認(rèn)知結(jié)構(gòu)理論視角下的制圖教學(xué)研究

閆金星 李麗萍

（1.中國空間技術(shù)研究院西安分院結(jié)構(gòu)技術(shù)研究室，陜西 西安 710100；2.西安郵電大學(xué)理學(xué)院，陜西 西安 710121）

畫法幾何及工程制圖是工科類大學(xué)生的一門重要技術(shù)基礎(chǔ)課，以研究閱讀和繪制機械圖樣為主要內(nèi)容，以培養(yǎng)學(xué)生工程意識和空間思維能力為主要目標(biāo)，讓學(xué)生掌握讀圖和繪制的基本技能。盡管制圖課程教學(xué)一直在不斷地改革與優(yōu)化，然而學(xué)生的應(yīng)用能力仍相對較低。心理學(xué)家認(rèn)為，教學(xué)實踐只有遵循學(xué)生認(rèn)知規(guī)律、掌握學(xué)習(xí)內(nèi)在機制，才能真正提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)效果。對制圖教學(xué)的實踐總結(jié)發(fā)現(xiàn)，教師對學(xué)生認(rèn)知特點缺乏一定的了解和研究，是導(dǎo)致教學(xué)效果不理想的根本原因。本文試圖從認(rèn)知結(jié)構(gòu)理論視角探討制圖教學(xué)規(guī)律，多角度闡述如何培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和空間思維能力，進而促成學(xué)生構(gòu)建良好的制圖認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

1　關(guān)于認(rèn)知結(jié)構(gòu)理論

1.1　對認(rèn)知結(jié)構(gòu)的理論梳理與概念認(rèn)識

對認(rèn)知結(jié)構(gòu)的闡述，學(xué)者們說法不一，常見于心理學(xué)理論，尤其是認(rèn)知心理學(xué)理論。為了對認(rèn)知結(jié)構(gòu)理論有一個完整而全面的認(rèn)識，從而更好地服務(wù)教學(xué)，整理文獻(xiàn)資料[1-6]并歸納其理論發(fā)展如表1所示。

表1　認(rèn)知結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展

認(rèn)知結(jié)構(gòu)理論的形成是一個不斷發(fā)展和完善的過程，該理論不僅僅指個體的知識結(jié)構(gòu)，還應(yīng)包括個體以感知和理解客觀現(xiàn)實為基礎(chǔ)的，在頭腦中形成的反應(yīng)事物間關(guān)系的內(nèi)部認(rèn)知系統(tǒng)，是人的心理活動機制。

1.2　學(xué)科認(rèn)知結(jié)構(gòu)模型

認(rèn)知結(jié)構(gòu)是學(xué)習(xí)理論中的一個重要概念，學(xué)習(xí)過程也是認(rèn)知結(jié)構(gòu)不斷完善、重新組織的過程。為科學(xué)培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)，促進有效學(xué)習(xí)，將學(xué)科認(rèn)知結(jié)構(gòu)模型化，如圖1所示。

圖1　學(xué)科認(rèn)知結(jié)構(gòu)模型

學(xué)科認(rèn)知結(jié)構(gòu)分為輸入層、操作層與輸出層，圍繞學(xué)科信息與學(xué)科知識的轉(zhuǎn)化而展開。認(rèn)知結(jié)構(gòu)的形成和完善是學(xué)生接收到學(xué)科信息后，在原有學(xué)科知識基礎(chǔ)上的篩選、匹配、儲存、提取，進而同化或順應(yīng)，經(jīng)過頭腦對信息的再組織等系列大腦操縱，產(chǎn)生新的學(xué)科知識的過程。新的學(xué)科知識是對原有學(xué)科知識的補充和調(diào)整，是對認(rèn)知結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，是認(rèn)知結(jié)構(gòu)處于平衡-不平衡-平衡的動態(tài)發(fā)展過程。

2　關(guān)于制圖教學(xué)

2.1　物體知覺的啟示

認(rèn)知心理學(xué)中的物體知覺理論[7]指出，面對許多不同走向的線段，我們往往按照接近、相似、良好連續(xù)、閉合等一系列原則將對象組織成單元，若要識別由多條線段構(gòu)成的圖形結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵在于分割，可以用分割的概念來描述如何劃分更復(fù)雜的三維構(gòu)造。工程制圖中的空間思維是大腦對物體或幾何元素的空間屬性（形狀、位置）的直接或間接的反映[8]，多個思維片段的有機組合，形成對工程圖樣的個體認(rèn)知。由此受到啟示，結(jié)合初學(xué)者工程制圖學(xué)習(xí)的認(rèn)知規(guī)律，將制圖教學(xué)內(nèi)容合理劃分，由易到難，明確課程知識體系結(jié)構(gòu)，讓個體認(rèn)知結(jié)構(gòu)漸進式發(fā)展。

