非機(jī)類工程制圖空間思維能力培養(yǎng)的實(shí)踐探究

方 波，向 福

(黃岡師范學(xué)院 生物與農(nóng)業(yè)資源學(xué)院，湖北省高等學(xué)校生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，湖北 黃岡 438000)

工程制圖作為生物工程專業(yè)的一門基礎(chǔ)課程，為生物工程設(shè)備和工廠設(shè)計(jì)、發(fā)酵工程等后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)作鋪墊。而該課程是本專業(yè)獲取圖學(xué)知識(shí)的唯一來(lái)源，因此起著重要作用。制圖課程的學(xué)習(xí)，關(guān)鍵在于培育學(xué)生建立起良好的空間感[1-2]，本文通過(guò)分析非機(jī)類專業(yè)工程圖學(xué)課程的教學(xué)現(xiàn)狀，引導(dǎo)學(xué)生善用形象思維去洞悉生活中的幾何場(chǎng)景增進(jìn)空間感，以心理認(rèn)知過(guò)程為出發(fā)點(diǎn)[3-4]，重構(gòu)課程知識(shí)體系[5-8]，設(shè)計(jì)了從三維(體)到二維(圖)的正向讀圖、繪圖訓(xùn)練，再培養(yǎng)從二維到三維的逆向空間思維過(guò)程[9-12]，借助課件動(dòng)畫、實(shí)體展示、三維軟件等教學(xué)手段演繹，激發(fā)學(xué)生在少學(xué)時(shí)下較快掌握工程圖學(xué)課程的精髓，進(jìn)而能從容繪制和閱讀工程圖。

1 非機(jī)類工程圖學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀

近年來(lái)，有些學(xué)校積極響應(yīng)地方高校應(yīng)用型人才轉(zhuǎn)型改革的需求，省級(jí)專業(yè)綜合改革試點(diǎn)生物工程專業(yè)采取了多種舉措，如：修訂人才培養(yǎng)方案，注重創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)，加大課程實(shí)踐的比重。其中工程制圖理論與實(shí)踐學(xué)時(shí)占比由2∶1調(diào)整為1∶1，旨在提高學(xué)生的實(shí)踐操作和創(chuàng)新意識(shí)，在總課時(shí)不變，理論課時(shí)銳減的情形下，如何鞏固學(xué)生對(duì)圖學(xué)理論知識(shí)的掌握成為改革的的難題?？v觀國(guó)內(nèi)各高校，機(jī)械類制圖課改革早已取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，而非機(jī)類專業(yè)的制圖課程改革步伐稍顯緩慢，有些只是刪減機(jī)械類制圖的部分章節(jié)或重新組合，其知識(shí)點(diǎn)雜，層次亂的狀況并沒(méi)有改觀，而體現(xiàn)專業(yè)需求的制圖內(nèi)容又較匱乏，比如發(fā)酵罐、管道、工廠設(shè)計(jì)等內(nèi)容很少系統(tǒng)性地涉及。這種治標(biāo)不治本的改革仍需大量學(xué)時(shí)講授,為完成教學(xué)任務(wù)，甚至有教師占用實(shí)驗(yàn)課來(lái)講述理論知識(shí)，未能精準(zhǔn)的將人才培養(yǎng)理念滲透到課程體系中，導(dǎo)致部分學(xué)生對(duì)圖形望而生畏，對(duì)習(xí)題一籌莫展。學(xué)生在少學(xué)時(shí)下如何學(xué)好工程制圖，關(guān)鍵在于精煉知識(shí)框架，并引導(dǎo)學(xué)生攻破立體空間，達(dá)成良好的空間思維能力。

2 善用立體感觀察并思考生活、學(xué)習(xí)中的幾何場(chǎng)景

2.1 立體感源于生活，立體構(gòu)造無(wú)處不在

本課程人才培養(yǎng)的素質(zhì)目標(biāo)是形體、空間思維能力的達(dá)成及實(shí)踐創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的體現(xiàn)。其核心是培養(yǎng)空間思維能力，它要求人們?cè)诳创挛铿F(xiàn)象時(shí)，有意識(shí)地從“上、下、左、右、前、后”等空間方位探索，跳出點(diǎn)、線、面的束縛，充分“立起來(lái)”思考。生活中的物體構(gòu)造幾乎都是躍出平面，邁向空間的情形，如：城市交通樞紐——立交橋，它是在道路交匯處建立起縱橫交錯(cuò)、上下分層、多方向互不干涉的陸地橋。使車輛免除紅綠燈管制而暢通無(wú)阻，從而避免了交通擁堵，還有近年來(lái)興起的4D、5D電影，AR/VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，給觀眾帶來(lái)了前所未有的視覺(jué)沖擊。立體思維在科學(xué)研究上推動(dòng)著社會(huì)發(fā)展進(jìn)步。

