工程教育認(rèn)證背景下工程制圖教學(xué)中空間思維能力培養(yǎng)

王小章

摘 要 空間思維能力的培養(yǎng)和提升是工程制圖課程的重要目標(biāo)。教學(xué)過(guò)程發(fā)現(xiàn)空間思維能力薄弱的主要原因是抽象思維能力欠缺，導(dǎo)致三維幾何重構(gòu)時(shí)空間思維和抽象思維交替過(guò)程不順暢，即無(wú)法在二維平面圖和三維空間立體之間自如地轉(zhuǎn)換。按照工程教育認(rèn)證要求和原則，提出了通過(guò)課程內(nèi)容重組、教學(xué)方法改進(jìn)、開展空間思維訓(xùn)練、強(qiáng)化觀察等方法來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力?？臻g思維能力的提高不僅改變對(duì)事物的認(rèn)知和思維方式，更能全面促進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)造能力的提升。

關(guān)鍵詞 空間思維 工程制圖 思維培養(yǎng) 抽象思維

中圖分類號(hào)：G424?????????????????????????????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.12.030

Abstract The cultivation of spatial thinking ability is an important goal of the engineering drawing course. It was discovered that the main reason for the lack of spatial thinking ability was the lack of abstract thinking ability， which led to the insufficiency of the alternating process of spatial thinking and abstract thinking during 3D geometric reconstruction， that is， the inability to switch freely between 2D plan view and 3D space. Accordance to the requirements and principles of engineering education certification， strategic methods are proposed to cultivate students' spatial thinking ability such as course content reorganization， teaching method improvement， development of spatial thinking training， and intensified observation. The improvement of spatial thinking ability not only changes the cognition and way of thinking about things， but also promotes the improvement of innovation and creativity in an all-round way.

Keywords spatial thinking; engineering drawing; thinking training; abstract thinking

工程教育認(rèn)證的核心理念是OBE （outcome-based education），即以學(xué)生產(chǎn)出為導(dǎo)向的教育理念，貫徹以學(xué)生為本、關(guān)注學(xué)生最終學(xué)習(xí)成果的教育模式，并注重持續(xù)改進(jìn)原則。[1]OBE已成為發(fā)達(dá)國(guó)家教育改革的主流理念，保證專業(yè)教育質(zhì)量和教育活力。我國(guó)高校在進(jìn)行工程教育認(rèn)證和實(shí)施OBE理念的過(guò)程中，仍存在諸多問(wèn)題和不足，如重理論教學(xué)、輕實(shí)踐訓(xùn)練、課程內(nèi)容過(guò)時(shí)、考核方式單一等，亟須進(jìn)一步的改革和提升。

工程制圖是工科學(xué)生的一門基礎(chǔ)課程，以培養(yǎng)學(xué)生的讀圖、繪圖、空間形體的形象思維、構(gòu)型設(shè)計(jì)、工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力為主要目標(biāo)，逐步養(yǎng)成工程意識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度，并提高創(chuàng)新能力。[2]教學(xué)目標(biāo)要求學(xué)生的思維能夠在二維平面和三維空間進(jìn)行順利轉(zhuǎn)換，完成工程圖樣的繪制、閱讀等任務(wù)。然而在教學(xué)過(guò)程中，部分學(xué)生反映課程難度大、作業(yè)耗時(shí)嚴(yán)重、甚至出現(xiàn)無(wú)法完成的情況。究其原因，主要在于部分學(xué)生空間思維能力較低而無(wú)法跟上教學(xué)進(jìn)度，對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)掌握不全，最終導(dǎo)致學(xué)習(xí)任務(wù)和作業(yè)完成困難，甚至出現(xiàn)了畏難心理、厭學(xué)、棄學(xué)的情況。本文針對(duì)工程制圖中空間思維能力培養(yǎng)的難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行研究，貫徹工程教育認(rèn)證的OBE理念，改進(jìn)教學(xué)方式和思維訓(xùn)練方法，探索提高工科學(xué)生空間思維能力的策略和方法。

