SketchUp輔助空間圖形教學(xué)的探索
——以通用技術(shù)圖樣教學(xué)為例

許建明

浙江省桐鄉(xiāng)市鳳鳴高級中學(xué)(314500)

空間想象能力是人們對事物的空間形式進(jìn)行觀察分析以及認(rèn)知的抽象思維能力，在高中理科中占據(jù)了非常重要的地位。而通用技術(shù)是一門立足實(shí)踐、注重創(chuàng)造、體現(xiàn)科技與人文相統(tǒng)一的課程，在其學(xué)科核心素養(yǎng)中要求學(xué)生會(huì)識(shí)讀簡單的機(jī)械加工圖；會(huì)用手工或二維、三維設(shè)計(jì)軟件繪制簡單的技術(shù)圖樣；能通過圖樣表達(dá)設(shè)計(jì)構(gòu)想；會(huì)用技術(shù)語言實(shí)現(xiàn)有形與無形、抽象與具體的思維轉(zhuǎn)換。

1 空間圖形教學(xué)中的難點(diǎn)

通用技術(shù)中的空間圖形主要體現(xiàn)在簡單的設(shè)計(jì)草圖、三視圖以及工藝加工流程3個(gè)方面，在歷年選考真題中所占比重較大(見圖1)。實(shí)際教學(xué)中也存在許多難題，主要有：①一般設(shè)計(jì)草圖來源于生產(chǎn)生活，其構(gòu)思和表達(dá)都需要一定的空間想象能力；②三視圖是由簡單圖形的切割、組合而來，多而奇，生活中不常見且較難想象；③學(xué)生繪圖基礎(chǔ)薄弱，學(xué)習(xí)任務(wù)重，缺少繪圖時(shí)間。皮亞杰的兒童思維發(fā)展階段理論也強(qiáng)調(diào)了思維從具體到抽象的發(fā)展過程，因此教學(xué)中如何順應(yīng)這個(gè)過程是教師必須面對而又亟待解決的問題。

圖1 歷年技術(shù)選考空間圖形分值比重圖

2 SketchUp在通用技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 SketchUp的特點(diǎn)

SketchUp是一款界面簡潔、操作簡單、素材豐富的三維模型設(shè)計(jì)軟件，可在其中像用鉛筆一樣作圖，可畫線成面，擠壓成型，非常適合學(xué)生和通用技術(shù)教師使用。通過相應(yīng)操作可以直觀的看到和導(dǎo)出各向視圖、剖視圖以及效果圖等。當(dāng)然利用其尺寸功能既可快速添加尺寸標(biāo)注得到機(jī)械加工圖，在尺寸標(biāo)注的規(guī)范化方面對學(xué)生也有很好的引導(dǎo)作用。支持動(dòng)畫導(dǎo)出功能，可輕松方便的將設(shè)計(jì)方案通過視頻方式呈現(xiàn)出來，全方位表達(dá)設(shè)計(jì)者的創(chuàng)作思路。

2.2 SketchUp破解草圖設(shè)計(jì)教學(xué)難點(diǎn)

草圖設(shè)計(jì)一直是通用技術(shù)教學(xué)中的重點(diǎn)與難點(diǎn)。不同于一般的知識(shí)點(diǎn)，針對具體問題，它一方面要求學(xué)生能根據(jù)生活經(jīng)歷或是在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出符合要求的構(gòu)思方案；另一方面還要能將設(shè)計(jì)方案用立體圖的方式表達(dá)出來，對學(xué)生的綜合能力要求較高。下面以考題為例，簡述SketchUp如何突破草圖設(shè)計(jì)教學(xué)難點(diǎn)。

張民同學(xué)發(fā)現(xiàn)結(jié)冰的路上有人滑倒，于是用木板制作了如圖2所示的警示牌?，F(xiàn)在需要用3 mm厚、30 mm寬、長度足夠的條鋼制作一個(gè)警示牌支架(輔助材料不限)，設(shè)計(jì)要求如下。

圖2 警示牌

A.安裝支架后的警示牌能穩(wěn)定地?cái)[在地面上，警示牌總高度不低于500 mm；

B.安裝支架后的警示牌能放入內(nèi)部空間為500 mm×400 mm×30 mm的盒中。

請根據(jù)上述設(shè)計(jì)要求和警示牌的尺寸，完成以下任務(wù)：

(1)畫出支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)草圖(警示牌可以不畫)，必要時(shí)可以用文字說明；

(2)在設(shè)計(jì)草圖上標(biāo)注支架結(jié)構(gòu)的主要尺寸。

對于設(shè)計(jì)題的解題主要是構(gòu)思和表達(dá)兩方面，傳統(tǒng)教學(xué)中一般是讓學(xué)生用某些實(shí)物類比或是教師隨意表達(dá)，這種方式不能形象的將構(gòu)思表達(dá)出來，不利于學(xué)生繪圖能力的提升。但借助SketchUp只需幾個(gè)步驟就可以很好解決這個(gè)難題。