2.2 幾何圖學(xué)思維能力的培養(yǎng)階段

生活中的立體思維在圖學(xué)上稱為空間思維[13-14]，它是基于點(diǎn)式思維、線式思維、平面思維等之上而產(chǎn)生的，幾乎貫穿于理工類教育的全階段(表1)。點(diǎn)式思維是立體思維的開端或起點(diǎn)，當(dāng)人們?cè)诖_定研究方向，捕抓思維對(duì)象時(shí)，一般會(huì)將注意力集中在思維的某個(gè)中心點(diǎn)上，它既無(wú)長(zhǎng)度，又無(wú)寬度，也無(wú)高度，這種思維從幼兒就開始啟蒙。線式思維是點(diǎn)式思維的延伸或擴(kuò)展;具有單一性和定向性的特征，這種思維涵蓋了小學(xué)教育。面式思維是基于線式思維沿著縱橫方向延展開的情形，包括固體空間。用不同的方式和方法來(lái)解答，相對(duì)達(dá)到認(rèn)識(shí)的某一方面，但它仍然局限于一個(gè)特定的平面來(lái)描述，這種思維貫穿初高中教育。當(dāng)上升到變換空間思維時(shí)，就要觀察理解對(duì)象的各方要素，并找出要素間的相互聯(lián)系，從多方面對(duì)研究對(duì)象的內(nèi)外、縱橫交錯(cuò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行全方位分析，以獲得無(wú)片面性的整體認(rèn)識(shí)。例如：在講授三面投影的形成時(shí)，就地取材，利用教室里的黑板面(V面)、地面(H面)、側(cè)墻面(W面)組成三面投影體系，然后引導(dǎo)學(xué)生從正前向正后、正上向正下、正左向正右三個(gè)視角觀察講臺(tái)的形狀結(jié)構(gòu)，嘗試?yán)L制其投射的輪廓并標(biāo)注尺寸，進(jìn)而提出問(wèn)題：“為什么要分別從三個(gè)方向繪制投影，而不直接繪制講臺(tái)的立體形狀，意義何在呢？”通過(guò)這種實(shí)地場(chǎng)景，虛實(shí)結(jié)合，讓學(xué)生更好的理解立體切換到投影的過(guò)程。變換空間思維下所呈現(xiàn)出的圖學(xué)研究易于表達(dá)和交流，在工程中廣泛運(yùn)用。

表1 幾何圖學(xué)思維培養(yǎng)階段

2.3 善用立體思維解決生活中的圖學(xué)問(wèn)題

在第一次課前預(yù)設(shè)了兩項(xiàng)任務(wù)：在草地上栽種四棵小樹,如何種才能使任意兩棵樹間的距離相等？另一項(xiàng)任務(wù)是要求同學(xué)們拍攝主教樓的外部全貌。一些學(xué)生試圖畫很多幾何圖形來(lái)尋找解決方案：正方形、菱形、圓形、橢圓形……然而，無(wú)論什么圖形都不對(duì)。這時(shí)，一個(gè)學(xué)生給出了答案：“將其中一棵樹種在坡頂上，只要這棵樹與其它三棵樹間構(gòu)成正三菱錐(正四面體)，就符合要求”。隨后又讓學(xué)生展示出各自拍攝的教學(xué)樓全貌，“有沒(méi)有同學(xué)想到拍攝樓頂?shù)臉用?？”學(xué)生們一片嘩然，看似站在地面不同方位拍攝就能完成任務(wù)，但卻忽略了被視線所遮掩的樓頂，誠(chéng)然受客觀條件限制不易完成，但其仍是教學(xué)樓外貌的一部分。從這兩項(xiàng)小任務(wù)中可以看出，思維活動(dòng)中，人們習(xí)慣受過(guò)去生活經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)有思維方式的影響，對(duì)于未接觸過(guò)工程制圖的學(xué)生來(lái)說(shuō)，平面幾何是他們較熟悉的知識(shí)，直觀可見(jiàn)的幾何元素成了他們思考問(wèn)題的局限，缺乏從多個(gè)維度、視域、全局性等因素上整體思考，大腦和視野沒(méi)有躍出平面，變換到立體空間，于是也就想不出全面的答案。

3 重構(gòu)課程知識(shí)體系，培育科學(xué)圖學(xué)思維

3.1 從心理認(rèn)知過(guò)程出發(fā)，重構(gòu)課程知識(shí)脈絡(luò)

