基于虛擬教學平臺的機械制圖體驗式教學改革設(shè)計與實踐

周蕊++金玉陽

【摘要】結(jié)合本校實際情況介紹虛擬教學平臺的結(jié)構(gòu)功能，針對當代大學生的特點和機械制圖課程教學中遇到的問題，提出研究性教學改革設(shè)計方案，將計算機繪圖與機械制圖課程相結(jié)合，基于CAD虛擬三維環(huán)境開展體驗式教學，使學生在學習操作SolidWorks軟件的同時，逐漸培養(yǎng)空間想象力，形成由三維實體到二維平面圖相互轉(zhuǎn)換的思維能力，同時結(jié)合CAI課件以及Bb平臺教學平臺資源，舉例說明各重點章節(jié)的教學方法，以實現(xiàn)學生從教促學方式向自主學習方式的轉(zhuǎn)變，發(fā)展學生的自我探究意識與構(gòu)思創(chuàng)想能力。

【關(guān)鍵詞】虛擬教學平臺 體驗式教學 機械制圖

【中圖分類號】G642.0 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）09-0041-03

Experiential Teaching and Practicing in Mechanical Drawing Based on Virtual Teaching Platform

ZHOU Rui

（College of Aeronautical Engineering，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China）

【Abstract】This paper described the structure and function of the virtual teaching platform with combined with the actual situation. The design of research teaching was proposed for the characteristics for the college students and the problem appeared in the mechanical drawing class. The combination of computer aided design and mechanical drawing course was implemented. The experiential teaching based on virtual 3D environment with CAD was present in order to achieve the change from the way of promoted learning to the way of self-learning. The student will gradually develop the imagination space by learning how to operate the software SoildWorks， and forming ability of conversion from 3D to 2D with combining with the CAI courseware and Bb teaching platform. These changes will help to develop the students abilities of self-inquiry conscious and creative idea.

【Key words】 Virtual teaching platform Experiential teaching Mechanical drawing

一、引言

機械制圖是一門著重培養(yǎng)學習者空間思維能力和構(gòu)思創(chuàng)想能力的課程，同時也是一門實踐性非常強的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程。學習這門課程對學生的空間認知能力、想象力、繪圖能力都有較高的要求[1-2]。但實際教學中發(fā)現(xiàn)，很多學生形成三維空間想象力很困難，單純使用講授不利于學生對知識的消化和吸收，即使采用現(xiàn)代教學演示方法，如多媒體教學等，其效果并不顯著。

故作者認為，基于虛擬教學平臺在三維虛擬學習環(huán)境中進行體驗式教學應(yīng)該是一種不錯的嘗試，將講授控制在必要的范圍之內(nèi)，利用有限的教學時間讓學生由被動學習變?yōu)橹鲃訉W習，鼓勵學生獨立解決問題，真正參與到課堂互動中來，可有效地提高學生的認知水平，發(fā)展學生的探究意識與能力。

二、虛擬教學平臺的階段性特點及結(jié)構(gòu)功能

虛擬教學平臺的構(gòu)建[3]分為以下三個階段：初級階段、中級階段和高級階段。其中初級階段是指，吸取傳統(tǒng)教學優(yōu)點，結(jié)合CAI課件、CAD及VR技術(shù)，實現(xiàn)以教師個人為單位的虛擬教學平臺構(gòu)建；中級階段則指逐步完善教師個體虛擬教學平臺，實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)資源共享；高級階段是構(gòu)建面向本教學領(lǐng)域的CORBA—公共對象請求代理結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、不同系統(tǒng)間的信息集成，進而構(gòu)建面向異地教學資源的分布式網(wǎng)絡(luò)化研究中心，以實現(xiàn)群體協(xié)同工作的模式。

以作者所在學校為例，其虛擬教學平臺主要有以下3部分構(gòu)成，其功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.多媒體教學（CAI課件）

隨著CAI（Computer Aided Instruction，計算機輔助教學）的不斷發(fā)展，多媒體教學廣泛應(yīng)用到課堂，尤其是對于制圖課程來說，CAI課件確實帶來了革命性的變化，其動態(tài)的演示過程使學生更容易理解和觀察，故成為當今教學的主要手段，也為虛擬教學平臺創(chuàng)造了條件，進行必要知識的講授。

