機(jī)械制圖圖學(xué)基礎(chǔ)中引入三維建模的教學(xué)改革與實(shí)踐

摘要：針對(duì)制圖課程教學(xué)特點(diǎn)，對(duì)機(jī)械制圖圖學(xué)基礎(chǔ)的教學(xué)進(jìn)行了相應(yīng)的教學(xué)改革。以培養(yǎng)學(xué)生空間想象能力為目的，將三維建模融入到教學(xué)過(guò)程中，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的主動(dòng)性，對(duì)提高教學(xué)效果起到積極的作用。

關(guān)鍵詞：獨(dú)立學(xué)院；三維建模；圖學(xué)基礎(chǔ)；教學(xué)改革

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）01-0103-02

目前，三本獨(dú)立院?！懂?huà)法幾何及機(jī)械制圖》課程體系尚不完善，大多數(shù)三本獨(dú)立院校仍沿用一類(lèi)本科院校的課程體系，導(dǎo)致教學(xué)中還存在一些問(wèn)題，主要表現(xiàn)在學(xué)生對(duì)課程重要性認(rèn)識(shí)不夠，學(xué)習(xí)積極主動(dòng)性較差，難以建立空間形體與平面之間的聯(lián)系，學(xué)習(xí)興趣不高。[1]為此，我們對(duì)機(jī)械制圖圖學(xué)基礎(chǔ)部分進(jìn)行了教學(xué)改革，利用計(jì)算機(jī)三維建模技術(shù)來(lái)培養(yǎng)學(xué)生空間想象能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性。

一、傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問(wèn)題

《畫(huà)法幾何及機(jī)械制圖》是機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課。課程安排在大學(xué)一年級(jí)分上、下兩個(gè)學(xué)期開(kāi)設(shè)。上個(gè)學(xué)期主要講授的是圖學(xué)基礎(chǔ)部分，即包括：制圖的基本知識(shí)（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)）、幾何作圖、點(diǎn)線面、基本體及其截交線和組合體及相貫線相關(guān)內(nèi)容。其主要任務(wù)是要求學(xué)生熟悉制圖國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生尺規(guī)繪圖能力和空間想象能力。

在傳統(tǒng)的教學(xué)方式中，老師們上課的時(shí)候會(huì)帶木模型到課堂，用來(lái)使學(xué)生對(duì)圖形所對(duì)應(yīng)的形體產(chǎn)生感性的認(rèn)識(shí)和了解，培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力。但是由于木模型的種類(lèi)和數(shù)量是有限的，且體積大而笨重，教師攜帶并不方便，要想滿(mǎn)足所有學(xué)生的學(xué)習(xí)要求，顯然是有一定困難的。后來(lái)教師們使用電子模型，雖然攜帶起來(lái)方便，而且學(xué)生也可以拷貝這些模型在課后自主學(xué)習(xí)，但學(xué)生對(duì)著已經(jīng)做好的模型學(xué)習(xí)，并不能激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性的形象思維能力，比如如果電子模型對(duì)應(yīng)習(xí)題改變了位置或局部形狀，有些學(xué)生就會(huì)難以想象出來(lái)。日常的實(shí)踐教學(xué)也證明，這種方式對(duì)于空間想象能力較差的學(xué)生而言，仍難以培養(yǎng)他們的空間想象能力。

二、三維建模與機(jī)械制圖圖學(xué)基礎(chǔ)部分融合式教學(xué)

對(duì)于我校機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)而言，改革前采用的是分段式制圖課程教學(xué)體系，既開(kāi)設(shè)了96學(xué)時(shí)《畫(huà)法幾何及機(jī)械制圖》，又開(kāi)設(shè)了24學(xué)時(shí)的《計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械繪圖》，兩門(mén)課一共為120學(xué)時(shí)。[2]其優(yōu)點(diǎn)是教學(xué)組織上較靈活，分為兩門(mén)課授課?！队?jì)算機(jī)輔助機(jī)械繪圖》主要講授二維繪圖，安排在大學(xué)一年級(jí)下學(xué)期后半個(gè)學(xué)期段進(jìn)行。

（一）依據(jù)制圖課程基本任務(wù)，針對(duì)課程教學(xué)特點(diǎn)，確立教改的指導(dǎo)思想和目的

目前，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展及工程界對(duì)二維計(jì)算機(jī)繪圖以及三維建模技術(shù)日益增長(zhǎng)的需求，在《畫(huà)法幾何及機(jī)械制圖》教學(xué)中有效地融入二維計(jì)算機(jī)繪圖以及三維幾何建模越來(lái)越受到重視。各高校都在不斷開(kāi)展三維教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，制圖教師們都在思考怎樣將三維建模與《畫(huà)法幾何及機(jī)械制圖》教學(xué)結(jié)合起來(lái)，為教學(xué)服務(wù)。其中有的教師認(rèn)為，應(yīng)從三維模型入手，直接建立從體到圖的教學(xué)體系；有的認(rèn)為二維工程圖不可少，應(yīng)與后續(xù)課程進(jìn)行相應(yīng)配套改革；有的認(rèn)為改革應(yīng)堅(jiān)持工程圖學(xué)教育的基本內(nèi)容，發(fā)揮其他課程不可替代的作用。[3，4]