1 工程制圖中空間思維能力

1.1 空間思維能力

工程制圖中的空間思維是人腦對(duì)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。研究表明，空間思維源于形象思維，其處理的對(duì)象可以是眼睛直接觀察的對(duì)象，也可以是人腦思考產(chǎn)生的理性材料。空間思維過(guò)程注重三維幾何空間的構(gòu)建，而不關(guān)注對(duì)象的其他特征（色彩、表面等）?？臻g思維經(jīng)常需要抽象思維的引導(dǎo)，并與之交替進(jìn)行，通過(guò)分析、判斷、歸納、概括等完成三維幾何空間的構(gòu)建。工程制圖采用正投影法來(lái)解決空間立體的平面表達(dá)問(wèn)題，要求學(xué)生的思維能力順利地實(shí)現(xiàn)從立體到平面、從平面到立體的可逆轉(zhuǎn)換過(guò)程，即工程圖地準(zhǔn)確繪制和正確讀圖。此可逆轉(zhuǎn)換需要兩種不同思維方式的交替來(lái)分析和解決問(wèn)題。[3]以課程中組合體讀圖章節(jié)中補(bǔ)畫第三視圖題目為例，空間思維能力差的學(xué)生的表現(xiàn)大致可分為三類：看不懂畫不出、能看懂畫不出、能看懂畫不全。第一類情況的思維方式仍停留在平面模式上，對(duì)投影理論和三視圖知識(shí)未掌握。第二類狀況具有了一定的空間思維能力，能夠完成一部分的立體構(gòu)建，但缺少抽象思維的分析能力。第三類學(xué)生不僅能夠完成三維立體重構(gòu)而且能實(shí)現(xiàn)二維圖樣部分轉(zhuǎn)化，但對(duì)立體結(jié)構(gòu)投影后的細(xì)節(jié)仍無(wú)法做出準(zhǔn)確的判斷。由此可見，解決空間思維能力薄弱的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是強(qiáng)化抽象思維中的分析、判斷等能力。

1.2 學(xué)生空間思維能力薄弱原因

根據(jù)教學(xué)過(guò)程觀察和分析，學(xué)生空間思維能力薄弱原因主要有以下幾個(gè)方面。[4-5]首先，工程制圖課程多在大學(xué)第一、二學(xué)期開設(shè)，此時(shí)學(xué)生尚未進(jìn)入專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)階段，缺乏相應(yīng)的工程實(shí)踐知識(shí)和體驗(yàn)，只能被動(dòng)地跟學(xué)和練習(xí)，導(dǎo)致空間思維能力較差。其次，這一階段的學(xué)生更習(xí)慣于理論知識(shí)記憶和推導(dǎo)，而對(duì)空間立體的知識(shí)結(jié)構(gòu)掌握不全，無(wú)法開展高一級(jí)的抽象思維。再次，按照既往的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，學(xué)生們更多地習(xí)慣于將立體轉(zhuǎn)化為平面表達(dá)，缺少?gòu)钠矫娴饺S立體拓展的意識(shí)和能力。最后，大量學(xué)生更將空間思維能力與制圖課程錯(cuò)誤地關(guān)聯(lián)在一起，僅僅滿足于完成學(xué)習(xí)任務(wù)通過(guò)考核，忽視了空間思維對(duì)自身綜合能力發(fā)展的影響——沒有意識(shí)到空間思維能力的提升能夠進(jìn)一步激發(fā)人的想象力和創(chuàng)造力。通過(guò)形象思維和抽象思維的交替，可將具體事物抽象化，也可將抽象事物具體化，促進(jìn)認(rèn)知能力和創(chuàng)新能力在更高層面上拓展。

從以上的分析可知，工科學(xué)生空間思維能力薄弱的根本原因是空間思維和抽象思維交替過(guò)程不順暢。其空間思維能力多集中于二維平面模式而無(wú)法順利切換至三維空間模式。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，雖然能夠掌握簡(jiǎn)單幾何體的三視圖投影，但對(duì)各類組合立體中基本幾何體的空間相對(duì)位置、連接關(guān)系、布爾操作等方面仍缺乏正確的理解。無(wú)法通過(guò)抽象思維的假設(shè)、推理、判斷的方法完成立體的建模和視圖投影。因此，對(duì)工科學(xué)生進(jìn)行立體空間抽象思維訓(xùn)練是提升其空間思維能力的有效手段。

2 工程制圖中空間思維能力的培養(yǎng)

工程教育認(rèn)證OBE體系要求以學(xué)生為中心、教學(xué)效果輸出為目標(biāo)。工程制圖課程的一個(gè)重要目標(biāo)就是對(duì)學(xué)生空間思維能力的培養(yǎng)，通過(guò)對(duì)幾何體的形象思維認(rèn)知和抽象思維重構(gòu)，思維活動(dòng)能在二維平面和三維空間自如地切換。要實(shí)現(xiàn)此培養(yǎng)目標(biāo)，就需要開展課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法改革，適當(dāng)加入輔助性的思維訓(xùn)練實(shí)踐、提高工程體驗(yàn)等措施。

