《工程圖學》觸覺教學法探索與實踐

盧科青 王文 楊賀

摘要：針對《工程圖學》課程內容抽象，學生不易接受的問題，提出觸覺教學法。該方法以圖解知識、軟件互動與模型打印三者結合的方式實現課程的形象化、體驗式教學。教學實踐結果表明，觸覺教學法能有效激發學生學習《工程圖學》的興趣，提高課程教學質量。

關鍵詞：教學方法;圖解法;3D打印;形象化教學

中圖分類號：G642.41 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2019）21-0127-02

工程圖樣是工業生產中一種重要的技術文件，是進行技術交流不可缺少的工具，也是工程界的技術語言[1，2]。《工程圖學》是高校機械類學生重要的專業基礎課，但在實際的教學過程中發現，學生對該課程的學習熱情不高，其普遍認為《工程圖學》課程內容抽象，雖然努力地學習該課程，但空間想象能力不足，不適應《工程圖學》中三維立體與二維圖樣之間的思維切換。

論文針對《工程圖學》課程的直觀教學問題，首先分析課程內容抽象、學生難接受的原因，然后提出觸覺教學法，以圖解知識、軟件互動與模型打印三者結合的方式實現課程的形象化、體驗式教學。通過改變課堂教學形式，激發學生學習的積極性、主動性與創造性。

一、《工程圖學》課程內容抽象的原因分析

1.傳授知識過程抽象。在目前的《工程圖學》教學中，教師一般重點關注對課程內容的講解，而圖學知識的形象化處理與表達方面的工作較少。在課堂上，教師一般用語言將教材或課件中的二維圖形及說明文字轉化為一定的思維形式，學生需迎合教師接受其思維方式，即知識的傳遞過程是抽象思維與抽象思維之間的觸碰。然而由于知識背景的不同，教師和學生的思維層次與結構存在較大差異，從而導致師生思維觸碰的耦合度不高，期間形成的有效信息傳輸通道較少。

2.理解知識過程抽象。《工程圖學》課程的授課對象為大學一年級新生，該課程的知識形式、思維方式、學習方法與高中階段的課程有較大區別。要正確理解教材中圖文的含義，需要結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的教學思維模式中轉變過來，可能不適應這種涉及大量空間構型的思維方式。在圖學知識的理解過程中學生缺少一種能表達空間問題的工具，缺少一種能連接書本知識與自身思維方式的手段。

3.應用知識過程抽象。學生應用圖學知識的場合主要包括：課堂練習、課后作業以及在課程設計、各種競賽中對所需機械結構進行設計。應用圖學知識的本質是構建三維模型，其中所構建模型的可行性與合理性一般只能依靠學生的空間想象力進行分析。初學者在缺少實物模型支持的條件下很難做到正確地分析與判斷。目前，數控機床可以有效實現三維數字化模型向實體模型的轉變，但學生一般沒有這樣的資源，學校也很難普及這類高成本的訓練項目。

“抽象”的直接結果是學生在《工程圖學》的課堂上缺少參與感與體驗感，從而難以激發學生學習該課程的積極性與主動性。

二、《工程圖學》觸覺教學法

觸覺教學法包括三方面的觸碰：觸碰抽象思維、觸碰構型能力、觸碰實物模型。這三方面的觸碰分別通過圖解教學法、軟件互動與3D打印技術實現。

1.圖解教學法-觸碰抽象思維。圖解教學法的目標是將《工程圖學》課程中的知識用圖形方式表達出來，利用圖形的形象性與直觀性，使學生比較容易理解、接受抽象的圖學知識。圖形表達方式包括圖片、動畫等，其中圖片用于靜態地表達知識點，如平面立體的三維形狀、滾動軸承的實體照片等。動畫用于表達立體的形成過程、作圖步驟等，比如用動畫表達平面截切立體形成截交線的過程、立體與立體相交形成相貫線的過程，以及用動畫描述尺、規作圖時的每一個步驟等。