圍繞著制圖課程培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)形、表達(dá)、讀圖、制圖的能力的基本任務(wù)，針對(duì)《畫(huà)法幾何及機(jī)械制圖》圖學(xué)基礎(chǔ)部分的內(nèi)容本身具有抽象、難懂，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)很困難，難以激發(fā)學(xué)生興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)性的教學(xué)特點(diǎn)，我校三維建模與機(jī)械制圖圖學(xué)基礎(chǔ)融合式教學(xué)改革確立了以制圖課程為主線，以計(jì)算機(jī)二維繪圖三維建模為輔線，尺規(guī)繪圖與計(jì)算機(jī)繪圖并重的指導(dǎo)思想，目的是為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的三維空間想象能力。那么，如何把三維建模與傳統(tǒng)的《畫(huà)法幾何與機(jī)械制圖》圖學(xué)基礎(chǔ)部分緊密結(jié)合在一起，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生三維空間想象能力，便成了這次教學(xué)改革主要解決的問(wèn)題。

（二）合理安排教學(xué)，整合制圖理論與計(jì)算機(jī)繪圖教學(xué)內(nèi)容

改革后，《畫(huà)法幾何及機(jī)械制圖》和《計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械繪圖》合并為一門(mén)課，總學(xué)時(shí)120學(xué)時(shí)不變。上學(xué)期安排56學(xué)時(shí)，在制圖教室上課占40學(xué)時(shí)，講授圖學(xué)基礎(chǔ)部分內(nèi)容；在計(jì)算機(jī)機(jī)房上課占16學(xué)時(shí)，講授計(jì)算機(jī)二維繪圖及三維建模部分內(nèi)容。目前的計(jì)算機(jī)繪圖軟件很多，我們?nèi)赃x用Autocad來(lái)教學(xué)，雖然它的三維建模功能不強(qiáng)，但三維建模簡(jiǎn)單形象易操作，便于在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)培養(yǎng)學(xué)生三維空間想象力。

為使圖學(xué)基礎(chǔ)和計(jì)算機(jī)輔助繪圖的教學(xué)內(nèi)容有效融合，我們進(jìn)行了如下的安排：第一階段講授AutoCAD二維平面繪圖，安排8個(gè)學(xué)時(shí)。在學(xué)習(xí)完平面圖形繪制及繪圖國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)后，安排一次計(jì)算機(jī)輔助平面繪圖課程，以畫(huà)幾何作圖課后練習(xí)為載體，學(xué)習(xí)在AutoCAD中設(shè)置符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的圖幅圖框、圖線圖層、字體等，學(xué)會(huì)基本的二維繪圖和編輯命令。在學(xué)習(xí)完點(diǎn)、線、面后，安排第二次計(jì)算機(jī)輔助平面繪圖課程，以繪制平面圖形為載體，學(xué)習(xí)常用的二維繪圖和編輯命令，使學(xué)生掌握繪制任意中等復(fù)雜平面圖形的能力。第二階段講授AutoCAD三維建模，安排8個(gè)學(xué)時(shí)，先講疊加形體的建模，再講做切割形體的建模。在組合體這一章開(kāi)始時(shí)，安排一次計(jì)算機(jī)輔助三維建模，講授如何對(duì)疊加方式的組合體建模。在這章結(jié)束后，安排第二次計(jì)算機(jī)輔助三維建模，講授如何對(duì)切割方式的組合體建模。

（三）“演示—操作—想象”漸進(jìn)式教學(xué)

二維和三維，一個(gè)是空間，一個(gè)是平面，在制圖課程中其關(guān)系既矛盾又統(tǒng)一。矛盾的是，“畫(huà)圖”要求學(xué)生能把復(fù)雜的三維工程形體轉(zhuǎn)化為二維的平面圖形，而“讀圖”又要求學(xué)生能讀懂復(fù)雜的組合體二維三面投影圖，能把更復(fù)雜的平面圖形還原成三維模型。統(tǒng)一的是，畫(huà)圖和讀圖的對(duì)象都是同一工程形體。為使學(xué)生建立三維空間想象能力，傳統(tǒng)制圖教學(xué)過(guò)程中，老師要求學(xué)生多看木模型，多思考模型與練習(xí)之間的聯(lián)系，多做已知兩面投影求第三面投影習(xí)題。傳統(tǒng)的教育模式下，學(xué)生無(wú)法快速融入到課程中去，難以形成完整的空間概念，甚至可能會(huì)導(dǎo)致學(xué)生喪失學(xué)習(xí)這門(mén)課程的信心，甚至影響后面的課程學(xué)習(xí)。endprint