2.1 教學(xué)內(nèi)容重組

按照認(rèn)知理論，人對(duì)事物的認(rèn)知是從形象思維開始進(jìn)而展開抽象思維，直至形成完整的知識(shí)體系。課程教學(xué)也應(yīng)遵循此規(guī)律，以取得高效的教學(xué)輸出。然而，現(xiàn)有的制圖課程部分教學(xué)安排并未按此規(guī)律進(jìn)行。例如：教學(xué)中通常以“點(diǎn)—線—面—體”的次序講授立體的投影知識(shí)。此種方式初看由簡(jiǎn)入繁便于理解，但（除頂點(diǎn)、棱線外）一般的點(diǎn)、線知識(shí)都屬于從立體中抽象出來(lái)的對(duì)象，缺少立體本身的形象和直觀特點(diǎn)，容易造成學(xué)生理解困難，教學(xué)效果也較差。相反的，如果采用“體—面—線—點(diǎn)”的順序，即先建立立體投影概念，再推導(dǎo)出面、線、點(diǎn)的投影特點(diǎn)則更符合認(rèn)知規(guī)律，也更易于被學(xué)生理解和接受。授課時(shí)先利用體的三視圖推導(dǎo)出各種面的投影特性，再通過(guò)不同位置面的投影引出線的投影特點(diǎn)。最后利用平面與直線的空間幾何關(guān)系和畫法，得出點(diǎn)與線、面的投影關(guān)系和面內(nèi)取點(diǎn)的方法。由此可見，在教材編寫和教學(xué)內(nèi)容組織時(shí)需要遵照認(rèn)知規(guī)律進(jìn)行調(diào)整、改變知識(shí)點(diǎn)權(quán)重比例，以滿足教學(xué)目標(biāo)的要求。

此外，在教學(xué)中增加三維立體建模知識(shí)也是提高學(xué)生空間思維能力的有效方式。通過(guò)講授立體建模知識(shí)，可讓學(xué)生理解不同幾何體的構(gòu)造方式、形成過(guò)程，以及各部分間的組合操作。特別是對(duì)基本幾何體組合時(shí)相互間的定位方式、連接關(guān)系，以及布爾操作過(guò)程的理解，更能促進(jìn)抽象思維能力的提升。

2.2 ?教學(xué)方式改變

為增強(qiáng)學(xué)生對(duì)空間立體和投影的認(rèn)識(shí)，課堂教學(xué)中使用了大量的實(shí)體模型和三維設(shè)計(jì)軟件。在初學(xué)階段，這種輔助方式在投影理論和建立三視圖概念上的確幫助巨大。然而后期學(xué)習(xí)時(shí)，這種輔助對(duì)抽象思維能力的訓(xùn)練則貢獻(xiàn)甚小，直至成為空間思維能力提升的障礙。主要表現(xiàn)為，學(xué)生對(duì)立體模型產(chǎn)生了過(guò)度依賴：不給出立體模型就無(wú)法完成視圖投影。在組合體讀圖練習(xí)時(shí)，必須先草繪出所謂的“立體圖”（非標(biāo)準(zhǔn)軸測(cè)圖）才能進(jìn)行三視圖投影。若沒有立體模型，就無(wú)法完成三視圖的繪制。其中深層的原因還是抽象思維能力的缺失。在已知了基本幾何立體后仍無(wú)法通過(guò)假設(shè)、分析、判斷等思維活動(dòng)，正確地重構(gòu)幾何體結(jié)構(gòu)，更無(wú)法進(jìn)一步轉(zhuǎn)化展開為三視圖。此時(shí)，立體模型已經(jīng)喪失自身的輔助功能，而成為阻礙學(xué)生空間抽象思維能力進(jìn)一步提升的桎梏。所導(dǎo)致直接結(jié)果就是，思維過(guò)程無(wú)法重構(gòu)正確的立體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)而求助于“立體圖”。

為了防止這種情形出現(xiàn)，教學(xué)中應(yīng)在建立主要概念后，逐步減少立體模型（和軟件）的使用，更多地引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)觀察和空間想象來(lái)解決問(wèn)題。如根據(jù)所學(xué)到的立體建模知識(shí)，采用基本幾何體組合出多種不同構(gòu)型的立體，熟悉不同立體的構(gòu)建過(guò)程和組合特點(diǎn)。這些過(guò)程更多的是運(yùn)用空間想象和抽象思維方式，確定各個(gè)組成部分間的定位、連接、拓?fù)潢P(guān)系。通過(guò)一定時(shí)間的實(shí)踐和積累，可顯著提高學(xué)生對(duì)立體結(jié)構(gòu)的空間思維能力（特別是抽象思維），擺脫對(duì)實(shí)體模型的依賴。

