依托3D打印技術(shù)的《工程制圖》立體教學(xué)法研究

陳占鋒 李緒堯 盧科青

【摘要】《工程制圖》是工學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的一門(mén)專(zhuān)業(yè)必修課，是研究工程圖樣的繪制和閱讀的一門(mén)學(xué)科。工程圖樣的繪制和閱讀，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力和空間分析能力具有重要的意義。然而經(jīng)過(guò)調(diào)研，部分學(xué)生認(rèn)為該課程的內(nèi)容過(guò)于“抽象”，不易理解。在知識(shí)理解的過(guò)程中學(xué)生缺少一種能夠表達(dá)空間問(wèn)題的工具，無(wú)法將書(shū)本知識(shí)與自身思維方式聯(lián)系起來(lái)。因此，本文依托3D打印技術(shù)，建立立體教學(xué)法（包括立體教學(xué)、立體構(gòu)形、立體打?。?，將抽象的知識(shí)以實(shí)體的形式表現(xiàn)出來(lái)。

【關(guān)鍵詞】《工程制圖》? 工程圖樣? 立體教學(xué)法? 3D打印

【基金項(xiàng)目】杭州電子科技大學(xué)高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（編號(hào)：YBJG202028）。

【中圖分類(lèi)號(hào)】G64 ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2021）31-0173-02

工程圖樣是產(chǎn)品設(shè)計(jì)表達(dá)和技術(shù)交流的重要手段，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)及制造部門(mén)的一項(xiàng)重要技術(shù)文件[1]?！豆こ讨茍D》作為一門(mén)工學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè)必修課，要求工學(xué)類(lèi)學(xué)生能夠熟悉工程制圖的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，理解不同機(jī)件在工程圖樣上的表達(dá)方法和技術(shù)要求，熟練掌握?qǐng)D樣的繪制與閱讀方法。并且在該課程的學(xué)習(xí)過(guò)程中，能夠讓學(xué)生一邊學(xué)習(xí)課本中的制圖知識(shí)，一邊能夠培養(yǎng)他們的空間想象力以及空間分析能力，形成一個(gè)整體的設(shè)計(jì)構(gòu)形能力。最后能夠影響學(xué)生在今后的學(xué)習(xí)和工作中，養(yǎng)成一絲不茍、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度以及學(xué)習(xí)作風(fēng)，樹(shù)立正確的工程意識(shí)，為后續(xù)學(xué)習(xí)其它相關(guān)課程及將來(lái)從事工程技術(shù)工作打下扎實(shí)基礎(chǔ)[2-3]。本文針對(duì)《工程制圖》課程內(nèi)容“抽象”的特點(diǎn)，依托3D打印技術(shù)，提出《工程制圖》立體教學(xué)法，擬以改變課堂教學(xué)方式、配套課程輔助軟件與工程實(shí)踐三者結(jié)合的方式促進(jìn)該課程的形象化教學(xué)與體驗(yàn)式教學(xué)。本文研究?jī)?nèi)容對(duì)促進(jìn)教學(xué)工作、提高教學(xué)質(zhì)量具有重要的作用和意義。

一、《工程制圖》課程內(nèi)容的兩個(gè)“抽象”

《工程制圖》是重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，但在實(shí)際的教學(xué)體驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)《工程制圖》課程的學(xué)習(xí)熱情并不高。學(xué)生普遍對(duì)該課程不感興趣，認(rèn)為該課程難學(xué)，究竟是什么原因呢？經(jīng)過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大部分的學(xué)生認(rèn)為《工程制圖》課程的內(nèi)容太抽象，雖然自己在努力地學(xué)習(xí)該課程，但自己的空間想象能力不足，不適應(yīng)《工程制圖》三維立體與二維圖樣之間的切換思維[4-5]。所以“抽象”是學(xué)生學(xué)習(xí)《工程制圖》課程的主要障礙。

學(xué)習(xí)《工程制圖》課程的目的是用圖樣完整、形象地表達(dá)設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)的產(chǎn)品或零部件，但課程本身的學(xué)習(xí)卻是“抽象”的，學(xué)生認(rèn)為該課程內(nèi)容“抽象”，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面[6]。

（1）教師講授過(guò)程抽象?！豆こ讨茍D》課程的主要對(duì)象是圖，包括三維圖和二維圖。目前的《工程制圖》課堂與其他課程的課堂沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別，以教師講解為主。教師一般用多媒體課件進(jìn)行講解，但多媒體課件的內(nèi)容一般與課本中的內(nèi)容基本一致，即課件的內(nèi)容沒(méi)有充分呈現(xiàn)出多媒體的特性。教師傳授知識(shí)的過(guò)程是將課本中二維式的圖形及說(shuō)明文字轉(zhuǎn)化為一定的思維形式，然后將這種思維形式傳遞給學(xué)生;學(xué)生接受知識(shí)的過(guò)程表現(xiàn)為接受教師思維的過(guò)程。所以，目前的《工程制圖》課堂上，知識(shí)的傳遞過(guò)程是思維與思維的觸碰，也即抽象形式與抽象形式之間的觸碰。然而由于知識(shí)背景的不同，教師和學(xué)生的思維結(jié)構(gòu)存在較大差異，從而導(dǎo)致思維與思維的觸碰耦合度不高，教師與學(xué)生之間形成的有效思維傳遞通道較少，課堂上隨著上課時(shí)間的推移學(xué)生容易產(chǎn)生思維疲倦。

