機械制圖圖學基礎中引入三維建模的教學改革與實踐

摘要：針對制圖課程教學特點，對機械制圖圖學基礎的教學進行了相應的教學改革。以培養學生空間想象能力為目的，將三維建模融入到教學過程中，激發了學生學習興趣，調動了學生的主動性，對提高教學效果起到積極的作用。

關鍵詞：獨立學院；三維建模；圖學基礎；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）01-0103-02

目前，三本獨立院校《畫法幾何及機械制圖》課程體系尚不完善，大多數三本獨立院校仍沿用一類本科院校的課程體系，導致教學中還存在一些問題，主要表現在學生對課程重要性認識不夠，學習積極主動性較差，難以建立空間形體與平面之間的聯系，學習興趣不高。[1]為此，我們對機械制圖圖學基礎部分進行了教學改革，利用計算機三維建模技術來培養學生空間想象能力，激發學生學習興趣，調動學生的主動性。

一、傳統教學中存在的問題

《畫法幾何及機械制圖》是機械類專業的一門重要的技術基礎課。課程安排在大學一年級分上、下兩個學期開設。上個學期主要講授的是圖學基礎部分，即包括：制圖的基本知識（國家標準）、幾何作圖、點線面、基本體及其截交線和組合體及相貫線相關內容。其主要任務是要求學生熟悉制圖國家標準相關內容，培養學生尺規繪圖能力和空間想象能力。

在傳統的教學方式中，老師們上課的時候會帶木模型到課堂，用來使學生對圖形所對應的形體產生感性的認識和了解，培養學生的空間想象能力。但是由于木模型的種類和數量是有限的，且體積大而笨重，教師攜帶并不方便，要想滿足所有學生的學習要求，顯然是有一定困難的。后來教師們使用電子模型，雖然攜帶起來方便，而且學生也可以拷貝這些模型在課后自主學習，但學生對著已經做好的模型學習，并不能激發學生創造性的形象思維能力，比如如果電子模型對應習題改變了位置或局部形狀，有些學生就會難以想象出來。日常的實踐教學也證明，這種方式對于空間想象能力較差的學生而言，仍難以培養他們的空間想象能力。

二、三維建模與機械制圖圖學基礎部分融合式教學

對于我校機械類專業而言，改革前采用的是分段式制圖課程教學體系，既開設了96學時《畫法幾何及機械制圖》，又開設了24學時的《計算機輔助機械繪圖》，兩門課一共為120學時。[2]其優點是教學組織上較靈活，分為兩門課授課。《計算機輔助機械繪圖》主要講授二維繪圖，安排在大學一年級下學期后半個學期段進行。

（一）依據制圖課程基本任務，針對課程教學特點，確立教改的指導思想和目的

目前，隨著計算機軟硬件技術的飛速發展及工程界對二維計算機繪圖以及三維建模技術日益增長的需求，在《畫法幾何及機械制圖》教學中有效地融入二維計算機繪圖以及三維幾何建模越來越受到重視。各高校都在不斷開展三維教學實踐活動，制圖教師們都在思考怎樣將三維建模與《畫法幾何及機械制圖》教學結合起來，為教學服務。其中有的教師認為，應從三維模型入手，直接建立從體到圖的教學體系；有的認為二維工程圖不可少，應與后續課程進行相應配套改革；有的認為改革應堅持工程圖學教育的基本內容，發揮其他課程不可替代的作用。[3，4]

圍繞著制圖課程培養學生構形、表達、讀圖、制圖的能力的基本任務，針對《畫法幾何及機械制圖》圖學基礎部分的內容本身具有抽象、難懂，學生學習起來很困難，難以激發學生興趣，調動學生主動性的教學特點，我校三維建模與機械制圖圖學基礎融合式教學改革確立了以制圖課程為主線，以計算機二維繪圖三維建模為輔線，尺規繪圖與計算機繪圖并重的指導思想，目的是為了激發學生的學習興趣，培養學生的三維空間想象能力。那么，如何把三維建模與傳統的《畫法幾何與機械制圖》圖學基礎部分緊密結合在一起，激發學生學習興趣，培養學生三維空間想象能力，便成了這次教學改革主要解決的問題。

（二）合理安排教學，整合制圖理論與計算機繪圖教學內容

改革后，《畫法幾何及機械制圖》和《計算機輔助機械繪圖》合并為一門課，總學時120學時不變。上學期安排56學時，在制圖教室上課占40學時，講授圖學基礎部分內容；在計算機機房上課占16學時，講授計算機二維繪圖及三維建模部分內容。目前的計算機繪圖軟件很多，我們仍選用Autocad來教學，雖然它的三維建模功能不強，但三維建模簡單形象易操作，便于在有限的學時內培養學生三維空間想象力。