2.3 空間思維訓(xùn)練

在課程教學(xué)過(guò)程中設(shè)立空間思維訓(xùn)練環(huán)節(jié)，首先通過(guò)對(duì)基本幾何體的空間變換操作，進(jìn)一步理解其不同空間位置特點(diǎn)和變換過(guò)程，逐步提高對(duì)空間立體的抽象思維能力。訓(xùn)練的目標(biāo)是在擺脫實(shí)物模型的前提下，通過(guò)視圖繪制完成對(duì)組合體的建模、空間變換、以及三視圖投影等過(guò)程。[6]進(jìn)一步的訓(xùn)練則類似搭積木活動(dòng)，由簡(jiǎn)到繁構(gòu)造空間形體，并嘗試對(duì)形體進(jìn)行空間位置變換（如對(duì)稱、旋轉(zhuǎn)、變形等）和多形體的布爾操作（合并、相交、交叉等），直至完成投影和三視圖繪制。開展空間思維訓(xùn)練可以幫助學(xué)生掌握組合體形成中各部分間的相互定位關(guān)系、布爾運(yùn)算過(guò)程，以及各部分間的連接方式，建立起空間思維的基本要素并提供抽象思維經(jīng)驗(yàn)。在實(shí)際教學(xué)中開展這種思維訓(xùn)練方式，不僅能夠讓學(xué)生對(duì)所學(xué)的空間幾何、矩陣變換等知識(shí)做進(jìn)一步的融會(huì)貫通，更能對(duì)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力進(jìn)行培養(yǎng)和提升。

2.4 勤于觀察和思考

“格物致知”是中國(guó)傳統(tǒng)文化的智慧，同樣也對(duì)空間思維方式的培養(yǎng)有著重要指導(dǎo)意義。工程制圖課程教學(xué)要求學(xué)生做到“多看、多想、多畫”。多看即是對(duì)生活中所接觸到的事物進(jìn)行細(xì)致觀察，從家用電器、交通工具、機(jī)器設(shè)備、建筑造型等不斷進(jìn)行觀察和思考，分析各種立體構(gòu)型中的基本形體和構(gòu)建方式，探查各基本形體間的相互定位、連接方式。特別是組合立體上存在的截交線和相貫線進(jìn)行探討，更能夠促進(jìn)課程知識(shí)點(diǎn)的掌握和空間思維能力的提高。通過(guò)類似的拆分和組合過(guò)程的思維活動(dòng)，不斷地改進(jìn)和提升空間思維過(guò)程和實(shí)踐體驗(yàn)。這些思維活動(dòng)過(guò)程符合工程教育認(rèn)證貫徹的持續(xù)改進(jìn)原則。

3 結(jié)論

工程教育認(rèn)證的核心理念是以學(xué)生產(chǎn)出為導(dǎo)向，以學(xué)生為中心、關(guān)注最終學(xué)習(xí)成果的教育模式。工程制圖課程重要目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力，提高綜合素質(zhì)并全面促進(jìn)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。學(xué)生空間思維能力薄弱的主要表現(xiàn)是無(wú)法準(zhǔn)確掌握課程內(nèi)容和完成組合立體的相關(guān)習(xí)題。分析其主要原因是空間思維過(guò)程中抽象思維能力的欠缺，導(dǎo)致空間思維和抽象思維交替過(guò)程不順暢，即無(wú)法通過(guò)對(duì)基本立體的空間組合方式，做出正確的分析和判斷，完成空間立體的重構(gòu)。根據(jù)OBE理念，提出了通過(guò)對(duì)課程內(nèi)容重組、教學(xué)方法改進(jìn)、開展空間思維訓(xùn)練、強(qiáng)化觀察等方法來(lái)培養(yǎng)和提高學(xué)生的空間思維能力?？臻g思維能力的培養(yǎng)和提升，不僅在于能夠提高工程制圖課程的教學(xué)效果，更在于能夠全面增強(qiáng)學(xué)生的思維能力，改變對(duì)事物的認(rèn)知和思維方式，促進(jìn)自身綜合能力提升。

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