2.2　制圖課程知識體系分析

奧蘇貝爾指出，條理化、結(jié)構(gòu)化和整合化的教學(xué)內(nèi)容顯得尤為重要。掌握學(xué)科的基本結(jié)構(gòu)，理解內(nèi)容間的內(nèi)在聯(lián)系，有利于學(xué)生縮小原有知識與目標(biāo)知識間的距離，便于發(fā)展學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)?；趯W(xué)生認(rèn)知規(guī)律，畫法幾何及工程制圖課程知識體系如圖2所示。

圖2　工程制圖課程知識體系

畫法幾何及工程制圖由兩部分構(gòu)成?！爱嫹◣缀巍辈糠志唧w研究空間點、線、面等幾何元素的投影特性及在平面的表示，其中，三視圖的投影規(guī)律及點、線、面的投影特性，是制圖課程的基礎(chǔ)知識，基本體的投影（包括立體的投影、截交線、相貫線的畫法）是學(xué)習(xí)的重點與難點，畫法幾何內(nèi)容的學(xué)習(xí)過程也是對學(xué)生空間思維能力的培養(yǎng)過程。“工程制圖”部分具體研究工程圖樣的繪制，是“畫法幾何”原理在工程中的具體應(yīng)用，包括組合體的投影、軸測圖與計算機繪圖、機件的表達(dá)、零件圖與裝配圖的繪制，著重鍛煉學(xué)生畫圖、讀圖和工程應(yīng)用等能力，此處教學(xué)難點是組合體的投影和裝配圖的繪制。

2.3　學(xué)科認(rèn)知結(jié)構(gòu)模型指導(dǎo)下的制圖教學(xué)

認(rèn)知主義認(rèn)為，教學(xué)是幫助學(xué)生建構(gòu)自己知識經(jīng)驗的過程，是促進外部的知識結(jié)構(gòu)內(nèi)化為學(xué)習(xí)者內(nèi)部認(rèn)知結(jié)構(gòu)的動態(tài)過程[9]。學(xué)習(xí)是學(xué)生以原有知識為基礎(chǔ)，進行個體意義認(rèn)知建構(gòu)的過程。制圖中的空間思維過程通常表現(xiàn)為人腦對圖樣的分析、判斷、總結(jié)與歸納，是對課程內(nèi)容的同化、順應(yīng)和重新組織，以圖紙上的二維圖樣來表達(dá)三維空間幾何元素的過程。學(xué)生空間思維能力的培養(yǎng)和制圖認(rèn)知結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可從制圖教學(xué)以下幾方面進行。

2.3.1注重緒論課的講授

工程制圖是大學(xué)生入校后接觸的第一門技術(shù)類基礎(chǔ)課，學(xué)生在此之前雖然沒有系統(tǒng)學(xué)習(xí)過相關(guān)內(nèi)容，但有研究指出[7]，以識別物體在三維空間的位置和形狀的能力為基礎(chǔ)的視覺加工很大程度上是與生俱來的。嬰幼兒似乎就已經(jīng)能夠識別物體及其形狀并且能意識到物體在三維空間中的位置。如能借助第一節(jié)緒論課，從學(xué)生當(dāng)前認(rèn)知狀態(tài)出發(fā)，寓教于樂，從什么是制圖，為什么要學(xué)習(xí)制圖，制圖課學(xué)什么，制圖課與其他專業(yè)課程有什么關(guān)聯(lián)等系列問題著手，讓學(xué)生對制圖課程有一個初步的認(rèn)識。隨后可結(jié)合當(dāng)前制圖發(fā)展趨勢，引入計算機繪圖、三維建模技術(shù)等，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。最后讓學(xué)生了解制圖課程知識體系與學(xué)習(xí)目標(biāo)，從我們將如何學(xué)習(xí)制圖課程入手，對今后的制圖學(xué)習(xí)做一規(guī)劃，讓學(xué)生建立起學(xué)好該課程的信心和決心。

