空間思維訓練在機械制圖本科教學中的探索

黃軍波，劉富凱，王 睿

（天津職業技術師范大學機械工程學院，天津 300222）

機械圖樣被譽為工程界的“技術語言”，對于相關工程人員來說，熟練掌握和運用這門特殊語言至關重要。然而，機械制圖課程中涉及了大量的點、線、面和立體的空間位置關系，傳統的平鋪式教學古板生澀，致使大部分本科生難以理解課程內容，同時由于自我練習少，大量的基礎知識難以消化[1-2]。長此以往，導致學生在制圖學習方面產生很大的挫折感，限制了學生的思維發展和求知欲望。

機械制圖空間思維能力的培養對建立工程空間思維構架，提高機械工程學習興趣和效率，準確解決工程中的機械空間問題都有十分重要的意義[3-4]。但如何在課堂教學中使用策略針對性地提高機械空間思維能力仍是一大難點。目前大多數方案是應用3D立體建模來輔助教學[5]。計算機建模雖然簡單直觀，但對學生來說，信息量大，消化吸收的少，遺忘也快，同時導致學生動手時間少，對空間立體思維培養提升有限[6-7]。

一些先進工業國家的工程制圖課程，已將傳統的畫法幾何和制圖技能的培訓學時逐漸減少，取而代之的是徒手畫草圖、三維建模和培養學生創新思維的教學內容。對于空間思維訓練，國外已有深入的研究和訓練方法[8-14]。近年來，國內部分高校已著手培養學生們空間思維能力，但仍集中在地理知識方面的應用[15-17]，空間思維訓練在機械制圖方面的應用實踐未見起色。本校教學團隊在總結以往教學經驗的基礎上，不斷探索新的教學方法，結合國外空間理論思想，引入空間思維訓練方法，讓學生在教師的引導下積極參與、主動學習，真正將提高空間思維能力的理論知識落到實處，做到講練結合、活學活用。本文將空間思維訓練融入教學中，并研究了空間思維訓練在機械制圖中的積極作用，總結了空間思維能力培養的新教學模式，以期對本科生機械制圖教學改革提供指導。

1 空間思維訓練在制圖教學中應用

機械制圖是一門實踐性很強的課程，必須通過大量的練習和實踐活動才能牢固掌握所學的知識，進而形成識圖和繪圖能力。因此，加強實踐性繪圖是培養學生能力的重要手段之一。通過對本科生進行“搭積木”和“心理旋轉”等空間思維訓練，使其在教師的引導下循序漸進地學習，逐步培養空間感，提高學習興趣。

1.1 “搭積木”訓練——繪制三維立體圖

搭積木是空間訓練的最好方式之一，被廣泛應用于嬰幼兒和兒童階段的空間思維訓練。現通過正等軸測圖的理論思想，采用平面的三角形網格圖紙將平面圖形轉化為立體圖形，如圖1所示。

圖1 平面圖形和對應的立體積木[11]

根據圖1（a）顯示的平面圖形，畫出相應的立體積木。在看見平面圖形后，首先左腦會快速解析數字代表堆積的積木數，然后右腦會將數字轉化為立體積木，最后指導雙手繪畫出積木堆積圖，并進一步繪制出立體草圖。可見這個過程本身就是左右腦快速協作的過程，而右腦的開發也是空間思維訓練的重要環節之一。

1.2 “心理旋轉”訓練——加強空間立體思維

通過一定時間的“搭積木”訓練，學生的空間立體感基本建立。然后通過“心理旋轉”訓練，進一步加強空間立體思維。立體圖和繞x軸、z軸旋轉后的圖形如圖2所示。

心理旋轉這一概念是Shepard等于1971年首次提出的，是對人腦中的某個圖像的映像做平面或立體轉動的心理操作過程，它是一種想象自己或客體旋轉空間表征轉換能力。簡而言之，就是在人腦海中旋轉圖形。這對于在初高中階段沒有經過特殊訓練的本科生來說，難度明顯增加，學生的腦力活動量也不斷增大。但是，研究表明該心理旋轉能力是可塑的，經過適當的專門訓練是可以提高的。事實也證明，經過幾周的專門訓練，本科生的心理旋轉能力明顯增強，繪制速度也越來越快。心理旋轉圖例（學生作品）如圖3所示。