在教育心理學(xué)中，形象思維的解釋是會(huì)運(yùn)用直觀形象或表象來(lái)解決空間想象的問(wèn)題。那么，怎樣利用三維建模來(lái)積累形象思維的表象，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生空間想象能力的目的呢？我們采用了以下的方法。

1.直觀演示，靜動(dòng)教學(xué)感知表象。在教學(xué)中，教師先給出組合體的三視圖和該組合體的三維靜態(tài)圖片。所選的組合體要復(fù)雜一點(diǎn)，至少需要由三種形體疊加或切割而成。先把難懂的三視圖與直觀的立體圖對(duì)比，使學(xué)生感知學(xué)習(xí)的材料。之后，教師再用圖片方式一次性給出該組合體建模的所有過(guò)程，使學(xué)生通過(guò)對(duì)比，掌握三視圖和立體圖內(nèi)在的聯(lián)系，理解整體和部分之間的關(guān)系。最后，教師依據(jù)圖示的過(guò)程，在AutoCAD中講授該組合體建模的操作過(guò)程。三維實(shí)體動(dòng)態(tài)演示配合靜態(tài)過(guò)程圖片的教學(xué)，能使學(xué)生留下鮮明的表象。

2.動(dòng)手操作，課上輔導(dǎo)。教育心理學(xué)告訴我們，讓學(xué)生親身經(jīng)歷參與掌握知識(shí)的過(guò)程，會(huì)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣；加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手操作能力，能加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。在教師直觀演示組合體建模過(guò)程后，針對(duì)教師給出的組合體三視圖和立體圖片分別出三道題，讓學(xué)生親身經(jīng)歷動(dòng)手操作建模。教學(xué)中，可以逐漸增加題目的難度，比如第一題給出形體三視圖和立體圖要求學(xué)生進(jìn)行三維建模，而到了第二題只給出三視圖來(lái)建模，第三題則只給了形體的兩個(gè)視圖來(lái)建模。安排課上做這三道題，一方面教師可以從旁輔導(dǎo)，與學(xué)生互動(dòng)交流討論，幫助學(xué)習(xí)掌握建模過(guò)程；另一方面，可以掌握學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)向，及時(shí)調(diào)整習(xí)題難度，避免學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒。這種動(dòng)態(tài)的教學(xué)手段相比以前靜態(tài)的木模型或電子模型更能幫助學(xué)生快速地建立對(duì)二維平面與三維立體的空間想象能力。

3.想象形體，培養(yǎng)學(xué)生空間想象力。想象是指人腦對(duì)過(guò)去形成的表象進(jìn)行加工改造而產(chǎn)生新形象的心理過(guò)程。先講疊加形體建模再講切割形體建模的原因是，疊加形體特征視圖較多，便于學(xué)生建立“從特征視圖入手，聯(lián)系幾個(gè)視圖，想形體”的思維過(guò)程。在講完疊加形體建模后，學(xué)生通過(guò)反復(fù)體會(huì)三維與二維的投影轉(zhuǎn)換，積累圖形的直觀形象和表象，建立一定空間形體與平面之間的聯(lián)系，再來(lái)學(xué)習(xí)較難想象的切割形體建模，興趣正濃的學(xué)生便不會(huì)產(chǎn)生畏難情緒，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，便于學(xué)生建立空間想象力。

課后，教師還可以布置組合體建模習(xí)題，幫助學(xué)生鞏固學(xué)習(xí)成果，強(qiáng)化培養(yǎng)三維想象能力。

三、結(jié)束語(yǔ)

依據(jù)制圖課程基本任務(wù)，針對(duì)制圖課程教學(xué)特點(diǎn)，確立以制圖課程為主線，以計(jì)算機(jī)二維繪圖三維建模為輔線，尺規(guī)繪圖與計(jì)算機(jī)繪圖并重的指導(dǎo)思想，整合制圖理論與計(jì)算機(jī)繪圖教學(xué)內(nèi)容，采用“演示-操作-想象”漸進(jìn)式教學(xué)，將三維建模融入到教學(xué)過(guò)程中，搭建感性認(rèn)識(shí)向理性轉(zhuǎn)化的橋梁，不但激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的主動(dòng)性，而且培養(yǎng)了學(xué)生三維空間想象能力，對(duì)提高教學(xué)效果起到積極的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮向東.經(jīng)營(yíng)大學(xué) 辦好教育——依托名校辦分校的辦學(xué)實(shí)踐研究[J].復(fù)旦教育論壇，2004，2（6）.

[2]陳振興.獨(dú)立學(xué)院《機(jī)械制圖》課程教學(xué)改革實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2013，（5）.

[3]張京英，羅會(huì)甫，張彤，焦永和.三維造型設(shè)計(jì)與工程圖學(xué)的有效融合[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2010，（6）.

[4]童秉樞，易素君，徐曉慧.工程圖學(xué)中引入三維幾何建模綜述與思考[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2005，（4）.endprint