2.Bb教學平臺資源共享

Bb教學平臺是在計算機網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，將各教學單位結(jié)合在一起，成立專門的分布式網(wǎng)絡(luò)化研究中心管理機構(gòu)，負責協(xié)調(diào)和組織教學系統(tǒng)不同單位的資源，以便促進教師、設(shè)施的優(yōu)化組合，協(xié)調(diào)各方關(guān)系，提高教學科研設(shè)置的利用率，實現(xiàn)資源共享。制圖課程中的CAI課件，虛擬模型庫，以及相關(guān)練習題都共享在此平臺，方便學生自主學習。

3.CAD虛擬學習環(huán)境

隨著CAD技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，繪圖設(shè)計已從最初的二維逐步普及到三維立體繪圖，這不僅是改變了立體顯示效果，其參數(shù)化特征建模使設(shè)計功能和設(shè)計自動化水平大幅提高。機房統(tǒng)一安裝了CAXA和SolidWorks軟件供學生使用，使學生在CAD虛擬環(huán)境中完成體驗式課堂教學。

三、基于CAD虛擬三維環(huán)境的體驗式教學

自制圖課程經(jīng)歷改革之后，幾乎以CAI課件進行講授，較之前看掛圖、黑板手繪講解的時代，課堂效率更高也更易被學生接受，但由于課時大幅壓縮，學生在課堂上看得多動手少，學習效果并不理想，學生的讀圖和畫圖水平并沒有隨著現(xiàn)代化教學手段的升級而有明顯提高，反而略有下降。這一現(xiàn)象可由經(jīng)驗之塔[4]理論做很好地詮釋，即教育應(yīng)從做的具體經(jīng)驗入手，逐步過渡到抽象經(jīng)驗，符合人們認識事物的規(guī)律。單純地完成講授，往往是基于完成教學任務(wù)、方便教師教的角度設(shè)計的，而不是從學生的學習需求和學習可能性出發(fā)。

尤其是大對學生，要更多地鼓勵以主動的方式去學習，將學生探究的態(tài)度、意識及能力當作教學的重要任務(wù)[5]。故提出在CAD虛擬三維環(huán)境中進行體驗式教學，可以讓學生直接參與到其中，易于培養(yǎng)學生的觀察和認知能力，使立體模型和平面三視圖之間的轉(zhuǎn)換更容易理解；同時結(jié)合CAI課件進行知識點及方法的必要講授，讓學生在聽和看的同時，可以自己體驗建模的過程，有助于學生的理解和吸收，很多學習難題就可迎刃而解。

下面舉例說明如何利用上機課營造的CAD虛擬學習環(huán)境，同時結(jié)合CAI課件完成體驗式制圖課堂教學。

1.平面與立體相交

關(guān)于截切，很多初學者認為很難想象出物體截切后的樣子很難，畫出其三面投影更是無從下手。若在課堂上利用SolidWorks演示物體截切過程，且采用多視圖展開顯示，如圖2所示，可啟發(fā)學生的空間想象力，同時學生可以通過電腦用鼠標自行拾取模型中的任何一個面、線或是點，系統(tǒng)里將會同時顯示出它在三視圖中的相應(yīng)位置，可幫助學生理解立體模型與三視圖的轉(zhuǎn)換關(guān)系，同時結(jié)合CAI課件講授作圖方法及步驟。學生由三維模型入手，親自體會模型中點、線、面在三視圖中對于的位置關(guān)系，更容易理解吸收。

2.立體與立體相交

相貫的難點在于，隨著兩個相交立體尺寸的變化，相貫線的形態(tài)、位置呈規(guī)律性變化。若用SolidWorks構(gòu)建兩個相交立體，利用模型樹展開特征編輯尺寸，可隨時改變其中一個立體，使學生方便觀察相貫線的變化過程，如圖3所示，提升學生的形象思維，便于自己總結(jié)歸納出相貫線的變化規(guī)律，同時再結(jié)合CAI課件講授如何利用表面取點法和輔助平面法來進行相貫線的求解。

3.組合體

組合體的繪制需要學生具有一定的空間想象力，通過已知兩個視圖的投影構(gòu)思出立體模型，然后進行未知視圖的投影；若用SolidWorks進行模型的構(gòu)建，可利用特征樹當中的回溯棒來模擬學生的構(gòu)思過程，如圖4所示，幫助學生進行立體思維訓練，提升形象思維和空間創(chuàng)新能力，逐步掌握形體分析法和線面分析法的求解過程。