圖2 圖例[11]

圖3 心理旋轉圖例（學生作品）

1.3 空間位置平移訓練——建立三面視圖思維

從二維平面到三維立體空間，學生們經過一段時間的專門訓練基本上已經形成了立體思維能力，然后再通過立體圖轉化為平面圖，回歸到機械制圖的基礎知識上。立體圖的三面投影（學生作品）如圖4所示，將立體圖分別投影到三面坐標平面上，這實際上就是學習三面投影的過程。

圖4 立體圖的三面投影（學生作品）

機械制圖中的三面投影，既是重點又是難點，是一個運用基礎投影理論分析平面圖形，想象空間物體

結構形狀的過程。它又與“點線面的投影”“基本幾何體的投影”“立體表面交線”及“軸測圖”等內容密切關聯。通過空間思維訓練的方式，讓學生在自我繪制的基礎上，更好地理解和掌握其基礎理論知識，同時提高了學生的基礎技能和動手能力。

2 空間思維訓練的實際教學效果分析

2.1 教學效果對比——上課表現和平時作業對比

由于傳統的教學方式按照點、線、面的進程不斷推進，課件主要以教師講解為主，多數學生難以理解。幾堂課下來，學生的自信心和學習的積極性受到較大打擊，逃課或課堂睡覺等消極行為時常發生。然而，經過前期空間思維訓練的鋪墊，學生們在學習能力和心理承受力方面都有了一定提高，后續對制圖基礎知識的理解力明顯增強。同時由于空間思維訓練給學生們帶來新鮮感、參與感，學生上課的表現更積極，從平時的作業完成情況也有所體現。

平面與立體的截切問題、回轉體與回轉體的相貫問題一直是機械制圖中的重點和難點。在教學過程中發現，學生初次接觸時很難想象其空間幾何形體，總是遺漏部分曲線。經過空間思維訓練之后，學生的空間感增強了，形象思維也開闊了，對這類問題也有了深刻的理解。某學生經過空間思維訓練后，完成的作業如圖5所示。

圖5 平面與回轉體、兩回轉體的相交（學生作業）

從圖5可以看出，該學生已經很好地理解了相交中的特殊截點、線段和曲線，具備了較好的空間感。

2.2 期末考試成績對比

近4年機械制造相關專業考試成績分布統計如圖6所示，其中橫坐標前2位數字代表學年，后2位代表班級。14、15學年采用傳統的機械制圖教學，從16學年開始逐步加入空間思維訓練課程。由圖6可知，在14、15學年學生考試成績合格率很不理想，均低于50%。而從16學年開始逐步融入空間思維訓練的新教學模式，學生考試成績也在逐步提高，合格率最高能達到80%。

很明顯，新教學模式下高分人數和均分成績均有明顯提高。經調查，多數學生表示新教學模式便于空間立體感的形成，使立體圖像能夠快速在頭腦中顯現出來，從而使得讀圖、繪圖能力得到相應的提升。在課堂上適當融入空間思維訓練，一方面可使學生全方位參與其中，另一方面也能有效地提高學生的空間思維能力和動手能力。

圖6 近4年機械制造相關專業考試成績分布統計

3 結語

本文首次將空間思維訓練引入到本科生的機械制圖教學中，并對本科生工程空間思維能力的培養和機械制圖的教學效果進行了深入分析。研究表明：“搭積木”和“心理旋轉”等專門空間訓練對提高本科生的空間思維能力具有積極作用，使其能夠更好理解后續的制圖理論和原理，建立工程空間思維構架，進而提高學生讀圖、識圖和繪圖等實際制圖技能。同時，在實際教學中學生的參與感不斷增強，極大地擴展了學生的思維深度和寬度，激發了其求知欲，培養了機械工程專業學生學習的興趣，提高了學習效果。此外，空間思維訓練在機械制圖本科教學中的應用實踐，也是我國職業教育師資——“雙師型”職教師資人才培養的一次良好嘗試，該方法為我國機械制圖本科教學改革提供了可借鑒的新模式。