2.軟件互動-觸碰構型能力。培養、訓練三維構型能力的最好方式是實踐，CAD軟件可以有效將學生的設計思路、構型思維轉化為三維數字化模型，且使用成本較低[3-5]。課程采用“教師-學生-軟件”三方互動的教學方法，具體如下：①利用課程的上機學時，讓學生學習Siemens NX三維造型軟件的使用方法;②課堂上鼓勵學生帶筆記本電腦，對于課堂上的問題，鼓勵學生直接通過NX軟件解題;③教師在課堂上根據教學需要展示各種由NX軟件完成造型的模型，穿插性地通過現場造型展示構型過程;④用軟件三維造型代替部分手工繪圖作業。

為促進NX軟件功能的學習與交流，在課程外建立“3D建模協會”，使軟件的學習與《工程圖學》課程同步進行，促進三維造型軟件與課程學習之間的融合。

3.模型打印-觸碰實物模型。實物模型的展示與操作是檢驗造型結果的最有效方式。3D打印是快速成型技術的一種，它以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術[6]。其中熔融沉積型3D打印機價格相對低廉，可以用較小的成本就可以實現實物模型的展現。

利用3D打印技術實現實物模型觸碰的方法如下：①以3-4名學生為一個小團隊，將班級中的學生分成若干組;②分別給各個團隊分配三維造型任務，任務分為預定功能造型與自由造;③各團隊將設計好的三維模型數據導入3D打印機，加工出所設計模型的三維形狀;④各團隊對完成打印的模型進行表面打磨、上色等后處理;⑤組織一次“圖學我型我秀”作品展，各團隊之間相互欣賞作品，評選最喜愛的模型。

三、觸覺教學法實踐效果

對2個教學班，共56名學生進行了觸覺教學法的探索與實踐。通過訪談、調查問卷、教學數據統計與分析得出，觸覺教學法具有以下四個方面的優勢。

1.提高教學質量。通過期末成績統計與分析發現，實施觸覺教學法的教學班平均分比其他同課程的班級高5-7分，且得分優勢主要體現在綜合讀圖題。這說明通過觸覺教學法的應用，學生更好地掌握了三維構型能力。

2.激發學生學習的積極性與主動性。與往屆教學班相比，實施觸覺教學法后，學生與教師的交流次數以及課間、課后提問數量大幅度增加。這說明觸覺教學法能有效激發學生學習課程的積極性與主動性。

3.知識、能力、素質的綜合培養。觸覺教學課堂不僅可以使學生較好地掌握圖學知識，而且讓其通過學習3D造型軟件，可以掌握一種軟件工具。在觸覺教學課堂上，學生以團隊的形式開展學習活動，團隊化教學有助于培養學生的人際交流能力與合作思維，為將來參加社會工作打下良好的基礎。

4.觸碰前沿科技，培育科研基因。3D打印技術是制造領域的前沿科技，而前沿技術的觸碰給有科研潛質的學生創造了一次探索工程科學的機會。很多學生認為3D打印技術激起了他們的科研興趣，從而為培育優秀的科研人才打下基礎。

四、總結

觸覺教學法通過圖解法使抽象的圖學知識形象化，通過軟件互動實現學生構型思維能力的表達與展現，通過3D打印獲得想象中的3D立體。通過觸覺教學法能使學生充分體會到課堂的參與感和對圖學知識的體驗感。開展觸覺教學法可以明顯改善《工程圖學》課程的課堂教學質量，培養學生的綜合能力。

參考文獻：

[1]侯洪生，閆冠.機械工程圖學[M].第四版.北京：科學出版社，2017.

[2]焦永和，張彤，張京英.工程制圖[M].第二版.北京：高等教育出版社，2015.

[3]陸國棟，孫毅，費少梅，單繼宏.面向思維力、表達力、工程力培養的圖學教學改革[J].高等工程教育研究，2015，（5）：1-7.

[4]王建華，郝育新，劉令濤.工程圖學計算機輔助教學實踐與思考[J].圖學學報，2012，33（6）：116-120.

[5]堯燕.依托三維工程圖學培養學生設計創新能力的探索[J].圖學學報，2017，38（1）：119-122.

[6]盧秉恒，李滌塵.增材制造（3D打印）技術發展[J].機械制造與自動化，2013，42（4）：1-4.