模型虛實結合在“機械制圖”教學中的應用*

郝紅梅，吳利平，李 磊，鄒修敏，陳 麗，曾 敏，陳曉燕，鄒貴群

（四川化工職業技術學院機械工程學院，四川 瀘州 646099）

0 引言

各類職業院校將“機械制圖”設為機械類如汽修、模具、機電等專業的基礎課，它是一門系統性較強、邏輯思維嚴密的課程，主要目的是培養學生看圖、畫圖以及立體空間思維能力。該課程的本質是以畫法幾何學為基礎，以投影理論為方法，研究幾何形體的構成、表達和工程圖樣的繪制、閱讀。

高職院校大多數學生的空間思維能力與空間想象能力較弱[1]，學習本課程時難度較大，并且隨著點的投影過渡到線的投影與面的投影等知識點的不斷深入，學生感到越來越力不從心。所以為了提高課堂效率、簡化知識點，使用教學模型來幫助學生們理解教學內容，最終增強學生的空間思維與空間想象能力。“機械制圖”這門課程的實踐性較強，平常的課堂教學中，配以相對應的習題冊讓學生加強對本節內容的理解練習；對于學生空間想象能力的提升還需要加強，所以后期測繪實訓中安排學生將一個裝配體進行拆卸、畫零件圖、畫裝配圖、組裝，實現理論與實操的相結合。

1 在傳統教學中實物模型的應用

實物模型和虛擬模型在“機械制圖”的教學中必不可少。傳統的教學模式中，教師展示實物模型讓學生觀看并分析研究，進而培養學生的空間想象能力和分析能力，常用的教學模型都是木質或塑料的簡易模型，這些實物模型所產生的教學效果并不顯著，主要體現在以下幾個方面。

1）傳統的實物教學模型需要提前定制加工，使得教學成本增加。大多數模型的體積大、重量重，難以攜帶，后期的磨損也不能及時修正。

2）“機械制圖”課程同時開展，各位授課老師的教學計劃幾乎同步，需要多套模型供各位老師同時使用。

3）在講到第三章的截交線與相貫線時，由于傳統的實物模型形體較單一且不能修改，難以滿足靈活多樣的教學需求。

4）教材內容不斷更新，單一的實物模型與教材更新展示的多樣性模型嚴重脫節。大多數高職院校的學生空間想象能力較弱，課堂教學效果不盡人意，多樣化虛擬模型庫的建立可以解決這一難題。

5）對于傳統的實物模型，在前期加工中將其零件模型制造得較小。對于大型的零件與裝配體，在教學課堂上演示較為困難，學生不能隨意拆開觀察，這就達不到教學目的。

2 現代教學中虛擬模型的應用

隨著計算機技術的廣泛普及以及信息化教學的趨勢推動，計算機圖形學、CAD技術及SolidWorks虛擬模型在工程圖學中得到了普遍應用，虛擬模型輔助實物模型成為了一種高效率的教學方式。通過使用Pro/Engineer、SolidWorks和UG等三維繪圖軟件建立課堂教學中所涉及的三維虛擬模型[2-3]，再借助多媒體的教學手段，將所建立的三維虛擬模型呈現在教室的投影屏上；通過全方位的轉動展示出模型的立體效果和視覺效果，讓學生仔細觀察三維模型在三維投影面內各面投影形狀的變化，逐步提高學生的空間想象能力并培養學生的空間思維能力[4]。

如圖1所示，SolidWorks繪制的三維模型在截交線的應用。利用三維軟件SolidWorks畫出四棱柱被截切后三維模型，將截切后產生的截平面設置成不同的顏色，投射在教室的屏幕上，全方位地展示截切后的四棱柱，讓學生看清楚截切后的三視圖的形狀，進而將截交線的三面投影求解出來。

圖1 被截切后的四棱柱

虛擬模型與實物模型的結合使用已經成為了高校普遍使用的一種教學方式，原因主要有以下幾個方面。

1）計算機軟件建立的虛擬模型可以直接保存在計算機硬盤、U盤等存儲設備中，攜帶、存儲都很便捷，維護、使用成本較低。

2）虛擬模型彌補了傳統模型形體單一化的問題。截交線與相貫線對學生的空間想象能力的要求很高，大部分同學對于單一截平面所產生的截交線可以求解。比較復雜的截交線的求解有一定的難度，可以建立虛擬模型全方位地展示截交線的形狀，簡化截交線的求解，逐步提高學生的空間想象能力。

3）虛擬模型可以根據教學需要建立任意形狀的模型，可以實時修改模型，可以多視角展示模型內外部形體特征[5]。

4）由于高職類院校各個班級生源質量存在差異性，學生對課堂知識點的接受程度不一樣，導致一些學習能力較弱的學生可能會跟不上課程進度，虛擬模型數據庫能很好地解決了這一難題[6]。學生可以直接通過學校網進入虛擬模型庫主頁，調取自己所需的模型進行課后學習與鞏固，從而保證在有限的時間內幫助學生取得較大的學習效益。

3 多樣性教學模式的實踐

各類職業院校將“機械制圖”設為機械類如汽修、模具、機電等專業的基礎課，那么采用多樣化的教學模式產生的效果具體如何？選用生源質量相同的3個汽修班進行測試，“機械制圖”課程中“基本體及其表面交線”這一章節用到的模型最多，用不同的教學模式來對比一下教學效果。如表1所示。

表1 多樣化教學模式圖表

“基本體及其表面交線”這一章節的內容如下：平/曲面立體上取點、平/曲面立體的截交線、回轉體的相貫線。講授本章節時，汽修1班用實物模型與虛擬模型結合進行演示，汽修2班僅用虛擬模型進行演示，汽修3班僅用實物模型進行演示。

4 多樣性教學模式的結果分析

3個汽修班的同學在相同時間內用不同教學模式完成了同一章節的學習，用此章節所對應的題庫進行測試，得到的測試成績，如圖2所示。

圖2的各項結果顯示，3個汽修班的及格率都在89%左右，60分以下學生所占的比例，3個班級都保持一致；60～75分學生所占的比例，汽修1班明顯低于其他兩個班級，表明實虛模型結合使用的情況下，低分率較低；76～90分學生所占的比例，汽修1班明顯高于其他兩個班級，表明實虛模型結合使用的情況下，高分率較高；90分以上學生所占的比例，汽修1班明顯高于其他兩個班級，表明實虛模型結合使用的情況下，優秀率較高。因此，實物模型與虛擬模型結合使用，可以更好地提高學習效果。

圖2 期中測試成績分布圖

5 結論

教學中實物模型與虛擬模型的結合使用提高了教學質量和教學效率。“機械制圖”是一門系統性較強、邏輯思維嚴密的課程，對學生的空間想象能力與空間思維能力的要求較高。傳統的教學模式中，實物模型的單一性與教材更新展示的模型的多樣性脫節，課堂教學效果急劇轉下。多媒體教學的出現補充了傳統的教學模式，由三維軟件Pro/Engineer、SolidWorks和UG創建的機械制圖虛擬模型庫[7-8]，實現了線下教學資源的共享，學生可以自行下載學習，從而提高學生的空間想象能力并培養學生的形象思維和創新思維能力，有助于提升教學質量，達到較好的教學效果。