空間思維訓(xùn)練在機械制圖本科教學(xué)中的探索

黃軍波，劉富凱，王 睿

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機械工程學(xué)院，天津 300222）

機械圖樣被譽為工程界的“技術(shù)語言”，對于相關(guān)工程人員來說，熟練掌握和運用這門特殊語言至關(guān)重要。然而，機械制圖課程中涉及了大量的點、線、面和立體的空間位置關(guān)系，傳統(tǒng)的平鋪式教學(xué)古板生澀，致使大部分本科生難以理解課程內(nèi)容，同時由于自我練習(xí)少，大量的基礎(chǔ)知識難以消化[1-2]。長此以往，導(dǎo)致學(xué)生在制圖學(xué)習(xí)方面產(chǎn)生很大的挫折感，限制了學(xué)生的思維發(fā)展和求知欲望。

機械制圖空間思維能力的培養(yǎng)對建立工程空間思維構(gòu)架，提高機械工程學(xué)習(xí)興趣和效率，準確解決工程中的機械空間問題都有十分重要的意義[3-4]。但如何在課堂教學(xué)中使用策略針對性地提高機械空間思維能力仍是一大難點。目前大多數(shù)方案是應(yīng)用3D立體建模來輔助教學(xué)[5]。計算機建模雖然簡單直觀，但對學(xué)生來說，信息量大，消化吸收的少，遺忘也快，同時導(dǎo)致學(xué)生動手時間少，對空間立體思維培養(yǎng)提升有限[6-7]。

一些先進工業(yè)國家的工程制圖課程，已將傳統(tǒng)的畫法幾何和制圖技能的培訓(xùn)學(xué)時逐漸減少，取而代之的是徒手畫草圖、三維建模和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的教學(xué)內(nèi)容。對于空間思維訓(xùn)練，國外已有深入的研究和訓(xùn)練方法[8-14]。近年來，國內(nèi)部分高校已著手培養(yǎng)學(xué)生們空間思維能力，但仍集中在地理知識方面的應(yīng)用[15-17]，空間思維訓(xùn)練在機械制圖方面的應(yīng)用實踐未見起色。本校教學(xué)團隊在總結(jié)以往教學(xué)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，不斷探索新的教學(xué)方法，結(jié)合國外空間理論思想，引入空間思維訓(xùn)練方法，讓學(xué)生在教師的引導(dǎo)下積極參與、主動學(xué)習(xí)，真正將提高空間思維能力的理論知識落到實處，做到講練結(jié)合、活學(xué)活用。本文將空間思維訓(xùn)練融入教學(xué)中，并研究了空間思維訓(xùn)練在機械制圖中的積極作用，總結(jié)了空間思維能力培養(yǎng)的新教學(xué)模式，以期對本科生機械制圖教學(xué)改革提供指導(dǎo)。

1 空間思維訓(xùn)練在制圖教學(xué)中應(yīng)用

機械制圖是一門實踐性很強的課程，必須通過大量的練習(xí)和實踐活動才能牢固掌握所學(xué)的知識，進而形成識圖和繪圖能力。因此，加強實踐性繪圖是培養(yǎng)學(xué)生能力的重要手段之一。通過對本科生進行“搭積木”和“心理旋轉(zhuǎn)”等空間思維訓(xùn)練，使其在教師的引導(dǎo)下循序漸進地學(xué)習(xí)，逐步培養(yǎng)空間感，提高學(xué)習(xí)興趣。

1.1 “搭積木”訓(xùn)練——繪制三維立體圖

搭積木是空間訓(xùn)練的最好方式之一，被廣泛應(yīng)用于嬰幼兒和兒童階段的空間思維訓(xùn)練?，F(xiàn)通過正等軸測圖的理論思想，采用平面的三角形網(wǎng)格圖紙將平面圖形轉(zhuǎn)化為立體圖形，如圖1所示。

圖1 平面圖形和對應(yīng)的立體積木[11]

根據(jù)圖1（a）顯示的平面圖形，畫出相應(yīng)的立體積木。在看見平面圖形后，首先左腦會快速解析數(shù)字代表堆積的積木數(shù)，然后右腦會將數(shù)字轉(zhuǎn)化為立體積木，最后指導(dǎo)雙手繪畫出積木堆積圖，并進一步繪制出立體草圖。可見這個過程本身就是左右腦快速協(xié)作的過程，而右腦的開發(fā)也是空間思維訓(xùn)練的重要環(huán)節(jié)之一。

1.2 “心理旋轉(zhuǎn)”訓(xùn)練——加強空間立體思維

通過一定時間的“搭積木”訓(xùn)練，學(xué)生的空間立體感基本建立。然后通過“心理旋轉(zhuǎn)”訓(xùn)練，進一步加強空間立體思維。立體圖和繞x軸、z軸旋轉(zhuǎn)后的圖形如圖2所示。

心理旋轉(zhuǎn)這一概念是Shepard等于1971年首次提出的，是對人腦中的某個圖像的映像做平面或立體轉(zhuǎn)動的心理操作過程，它是一種想象自己或客體旋轉(zhuǎn)空間表征轉(zhuǎn)換能力。簡而言之，就是在人腦海中旋轉(zhuǎn)圖形。這對于在初高中階段沒有經(jīng)過特殊訓(xùn)練的本科生來說，難度明顯增加，學(xué)生的腦力活動量也不斷增大。但是，研究表明該心理旋轉(zhuǎn)能力是可塑的，經(jīng)過適當?shù)膶ｉT訓(xùn)練是可以提高的。事實也證明，經(jīng)過幾周的專門訓(xùn)練，本科生的心理旋轉(zhuǎn)能力明顯增強，繪制速度也越來越快。心理旋轉(zhuǎn)圖例（學(xué)生作品）如圖3所示。