受交叉學(xué)科方向的影響，生物工程專業(yè)課程繁多，學(xué)生需要在不同的課程中來(lái)回切換思維模式，工程制圖不同于其他概念性、邏輯性較強(qiáng)的自然科學(xué)類課程，需摒棄掉肉眼看到的平面輪廓，以及局限于某一個(gè)方位思考，應(yīng)建構(gòu)起立體感，延展到空間各方位去研究對(duì)象。通過(guò)假想站在不同的方位去觀察，經(jīng)過(guò)大腦加工，挖掘出“體”的特征后再將其重組。面對(duì)理論課時(shí)減少，且近年來(lái)該專業(yè)女生居多的現(xiàn)狀，很多同學(xué)最大的問(wèn)題就是圖形看不懂，導(dǎo)致不知如何動(dòng)手繪圖。究其原因，運(yùn)用空間思維解決問(wèn)題的能力沒(méi)有養(yǎng)成。為避免傳統(tǒng)機(jī)械類與非機(jī)類制圖在教材、教法和教學(xué)對(duì)象上混淆， 在教學(xué)思路上，結(jié)合本科生特點(diǎn)和人才培養(yǎng)目標(biāo)，作者按照人們對(duì)外來(lái)事物的認(rèn)知和掌握規(guī)律，從心理學(xué)角度切入，打破常規(guī)知識(shí)脈絡(luò)，有的放矢，重新建構(gòu)科學(xué)的知識(shí)體系(表2)，從根本上解決當(dāng)前理論課少學(xué)時(shí)的尷尬。

表2 生物工程專業(yè)工程制圖知識(shí)體系

實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)的點(diǎn)、線、面投影等內(nèi)容學(xué)生最先接觸，理論概念繁多，且較為枯燥和抽象，因此，直接先進(jìn)入“體”的認(rèn)識(shí)，在“體”上進(jìn)行點(diǎn)、線、面分析，化抽象為直觀。選擇生活中的物體為載體，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從感性認(rèn)識(shí)到理性分析，從直觀感受到抽象歸納，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。按照將直觀的物體“壓縮”為平面圖形，再?gòu)钠矫鎴D形延展出“體”的培育過(guò)程，循序漸進(jìn)的培養(yǎng)空間思維，最后達(dá)成運(yùn)用抽象、美學(xué)思維來(lái)進(jìn)行專業(yè)零部件布圖和工廠設(shè)計(jì)等專業(yè)制圖，同時(shí)基于專業(yè)特點(diǎn)，弱化了標(biāo)準(zhǔn)件及軸測(cè)圖章節(jié)。

3.2 采用多種手段教學(xué)，提升圖學(xué)空間思維能力

在具體教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生圖學(xué)空間思維能力過(guò)程如圖1所示，載體選擇上，由簡(jiǎn)入繁，按照基本體、疊加體、切割體、復(fù)合體的先后順序進(jìn)行剖析。學(xué)生一開始并沒(méi)有建立起實(shí)物和投影間的匹配關(guān)系，所以首先從生活中比較規(guī)則的實(shí)物引入，如：讓學(xué)生繪制課本的三視圖，學(xué)生可直觀地從三個(gè)視角觀察并快速繪制出三個(gè)長(zhǎng)方形；利用粉筆盒、水杯、球等簡(jiǎn)單物體，分析其組成的線和面。選擇使學(xué)生看得見(jiàn)，摸得著的載體，從而激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步探究的欲望。然后選取具有代表性的疊加體和切割體模型，或者利用Solidwoks、UG等三維設(shè)計(jì)軟件剖析載體各組成部分形狀和表面間的相對(duì)位置，最后進(jìn)行復(fù)合體的探討。通過(guò)形象直觀的感受在腦海中構(gòu)型出立體，并從三維模型中逐步抽象出各方位的投影。

圖1 工程圖學(xué)空間思維能力培養(yǎng)過(guò)程

分析方法上，授課時(shí)先從基本體入手，充分利用正投影的特性和幾何知識(shí)分析投影規(guī)律，使學(xué)生能較為輕松的進(jìn)入投影和立體之間的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而分析基于基本體形成的組合體。其中，疊加體多是I、II、III…等各部分求布爾運(yùn)算并集的情形；切割體則是I、II、III…等各部分求差集的情形；而復(fù)合體則是I、II、III…等各部分既有求并集，也有求差集的情形。在分析組合體的投影時(shí)，先采用形體分析法研究疊加體，它是從“體”的角度出發(fā)，將疊加體“化整為零”，分解為若干簡(jiǎn)單形體，分析各組成單元的形狀、特征、大小、相對(duì)位置及其表面間的連接關(guān)系，然后將零散的基本形體按照規(guī)律投影到平面上，最后“化零為整”，進(jìn)行整體把握；然后用線面分析法探究切割體的投影，它是從“線和面”的角度出發(fā)，來(lái)分析體被截切后表面交線的形狀和空間位置關(guān)系。