（2）學(xué)生接收過(guò)程抽象。《工程制圖》課程的授課對(duì)象為大學(xué)一年級(jí)的新生，《工程制圖》的知識(shí)形式、思維方式、學(xué)習(xí)方法與高中階段的課程有較大區(qū)別。學(xué)生在自主學(xué)習(xí)過(guò)程中，要理解教材中圖文的含義，需要結(jié)合豐富的空間想象能力和形象思維能力，大一新生可能還未從高中教學(xué)的思維模式中轉(zhuǎn)變過(guò)來(lái)，可能不適應(yīng)這樣種涉及很多空間構(gòu)型的思維方式。在圖學(xué)知識(shí)的理解過(guò)程中學(xué)生缺少一種能表達(dá)空間問(wèn)題的工具，缺少一種能連接書(shū)本知識(shí)與自身思維方式的手段。由于圖學(xué)知識(shí)理解過(guò)程的抽象性，很多學(xué)生反映《工程制圖》課程不合適學(xué)生自學(xué)。

二、課程的“抽象”對(duì)學(xué)生的影響

“抽象”的直接結(jié)果是學(xué)生在《工程制圖》的課堂上缺少參與感與體驗(yàn)感，從而難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的積極性與主動(dòng)性。

（1）學(xué)生缺少參與感。目前《工程制圖》的課堂教學(xué)普遍由教師主導(dǎo)，教學(xué)過(guò)程中教師和學(xué)生的交流與互動(dòng)較少，教師的教學(xué)過(guò)程趨于機(jī)械化、程式化，教學(xué)過(guò)程主要求形式的合理性。由于課程知識(shí)“抽象”的特點(diǎn)，二維式的PPT課件難以持續(xù)牽引學(xué)生的注意力。

（2）學(xué)生缺少體驗(yàn)感。在課程學(xué)習(xí)前，學(xué)生對(duì)《工程制圖》課程的期望是體驗(yàn)機(jī)械美學(xué)，能夠通過(guò)《工程制圖》體驗(yàn)立體的機(jī)械世界;能夠利用《工程制圖》知識(shí)展現(xiàn)自己設(shè)計(jì)的數(shù)字化作品;能夠觸碰到自己所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的實(shí)物模型。然而現(xiàn)實(shí)的課堂是枯燥的，除了畫(huà)圖還是畫(huà)圖，有時(shí)候畫(huà)了很長(zhǎng)時(shí)間也沒(méi)有能夠畫(huà)出正確的圖形，體會(huì)不到學(xué)習(xí)該課程的樂(lè)趣。

三、《工程制圖》立體教學(xué)法

《工程制圖》立體教學(xué)法包括三方面：立體教學(xué)、立體構(gòu)形、立體打印。其中立體由圖解教學(xué)法實(shí)現(xiàn);立體構(gòu)形利用“教師—學(xué)生—軟件”（Teacher—Student—Software TSS）三方互動(dòng)教學(xué)法實(shí)現(xiàn);立體打印利用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)。各種支持方法的具體實(shí)現(xiàn)方式如下所述。

（1）圖解教學(xué)法——立體講授。圖解教學(xué)法的目標(biāo)是盡最大可能將《工程制圖》課程中的知識(shí)點(diǎn)用圖形、圖像的方式表達(dá)出來(lái)，利用圖像的形象性，使學(xué)生比較容易地理解、接受抽象的圖學(xué)知識(shí)。圖形表達(dá)方式包括圖片、動(dòng)畫(huà)與視頻，其中圖片用于靜態(tài)地表達(dá)知識(shí)點(diǎn)，如平面立體的三維形狀、滾動(dòng)軸承的實(shí)體照片等。視頻能動(dòng)態(tài)地表達(dá)知識(shí)點(diǎn)，但視頻的制作較難，且表達(dá)的靈活性不大。另外視頻比較獨(dú)立，在視頻的放映過(guò)程中教師很難與視頻進(jìn)行協(xié)同教學(xué)。相對(duì)而言動(dòng)畫(huà)的可制作性、知識(shí)表達(dá)的靈活性與可互動(dòng)性都較好，所以在《工程制圖》課程教學(xué)過(guò)程中擬以動(dòng)畫(huà)的形式表達(dá)作圖步驟，圖解整個(gè)作圖流程。比如以動(dòng)畫(huà)的形式表達(dá)尺規(guī)作圖時(shí)的每一個(gè)動(dòng)作、平面截切立體形成截交線的過(guò)程、立體與立體相交形成相貫線的過(guò)程、平面剖切立體形成剖視圖的過(guò)程、單體零件裝配形成部件的過(guò)程等。