圖4 組合體挖切和疊加過程

4.剖視圖

剖視圖需要表達立體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形狀，更是需要學生具有很好的空間分析能力。學生總是搞不清楚哪里需要剖切，哪里應(yīng)該畫剖面線。利用SolidWorks的拉伸切除功能不僅能幫助學生構(gòu)思建模，還可沿假想平面切開，使學生真實地觀察到不同剖切位置得到的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形狀，如圖5所示，從而加深對剖視圖畫法的理解和認識。

5.零件圖和裝配圖

由于缺乏工程實踐經(jīng)驗，學生對零件圖和裝配圖的認讀不夠深入，尤其是技術(shù)要求部分，若只聽老師講授書中知識點，學生不好理解也很難記住。若在CAI課件講解的基礎(chǔ)上結(jié)合SolidWorks建模、裝配以及工程圖的相關(guān)功能，可以很好地將零件圖和裝配圖的有關(guān)知識串聯(lián)在一起，加深學生的理解，提高學生的識圖讀圖能力。

以裝配體齒輪減速器為例，如圖6所示，其零件組成包含軸類、盤類、箱體類以及標準件和常用件。通過拉伸切除功能即可讓學生在上機時自行完成零件軸、端蓋以及齒輪的構(gòu)建；標準件可以根據(jù)代號直接從SolidWorks的標準件庫中調(diào)取；箱體建模較為復(fù)雜，由于課時有限由老師輔助完成；通過學生自己建?？杉由钇鋵α慵系墓に嚱Y(jié)構(gòu)如鑄造圓角、倒角及螺紋等的理解。然后通過裝配功能，讓學生自己觀察各零件之間的聯(lián)接關(guān)系、傳動路徑以其在裝配體中的作用，待完成裝配關(guān)系之后，可利用鼠標拖動簡單實現(xiàn)運動仿真，方便學生觀察理解減速器的工作原理，進而有助于對技術(shù)要求的掌握。最后可利用工程圖模塊，將零件或裝配體進行自動投影，選擇適合的剖切方法完成視圖表達，如圖7所示，進一步加深學生對裝配體內(nèi)部結(jié)構(gòu)及裝配關(guān)系的認識。

四、結(jié)論

1.隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實在教育中的應(yīng)用得到不斷的推廣，三維虛擬學習環(huán)境也在此基礎(chǔ)上得到不斷完善，本文提出的基于CAD虛擬三維環(huán)境的體驗式教學改革設(shè)計， 可以在很大程度上實現(xiàn)以教促學方式向自主學習方式的轉(zhuǎn)化，將計算機繪圖與機械制圖課程相結(jié)合，在采用CAI課件講授的同時讓學生逐步掌握軟件建模的基本功能，使學生可以主動探究、獨立學習。

2.通過部分上機課程實踐，學生反饋出了很好的吸收效果。此種教學模式強調(diào)了學生通過自身體驗來獲得知識，教師為促進學生探究而講授，將講授控制在必要的范圍之內(nèi)，留出指導、輔助學生學習的時間，讓學生自己去發(fā)現(xiàn)問題。若進一步結(jié)合CAXA平面繪圖軟件，在硬件條件允許的情況下，可實現(xiàn)完全在CAD虛擬平臺中開展機械制圖課程教學。

3.在虛擬教學平臺中，教學內(nèi)容可以不斷更新，使課程練習內(nèi)容及時跟上技術(shù)的發(fā)展，符合當代大學生喜歡不斷求新的心理特征，同時，與時俱進的教學內(nèi)容有利于活躍學生的思維，激發(fā)其學習興趣，展現(xiàn)其創(chuàng)新意識。

4.隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，各種圖形及分析軟件的功能日益強大，將制圖教學與CAD技術(shù)緊密結(jié)合，已成必然趨勢，此外，若結(jié)合工程實踐開展教學，利用CAD軟件功能解決工程問題，可預(yù)先引導學生將多門課程的知識進行有效地融合，為后續(xù)課程的深入學習拋磚引玉，為拓展學生素質(zhì)教育開啟嶄新的平臺。

參考文獻：

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[5]陳佑清，吳瓊.為促進學生探究而講授——大學生研究性教學中的課堂講授變革[J] .高等教育研究，2011，32（10）：94-99.

項目資助：CAUC-ETRN-2015-61