(1)在SketchUp界面中用“矩形”工具畫出400 mm×394 mm×100 mm的矩形,如圖3(a)所示。

(2)用“推/拉”工具將矩形拉成長方體，如圖3(b)所示。

(3)用“直線”工具畫出切割線，如圖3(c)所示。

(4)用“推/拉”工具去掉多余部分，如圖3(d)所示。

(5)用“形狀”下拉中的“圓”畫圓，并用“推/拉”工具推出形成圓孔，最后用“工具”下拉中的“尺寸”標(biāo)注必要尺寸，如圖3(e)所示。

其他設(shè)計(jì)方案亦可采用同樣的方式：在引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)思好方案后，先讓學(xué)生從不同角度觀察立體圖形，然后教師示范，再引導(dǎo)學(xué)生紙上作圖。

圖3 設(shè)計(jì)警示牌支架

2.3 SketchUp作為三視圖教學(xué)媒介

三視圖主要考查正反兩個(gè)過程，即從立體圖能判斷出其各角度的三視圖，從給定的三視圖(一般缺少3條線)能畫出對應(yīng)的立體圖。傳統(tǒng)教學(xué)中一般是用板書的形式，利用投影法、切割法和組合法引導(dǎo)學(xué)生得出三視圖或立體圖，但對于那些空間想象力薄弱的學(xué)生來說教學(xué)效果很不理想。為此可借助SketchUp采用課堂“直播”或是學(xué)生上機(jī)實(shí)踐的方式，讓學(xué)生對立體圖與三視圖之間的轉(zhuǎn)換過程有直觀的體驗(yàn)，培養(yǎng)其空間想象能力。

例如，從給定的軸測圖、主視圖和俯視圖，判斷其左視圖。為此可采用以下步驟快速引導(dǎo)學(xué)生得出正確左視圖。

(1)教師先畫出軸測圖，用“環(huán)繞觀察”工具讓學(xué)生從各個(gè)角度觀察軸測圖，使學(xué)生對整體有更加直觀的認(rèn)識(shí)，如圖4(a)所示。

(2)接著用“相機(jī)”工具勾選“平行投影”，點(diǎn)擊“視圖”中的“邊線樣式”勾選“后邊線”，最后點(diǎn)擊“相機(jī)”中的“標(biāo)準(zhǔn)視圖”分別勾選“前視圖”“頂視圖”“左視圖”即可，如圖4(b)所示。

圖4 根據(jù)軸測主視和俯視圖判斷左視圖

三視圖逆過程的考查一直是選考中的難點(diǎn)，它要求學(xué)生熟練掌握三視圖的投影規(guī)律并有較強(qiáng)的空間想象力。解題思路一般是先根據(jù)殘缺的三視圖確定其可能的立體圖，并受缺線條數(shù)的約束，而后根據(jù)立體圖將三視圖補(bǔ)充完整。教學(xué)中借助SketchUp引導(dǎo)學(xué)生一步步切割出立體圖，可以讓學(xué)生看到切割過程，為之后的空間想象提供素材；能讓學(xué)生更好的掌握切割法，為紙上作圖打下良好的基礎(chǔ)；能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高三視圖教學(xué)效果。

2.4 SketchUp還原工藝流程

課程標(biāo)準(zhǔn)中要求學(xué)生知道常用工具、基本設(shè)備的使用方法，根據(jù)設(shè)計(jì)方案要求進(jìn)行材料選擇，獨(dú)立完成模型。由于各方面的原因，學(xué)生不太可能有較多的時(shí)間進(jìn)行金工和木工的實(shí)踐操作，對很多模型的加工流程僅僅停留在理論方面。為此教師可在SketchUp環(huán)境中模擬工件的加工過程，讓學(xué)生直觀、形象的理解其加工流程。

如圖5所示，為了能用矩形鋼加工出(d)圖中的零件，

首先教師引導(dǎo)學(xué)生在給定長方體上劃線；

圖5 零件加工流程圖

對于半封閉類型，從加工的便利性和精度考慮，一般是先鉆孔后鋸割，于是教師引導(dǎo)學(xué)生先鉆出(c)圖中的大孔和小孔，接下來就是鋸割槽，最后銼削鋸割面得到所需零件。在整個(gè)演示講解過程中，每做一道工序都讓學(xué)生回顧其用到的工具、加工方法及注意事項(xiàng)，而且整個(gè)呈現(xiàn)過程是動(dòng)態(tài)的，使學(xué)生能夠切身感受到加工過程。

3 結(jié)束語

當(dāng)然SketchUp還有很多非常實(shí)用的功能，如：①教師可通過它強(qiáng)化學(xué)生對知識(shí)的理解和運(yùn)用；②可以優(yōu)化教學(xué)模式，提高教學(xué)效率，享受信息技術(shù)為教學(xué)帶來的便利與樂趣；③可以培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)能力。

“千言萬語說不清，一看實(shí)驗(yàn)便分明。”在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，其實(shí)教學(xué)中很多抽象的概念、原理、變化過程等都可以用計(jì)算機(jī)技術(shù)形象的表現(xiàn)出來，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)已經(jīng)成為當(dāng)代教學(xué)模式中重要的組成部分。