在載體分析時(shí)很重要的一個(gè)教學(xué)手段是教師充分運(yùn)用多媒體平臺(tái)，借助三維繪圖軟件的層、顏色等功能讓學(xué)生觀察實(shí)體各組成部分，同時(shí)運(yùn)用部件導(dǎo)航器模型操作記錄中的造型步驟，演示載體“從無(wú)到有”的過(guò)程(圖2)，還可用PPT課件制作出“體”的投影動(dòng)畫過(guò)程[15]，并將組合體的基本形體、截切線、面用不同的顏色區(qū)分，便于在錯(cuò)綜復(fù)雜的幾何元素中清晰的定位所分析的對(duì)象，通過(guò)直觀地教學(xué)方法使學(xué)生清晰地感受到組合體的成型步驟，幫助其加深理解，樹立信心，進(jìn)而逐漸培養(yǎng)起學(xué)生的空間感。

圖2 UG NX10.0三維設(shè)計(jì)工作界面

思維能力上，遵循“從直觀到抽象、由抽象到直觀、再抽象到抽象”的能力培養(yǎng)過(guò)程，步步深入、層層推進(jìn)，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了由體想圖、由體畫圖、由圖想體、由圖補(bǔ)圖的先后邏輯，此環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學(xué)生圖學(xué)思維能力的關(guān)鍵，通過(guò)給定的載體，由體想圖，分析其投影的形成，進(jìn)而動(dòng)手畫圖，即：從三維物體變換到二維圖形的正向思考過(guò)程，并建議學(xué)生多觀察生活中的幾何構(gòu)造物，訓(xùn)練將三維物體投影到二維平面。

由圖想體階段，即：由給定的二維圖形想象并構(gòu)造出三維物體的逆向思考過(guò)程，先從三個(gè)視圖開始分析，只能收斂出唯一的體，然后分析兩個(gè)視圖，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思考，得出的體可能不唯一，最后根據(jù)一個(gè)視圖想象，充分發(fā)揮學(xué)生的發(fā)散(創(chuàng)造性)思維，常常可以構(gòu)型出多個(gè)體，訓(xùn)練將簡(jiǎn)單二維輪廓不斷的在腦海中延展建構(gòu)出空間輪廓模型。

在“由體想(畫)圖、由圖想體”基本達(dá)成的基礎(chǔ)上，進(jìn)入“由圖補(bǔ)圖”階段，即：補(bǔ)畫三視圖中缺失的線條，或根據(jù)兩個(gè)視圖補(bǔ)畫第三視圖，通過(guò)分析各線面的組成，構(gòu)建整體模型后，結(jié)合投影規(guī)律完成補(bǔ)圖。經(jīng)過(guò)三大階段的教學(xué)訓(xùn)練，再加以典型習(xí)題的提升，同時(shí)借助CAD實(shí)踐操作，可充分培育學(xué)生的空間想象力，提升其處理變換空間的圖學(xué)能力，為后續(xù)讀圖和專業(yè)制圖環(huán)節(jié)奠定扎實(shí)基礎(chǔ)，再經(jīng)過(guò)其他專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，就可以引導(dǎo)學(xué)生自主進(jìn)行相關(guān)工程設(shè)計(jì)。

針對(duì)很多學(xué)生難以建立空間思維的瓶頸問(wèn)題，打破了常規(guī)知識(shí)脈絡(luò)，有的放矢，引入生活場(chǎng)景，從心理學(xué)角度出發(fā)，采用多種教學(xué)手段，循序漸進(jìn)，總體遵循從直觀的形象思維培養(yǎng)，過(guò)渡到變換的空間思維提升，制圖的學(xué)習(xí)關(guān)鍵在于培養(yǎng)學(xué)生有效建立起空間想象力和創(chuàng)造力，在腦海中虛擬出空間模型。它的形成并非一朝一夕，需要主動(dòng)洞悉身邊立體現(xiàn)象，浮現(xiàn)空間輪廓，并善于動(dòng)手勾勒，同時(shí)輔以多媒體動(dòng)畫教學(xué)和計(jì)算機(jī)繪圖設(shè)計(jì)鍛煉，經(jīng)過(guò)一定的積累，定能感悟到其中的美妙，為相關(guān)工程研究錦上添花。