程制图（2）》课程上，将学生利用通过SolidWorks建立的减速器模型的各个零件以STL文件格式导出，符合打印机的文件格式。由于实际的3D打印过程往往时间较长，将减速器所有零部件按照1:1的比例打印出来将耗费大量的时间，而三维软件建模的一个优点就是以尺寸驱动图形，因此在导出文件之前，将各个零件的尺寸等比例缩小，打印微缩版本的减速器。确认各零件尺寸已调整好后，在3D打印机中将三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。在打印机完成自动切片后，在设定打印条件时应注意打印的速度和精度，控制好打印的温度，防止产生“拉丝”的现象。此外，对于零件在三维建模中的缺省方向也要特别注意，选择合理的方向作为支撑结构。最终，学生在课下进行3D打印工作，完成了减速器全部零件的打印工作，并组装到一起，实现其基本工作性能。尽快后续的3D打印工作属于课程附加工作，但学生在这一系列的过程中表现出极大的兴趣和热情，并不断提出改进意见，这种将传统工程制图与现代制造方法（3D打印）前沿发展方向相结合，激发学生的创新思考能力。
图2 学生完成的减速器零件3D打印以及装配体
四 结论
本文提出了工程制图手工测绘与三维建模、3D打印结合的多样化实践教学模式，以机械类学生在《工程制图（2）》课程上减速器测绘工作为例，设置装配体手工测绘、零件与装配体的三维建模、模型3D打印加工等阶段的教学环节。在手工测绘实践中提高学生对于工程制图基本知识的掌握程度，培养绘制符合国家标准规定的实际工程图样的能力；在三维建模实践中锻炼学生的三维建模能力以及形象图学思维，使教学内容应与实际对应起来，加大学生学习的知识与企业的贴合程度，培养企业需要的人才；在3D打印实践中极大地提高了学生对该门课程的学习兴趣，从而进一步促进了大学生创新创业能力的培养。实践证明，这种教学模式能够有效地发挥学生主观能动性，促进了师生之间和学生之间的交流互动，在多样化、互动式实践教学中培养学生的综合创新能力。
（5）为了解决凝结水顶部浆液脱水引起的凹陷，在注浆结束后立即在射流孔内进行静压灌浆，直至孔内液面不沉降。
pH值作为衡量果醋饮品的一个重要指标，本文采用PHS-25酸度计对不同时段的柠檬果醋进行测量，并做出比较。由图3可知，柠檬果醋的pH值在酿造不同阶段的样品中并未产生过大的变化，由最初的2.77下降到2.66，而后缓慢下降到2.63。表明其pH值的随储藏时间的推移而增大，酸性增强，表明柠檬果醋的口感逐渐变得醇厚起来。
参考文献
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本文引用格式： 范雪 等 .工程制图手工测绘与三维建模、3D打印结合的多样化实践教学[J]. 教育现代化，2019，6（57）：51-52+55.
DOI： 10.16541/j.cnki.2095-8420.2019.57.017
基金项目： 本文系2018年度深圳大学教学改革研究项目（JG2018096和JG2018040）的支持。
作者简介： 范雪，女，吉林人，深圳大学机电与控制工程学院，讲师，博士研究生；程蓉，深圳大学机电与控制工程学院，教授，研究方向：机械类《工程制图》教学工作，深圳大学《工程制图》精品课程负责人。