圖2 圖例[11]

圖3 心理旋轉(zhuǎn)圖例（學(xué)生作品）

1.3 空間位置平移訓(xùn)練——建立三面視圖思維

從二維平面到三維立體空間，學(xué)生們經(jīng)過一段時間的專門訓(xùn)練基本上已經(jīng)形成了立體思維能力，然后再通過立體圖轉(zhuǎn)化為平面圖，回歸到機械制圖的基礎(chǔ)知識上。立體圖的三面投影（學(xué)生作品）如圖4所示，將立體圖分別投影到三面坐標平面上，這實際上就是學(xué)習(xí)三面投影的過程。

圖4 立體圖的三面投影（學(xué)生作品）

機械制圖中的三面投影，既是重點又是難點，是一個運用基礎(chǔ)投影理論分析平面圖形，想象空間物體

結(jié)構(gòu)形狀的過程。它又與“點線面的投影”“基本幾何體的投影”“立體表面交線”及“軸測圖”等內(nèi)容密切關(guān)聯(lián)。通過空間思維訓(xùn)練的方式，讓學(xué)生在自我繪制的基礎(chǔ)上，更好地理解和掌握其基礎(chǔ)理論知識，同時提高了學(xué)生的基礎(chǔ)技能和動手能力。

2 空間思維訓(xùn)練的實際教學(xué)效果分析

2.1 教學(xué)效果對比——上課表現(xiàn)和平時作業(yè)對比

由于傳統(tǒng)的教學(xué)方式按照點、線、面的進程不斷推進，課件主要以教師講解為主，多數(shù)學(xué)生難以理解。幾堂課下來，學(xué)生的自信心和學(xué)習(xí)的積極性受到較大打擊，逃課或課堂睡覺等消極行為時常發(fā)生。然而，經(jīng)過前期空間思維訓(xùn)練的鋪墊，學(xué)生們在學(xué)習(xí)能力和心理承受力方面都有了一定提高，后續(xù)對制圖基礎(chǔ)知識的理解力明顯增強。同時由于空間思維訓(xùn)練給學(xué)生們帶來新鮮感、參與感，學(xué)生上課的表現(xiàn)更積極，從平時的作業(yè)完成情況也有所體現(xiàn)。

平面與立體的截切問題、回轉(zhuǎn)體與回轉(zhuǎn)體的相貫問題一直是機械制圖中的重點和難點。在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生初次接觸時很難想象其空間幾何形體，總是遺漏部分曲線。經(jīng)過空間思維訓(xùn)練之后，學(xué)生的空間感增強了，形象思維也開闊了，對這類問題也有了深刻的理解。某學(xué)生經(jīng)過空間思維訓(xùn)練后，完成的作業(yè)如圖5所示。

圖5 平面與回轉(zhuǎn)體、兩回轉(zhuǎn)體的相交（學(xué)生作業(yè)）

從圖5可以看出，該學(xué)生已經(jīng)很好地理解了相交中的特殊截點、線段和曲線，具備了較好的空間感。

2.2 期末考試成績對比

近4年機械制造相關(guān)專業(yè)考試成績分布統(tǒng)計如圖6所示，其中橫坐標前2位數(shù)字代表學(xué)年，后2位代表班級。14、15學(xué)年采用傳統(tǒng)的機械制圖教學(xué)，從16學(xué)年開始逐步加入空間思維訓(xùn)練課程。由圖6可知，在14、15學(xué)年學(xué)生考試成績合格率很不理想，均低于50%。而從16學(xué)年開始逐步融入空間思維訓(xùn)練的新教學(xué)模式，學(xué)生考試成績也在逐步提高，合格率最高能達到80%。

很明顯，新教學(xué)模式下高分人數(shù)和均分成績均有明顯提高。經(jīng)調(diào)查，多數(shù)學(xué)生表示新教學(xué)模式便于空間立體感的形成，使立體圖像能夠快速在頭腦中顯現(xiàn)出來，從而使得讀圖、繪圖能力得到相應(yīng)的提升。在課堂上適當融入空間思維訓(xùn)練，一方面可使學(xué)生全方位參與其中，另一方面也能有效地提高學(xué)生的空間思維能力和動手能力。

圖6 近4年機械制造相關(guān)專業(yè)考試成績分布統(tǒng)計

3 結(jié)語

本文首次將空間思維訓(xùn)練引入到本科生的機械制圖教學(xué)中，并對本科生工程空間思維能力的培養(yǎng)和機械制圖的教學(xué)效果進行了深入分析。研究表明：“搭積木”和“心理旋轉(zhuǎn)”等專門空間訓(xùn)練對提高本科生的空間思維能力具有積極作用，使其能夠更好理解后續(xù)的制圖理論和原理，建立工程空間思維構(gòu)架，進而提高學(xué)生讀圖、識圖和繪圖等實際制圖技能。同時，在實際教學(xué)中學(xué)生的參與感不斷增強，極大地擴展了學(xué)生的思維深度和寬度，激發(fā)了其求知欲，培養(yǎng)了機械工程專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高了學(xué)習(xí)效果。此外，空間思維訓(xùn)練在機械制圖本科教學(xué)中的應(yīng)用實踐，也是我國職業(yè)教育師資——“雙師型”職教師資人才培養(yǎng)的一次良好嘗試，該方法為我國機械制圖本科教學(xué)改革提供了可借鑒的新模式。