（2）“教師—學(xué)生—軟件”三方互動(dòng)——立體構(gòu)形。培養(yǎng)、訓(xùn)練《工程制圖》三維構(gòu)型能力的最好方式是實(shí)踐，然而加工、制造實(shí)體零件的成本過(guò)高，且學(xué)生群體數(shù)量較大，全覆蓋的加工、制造實(shí)踐不太現(xiàn)實(shí)。但是目前可使用的三維CAD造型軟件較多，軟件可以有效地將學(xué)生的設(shè)計(jì)思路、構(gòu)型思維轉(zhuǎn)化為三維數(shù)字化模型，且使用成本較低。

目前的《工程制圖》課程教學(xué)大綱中規(guī)定了上機(jī)學(xué)時(shí)，但主要學(xué)習(xí)AutoCAD二維工程圖繪制方法。且上機(jī)課與課堂教學(xué)相對(duì)獨(dú)立，學(xué)生通過(guò)4個(gè)學(xué)時(shí)的上機(jī)課程一般還不能熟練地掌握軟件的使用方法，而課外主動(dòng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)繪圖實(shí)踐的學(xué)生也較少。

“教師—學(xué)生—軟件”三方互動(dòng)教學(xué)的目標(biāo)是充分利用學(xué)生現(xiàn)有的智能終端資源，發(fā)揮學(xué)生喜歡擺弄智能終端的興致，利用三維造型軟件將學(xué)生的形象思維、空間想象力、三維構(gòu)型能力即時(shí)地轉(zhuǎn)化為三維數(shù)字化模型。

在教學(xué)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)“教師—學(xué)生—軟件” 三方互動(dòng)教學(xué)組織方式的主要思路：①在《工程制圖》上機(jī)課上，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)三維建模軟件UG;②在《工程制圖》課堂上，展示各種由UG軟件完成造型的模型，并穿插性地通過(guò)UG三維造型進(jìn)行解題;③在《工程制圖》課堂上，鼓勵(lì)學(xué)生使用三維建模軟件UG求解課堂問(wèn)題;④在《工程制圖》課后，鼓勵(lì)使用三維建模軟件UG代替手工繪圖;⑤為提升三維建模軟件UG的使用熱情，在課外建立3D建模興趣QQ群，實(shí)時(shí)交流，在線交流與《工程制圖》課程同步進(jìn)行。

（3）3D打印技術(shù)——立體打印。軟件雖然可以較好地表達(dá)學(xué)生的空間構(gòu)型能力，但軟件形成的是數(shù)字化模型，目前數(shù)字化模型一般通過(guò)二維屏幕顯示，所以還是不能以最直觀的形式展現(xiàn)三維模型。實(shí)踐是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的最佳途徑，實(shí)物模型的展現(xiàn)與操作是學(xué)習(xí)《工程制圖》的最好形式。如前所述，實(shí)際加工或制造實(shí)物模型成本較高，不具實(shí)際操作性，但目前流行的3D打印技術(shù)可以用較小成本實(shí)現(xiàn)實(shí)物模型的展現(xiàn)。

3D打印是一種快速成型的技術(shù)，它是基于數(shù)字模型文件，采用粉末狀金屬或塑料等粘合材料，最后通過(guò)逐層打印的方式來(lái)獲得目標(biāo)物體的技術(shù)，運(yùn)用3D打印技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)物模型觸碰的主要思路：①以3～4名學(xué)生組成一個(gè)小組，將班級(jí)中的學(xué)生分成若干組;②每個(gè)小組分配一個(gè)三維造型任務(wù);③各小組將設(shè)計(jì)好的三維模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D打印機(jī)，由3D打印機(jī)加工出所設(shè)計(jì)模型的三維形狀;④各小組對(duì)打印出來(lái)的模型進(jìn)行后處理;⑤開(kāi)展一次“3D建?！弊髌氛梗餍〗M之間相互品評(píng)，交流心得體會(huì)。

四、總結(jié)

本文通過(guò)調(diào)研與問(wèn)卷，進(jìn)一步明確學(xué)生對(duì)《工程制圖》課程的知識(shí)需求與學(xué)習(xí)障礙，即課程學(xué)習(xí)的三個(gè)抽象性。通過(guò)對(duì)圖解教學(xué)法的研究，將抽象的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為圖形圖像。將3D打印技術(shù)引入課堂，形成“教師—學(xué)生—軟件”三方互動(dòng)教學(xué)法，使學(xué)生在《工程制圖》課程理論知識(shí)學(xué)習(xí)的同時(shí)，初步具備三維立體造型的能力，使學(xué)生的立體思維可視化。

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