為使圖學基礎和計算機輔助繪圖的教學內容有效融合，我們進行了如下的安排：第一階段講授AutoCAD二維平面繪圖，安排8個學時。在學習完平面圖形繪制及繪圖國家標準后，安排一次計算機輔助平面繪圖課程，以畫幾何作圖課后練習為載體，學習在AutoCAD中設置符合國家標準的圖幅圖框、圖線圖層、字體等，學會基本的二維繪圖和編輯命令。在學習完點、線、面后，安排第二次計算機輔助平面繪圖課程，以繪制平面圖形為載體，學習常用的二維繪圖和編輯命令，使學生掌握繪制任意中等復雜平面圖形的能力。第二階段講授AutoCAD三維建模，安排8個學時，先講疊加形體的建模，再講做切割形體的建模。在組合體這一章開始時，安排一次計算機輔助三維建模，講授如何對疊加方式的組合體建模。在這章結束后，安排第二次計算機輔助三維建模，講授如何對切割方式的組合體建模。

（三）“演示—操作—想象”漸進式教學

二維和三維，一個是空間，一個是平面，在制圖課程中其關系既矛盾又統一。矛盾的是，“畫圖”要求學生能把復雜的三維工程形體轉化為二維的平面圖形，而“讀圖”又要求學生能讀懂復雜的組合體二維三面投影圖，能把更復雜的平面圖形還原成三維模型。統一的是，畫圖和讀圖的對象都是同一工程形體。為使學生建立三維空間想象能力，傳統制圖教學過程中，老師要求學生多看木模型，多思考模型與練習之間的聯系，多做已知兩面投影求第三面投影習題。傳統的教育模式下，學生無法快速融入到課程中去，難以形成完整的空間概念，甚至可能會導致學生喪失學習這門課程的信心，甚至影響后面的課程學習。endprint

在教育心理學中，形象思維的解釋是會運用直觀形象或表象來解決空間想象的問題。那么，怎樣利用三維建模來積累形象思維的表象，達到培養學生空間想象能力的目的呢？我們采用了以下的方法。

1.直觀演示，靜動教學感知表象。在教學中，教師先給出組合體的三視圖和該組合體的三維靜態圖片。所選的組合體要復雜一點，至少需要由三種形體疊加或切割而成。先把難懂的三視圖與直觀的立體圖對比，使學生感知學習的材料。之后，教師再用圖片方式一次性給出該組合體建模的所有過程，使學生通過對比，掌握三視圖和立體圖內在的聯系，理解整體和部分之間的關系。最后，教師依據圖示的過程，在AutoCAD中講授該組合體建模的操作過程。三維實體動態演示配合靜態過程圖片的教學，能使學生留下鮮明的表象。

2.動手操作，課上輔導。教育心理學告訴我們，讓學生親身經歷參與掌握知識的過程，會激發學生學習的興趣；加強學生動手操作能力，能加深學生對知識的理解。在教師直觀演示組合體建模過程后，針對教師給出的組合體三視圖和立體圖片分別出三道題，讓學生親身經歷動手操作建模。教學中，可以逐漸增加題目的難度，比如第一題給出形體三視圖和立體圖要求學生進行三維建模，而到了第二題只給出三視圖來建模，第三題則只給了形體的兩個視圖來建模。安排課上做這三道題，一方面教師可以從旁輔導，與學生互動交流討論，幫助學習掌握建模過程；另一方面，可以掌握學生學習的動向，及時調整習題難度，避免學生產生畏難情緒。這種動態的教學手段相比以前靜態的木模型或電子模型更能幫助學生快速地建立對二維平面與三維立體的空間想象能力。

3.想象形體，培養學生空間想象力。想象是指人腦對過去形成的表象進行加工改造而產生新形象的心理過程。先講疊加形體建模再講切割形體建模的原因是，疊加形體特征視圖較多，便于學生建立“從特征視圖入手，聯系幾個視圖，想形體”的思維過程。在講完疊加形體建模后，學生通過反復體會三維與二維的投影轉換，積累圖形的直觀形象和表象，建立一定空間形體與平面之間的聯系，再來學習較難想象的切割形體建模，興趣正濃的學生便不會產生畏難情緒，符合學生的認知規律，便于學生建立空間想象力。

課后，教師還可以布置組合體建模習題，幫助學生鞏固學習成果，強化培養三維想象能力。

三、結束語

依據制圖課程基本任務，針對制圖課程教學特點，確立以制圖課程為主線，以計算機二維繪圖三維建模為輔線，尺規繪圖與計算機繪圖并重的指導思想，整合制圖理論與計算機繪圖教學內容，采用“演示-操作-想象”漸進式教學，將三維建模融入到教學過程中，搭建感性認識向理性轉化的橋梁，不但激發了學生學習興趣，調動了學生的主動性，而且培養了學生三維空間想象能力，對提高教學效果起到積極的作用。

參考文獻：

[1]馮向東.經營大學 辦好教育——依托名校辦分校的辦學實踐研究[J].復旦教育論壇，2004，2（6）.

[2]陳振興.獨立學院《機械制圖》課程教學改革實踐[J].教育教學論壇，2013，（5）.

[3]張京英，羅會甫，張彤，焦永和.三維造型設計與工程圖學的有效融合[J].工程圖學學報，2010，（6）.

[4]童秉樞，易素君，徐曉慧.工程圖學中引入三維幾何建模綜述與思考[J].工程圖學學報，2005，（4）.endprint