基于Solidworks 的機械工程空間思維能力培養

梁廟星，張功學

（1.陜西科技大學，陜西 西安 710021；2.寧夏職業技術學院，寧夏 銀川 750000）

1 空間幾何體的教學難度

機械制圖課程要求學生掌握的基本技能有：繪圖時將直觀的三維結構轉換為點、線和面組成的平面視圖；讀圖時，平面視圖應被快速轉換為具有特定形狀和大小的三維模型，并且可以正確地描述三維模型，因此培養學生的空間想象力對于教學的成功至關重要。學生具有一定的三維空間思維能力，但仍然處于較低的、模糊的水平。因此，學生空間想象力的培養仍有提升空間。

在談論機械機構時，教師如若無法直觀地展示課堂中各種機構的運動過程，通常情況下直到課程結束，學生的空間想象力也無法得到有效的訓練。將這種現象簡單的歸因于學生思維能力的不足是欠妥的，學生的思維能力尚未得到充分發展和培養，有必要加強后續教育。對于需要空間想象力的機械工程課程，思維能力培養應該是整個教學過程的核心任務，是課程教學成敗的關鍵，也是教學的難點。為了提高學生的學習興趣，應盡快培養學生空間思維能力。

傳統機械工程課程普遍具有抽象概念，知識分散，理解記憶困難。從未見過的實體往往不容易理解，學生也就沒有學習興趣，因此教學效果欠佳。例如，教師通常會根據國家規定的二維圖形或符號向學生說明螺栓、螺母、軸承等標準零件的類型、特征和注意事項。學生缺乏直覺感受，課后很快就會被遺忘，更不用說在實踐中應用。事實上，在教學過程中，平面幾何同時結合立體幾何的教學方法是分不開的，教授平面幾何投影須同時結合立體幾何體才能取得良好的效果。

2 空間思維的內涵

空間思維能力是一種普遍的思維能力，是一種復合思維，是一種快速高效的優秀思維。空間思維能力包括理解空間的屬性，利用空間的各種屬性來形成問題，并提出解決方案，通過可視化空間結構中的各種關系來觀察，記錄和分析對象之間的靜態和動態關系，找到答案。空間思維也是立體思維的代名詞，所有人或多或少地擁有空間思維能力。

空間思維應用于機械工程領域表現為抽象思維、形象思維和邏輯思維。提高學生的思考和總結能力是為了提高所學知識的本質特征的能力，并將其概括為概念或圖像。在訓練中，對已知條件進行重構和重組，并根據豐富的想象力對結果進行判斷和推理，有利于豐富學生的空間思維力。例如，機械制圖中可以修改已知三個視圖的點、線、面，讓學生在視圖修改后想象相應結構的變化，并繪制相應圖紙。

為了使學生積極參與教學活動，在討論問題時，教師應該激發學生的思維潛能，鼓勵他們大膽表達自己的思想，思維能力提高的同時獨立學習的能力將也會逐步提高。嚴謹細致的思維習慣是工程技術人員應具備的基本素質，學生應該深刻認識到培養細致和嚴謹的繪圖習慣作為未來工程師和技術人員的重要性。教師應在分析和解決問題的過程中培養嚴謹細致的思維習慣，不能將機械制圖教學視為簡單的知識轉移和技能培訓。事實上，如果思維訓練無效，那么做再多的練習也是徒勞的。在教學過程中，每個環節應圍繞培養和加強思維能力中心任務組織材料進行教學。

3 Solidworks 在繪圖教學中的應用

在學習機械專業課程之前，學生對視圖和形狀仍然相對不熟悉，機械部件的知識是空白的，因此學生會感到更無聊和難學，就會厭倦繪圖而逐漸失去對繪圖的興趣。Solidworks 的應用，可以使用動態的多角度零件演示來更好地表達零件的內腔結構和外觀，可以更充分地展示每個部分的裝配關系，使學生在學習過程中更直觀地觀察圖形，有更直觀的印象，幫助學生快速建立空間想象力，增強學習樂趣。Solidworks 功能很強大，可以將3D 實體與2D 繪圖緊密聯系起來，可以任意繪制草圖，然后執行基本操作，如旋轉，拉伸，放樣和掃描，以完成基本繪圖。因此，在教學過程中，教師可以根據不同的教學目標改變模型，既降低了教學難度，又提高了教學效率。

在機械制圖的教學過程中，實體模型是不可分離的，傳統的實體模型，存在資金量大、模型小、需要特殊存儲等不足，模型在處理過程中碰撞和丟失，影響教學效果。通過Solidworks 建立的模型可以完全取代物理對象，可以有效克服傳統教學的缺點，并可以根據教材的更換進行修改，只需隨身攜帶便攜儲存設備教學，通過建立模型庫，學生可以更好地理解實體，其實用性是傳統教育所無法比擬的。

Solidworks 可以在教學過程中直接構建模型，構建的模型不僅高度精確，而且可以通過裝配表達復雜的幾何體。動畫效果演示使學生更容易理解繪圖中難以理解的內容。合理使用Solidworks 使學生能夠直觀地觀察三維圖形，有利于培養學生的空間思維能力，對提高學生的閱讀能力有很大幫助，從而提高學生的學習興趣和提高繪圖效果。

機械專業課程教學過程中，教師可以使用SolidWorks來完成減速器的設計，齒輪，軸承，螺栓，螺釘，鍵等通用零件可由工具箱直接生成。在完成齒輪箱的所有零部件之后，組件在組裝模式下裝配，在裝配過程中，可以直觀地發現設計計算的各種數據是否錯誤，各部分的結構設計是否合理，還可以使用干涉檢查功能對整個裝配進行干涉檢查，找出設計錯誤的地方，然后直接修改相應的元件尺寸。最后，在工程制圖模塊下完成2D 工程圖。使用SolidWorks 進行課程設計，學生可以避免花費大量時間繪制和修改繪圖，他們可以專注于設計，考慮設計流程，設計方法和設計要點，以提高設計效率和改善學生機械設計空間思維能力。

將SolidWorks 引入課堂教學，讓學生與三維物體之間取得聯系，激發學生的興趣，提高學生的空間思維能力。在教學過程中，利用Solidworks 等現代教學方法可以生動地展示空間思維過程，不僅有效縮短了學生的理解時間，提高了教學效率，而且生動逼真，視覺清晰吸引學生對課程學習的興趣，形象有效地加深學生的記憶，提高教學質量。

4 思維能力培養的實踐

利用SolidWorks 優化機械專業課程教學，可以使傳統的教學方法不明確或難以解釋、難以制作的內容變得簡單。抽象視圖變得直觀，有助于突破教學的關鍵點和難點。例如，剖面視圖的切片過程是動畫的，這樣學生可以清楚地看到機器的內部和外部結構，容易掌握截面圖的繪制方法和裝配圖，掌握零件的繪圖和閱讀，使學生產生學習興趣，多樣性提高了學生的空間思維能力。

將SolidWorks 應用于幾何投影教學中，思維訓練遵循從簡單到復雜的規律，從物理對象到平面視圖（從圖像到抽象），然后從平面視圖回到真實對象（從抽象到圖像），這樣學生的空間思維能力就是在這種反復的轉換變化中得到了有效的訓練。在分析和想象零件結構時，將這些零件組合在一起，通過有目的設計一系列問題，學生的思維分層次地啟動，使學生的思維按照教師預先設想的框架運行，以達到良好的思維訓練效果。