2.3.2注重課堂授課方法

制圖教學(xué)中，讓學(xué)生掌握正確的分析方法是引導(dǎo)空間思維活動進行的有效途徑。

（1）對比法教學(xué)：對比教學(xué)法在制圖教學(xué)中是以多個立體作比較，讓立體幾何元素的差異在學(xué)生頭腦中思維、確定的教學(xué)方法。對比教學(xué)能有效降低學(xué)生對圖樣的理解難度。以半球體截切為例，有兩個半球體，分別被三個平面所截切，已知截切后的主視圖，要求補畫俯視圖和左視圖，如圖3所示。

圖3　半球體截切正投影圖與立體圖

球體截切的難點在于緯圓半徑的確定，倘若如圖3所示將相似的立體作對比，通過特殊點A、B的位置分析，圖樣所表達(dá)的半球體構(gòu)造很容易被學(xué)生所接受。

（2）歸納引申法：不僅是對各章節(jié)內(nèi)容知識點的總結(jié)凝練，也包括同類題型做題方法的歸類和在此基礎(chǔ)上的延伸，是學(xué)生“舉一反三”能力訓(xùn)練和認(rèn)知結(jié)構(gòu)完善的有效途徑。如圖4所示，平面截切圓柱體所形成的截交線的形狀隨截平面與圓柱體軸線的位置變化和變化[10]，類似此類知識點的歸納總結(jié)，能讓學(xué)生提綱挈領(lǐng)，掌握制圖知識的精髓，做題時，只需判別截平面與圓柱體軸線的位置關(guān)系，再依據(jù)形狀進行投影，即可解決問題。

圖4　平面截切圓柱體

學(xué)生作為課程初學(xué)者，實際所具有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)與教師認(rèn)為學(xué)生應(yīng)有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)不一定匹配[1]。因此，教師應(yīng)對學(xué)生原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)進行了解，確定新知識與學(xué)生已具備知識間的差異，制造認(rèn)知沖突，通過差異的消除，達(dá)到新舊知識整合而優(yōu)化原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

2.3.3合理使用多媒體

制圖教學(xué)中三維模型全方位展示、立體截切過程演示、組合體拆裝演示等形象生動的圖片、動畫資源，能有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，對學(xué)生快速建立空間概念能起到很好的作用。但多媒體教學(xué)只是傳統(tǒng)教學(xué)方式的輔助與補充，其運用要適度，要根據(jù)制圖教學(xué)特點合理選擇教學(xué)內(nèi)容。如立體表面上點的投影，可在幻燈片上展示立體圖片，讓學(xué)生直觀地感受點的位置，但三視圖的作圖步驟采用黑板板書的方式則更利于初學(xué)者對九字投影規(guī)律的掌握。

2.3.4講究習(xí)題課策略

習(xí)題課是以學(xué)生作業(yè)、平時測驗為基礎(chǔ)，掌握學(xué)生當(dāng)前學(xué)習(xí)效果為前提，對日常授課的有效補充。習(xí)題課不應(yīng)是純粹的習(xí)題講解，還應(yīng)包括對已學(xué)知識的梳理、辨析和應(yīng)用，目的在于鞏固學(xué)生所學(xué)知識的“薄弱”環(huán)節(jié)，加深學(xué)生對知識的理解及知識間內(nèi)在聯(lián)系的把握。制圖習(xí)題課要注重學(xué)生基礎(chǔ)和認(rèn)知水平的差異，采取分層教學(xué)法，幫助學(xué)習(xí)吃力的學(xué)生重新理解知識點和做題方法，同時可設(shè)計拔高練習(xí)，滿足學(xué)有余力的學(xué)生需求。還可采取學(xué)生上講臺代替教師講習(xí)題的方式來促進學(xué)生學(xué)習(xí)主動性。

2.3.5結(jié)合Auto CAD實訓(xùn)、金工實習(xí)

Auto CAD等軟件具有豐富的視圖生成功能，實訓(xùn)過程中，學(xué)生不僅能體驗三維造型過程，還能利用軟件將三維模型轉(zhuǎn)換成二維工程圖樣，這對提高學(xué)生空間思維能力幫助很大。金工實習(xí)能讓學(xué)生進一步了解圖樣與生產(chǎn)加工之間的關(guān)系，讓學(xué)生在三維空間中直接感受三維實體，是發(fā)展空間思維和創(chuàng)造力，鍛煉學(xué)生動手能力，培養(yǎng)學(xué)生工程意識不可或缺的實踐教學(xué)。

3　總結(jié)

學(xué)生空間思維能力的提升和工程意識的培養(yǎng)是一個長期的系統(tǒng)工程，如能將認(rèn)知結(jié)構(gòu)理論研究成果自覺地融入到制圖教學(xué)中，必將使教學(xué)工作更加科學(xué)性。

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