工程識圖與AutoCAD課程空間思維力提升研究

周艷清，許端端，李 緯，李 倩

(湖北工業大學工程技術學院，武漢 430068)

空間思維力的提升也是智能開發的過程，能夠挖掘學生潛能，建立學生的學習自信。思維潛能開發則是智能開發中最基礎、最核心的部分[1]。工程識圖與AutoCAD課程是一門既有理論又有實踐的專業基礎課，主要研究通過二維平面表達空間形體及CAD軟件應用能力，培養學生的空間思維力、分析能力和學習能力，形成良好的思維習慣，掌握扎實的專業技術，讓學生收獲成功感，提高學習興趣，熱愛自己的專業?？臻g思維力提升研究具有重大意義，能夠為后續課程的學習及滿足今后的工作崗位需求奠定堅實基礎。

1 空間思維力的提升需要理論基礎知識支撐[2]

本課程主要是用正投影法解決空間幾何問題的一門學科。為提升學生的空間思維力，學生必須具備一定的投影基礎知識，重點掌握正投影的特性、三面投影圖的基本規律、視圖與形體的方位關系、組合體投影的畫法這四個基本內容。

第一，正投影的特性包括真實性、積聚性、近似性。真實性是指如果線段和平面圖形平行于投影面，投影就會反映出實際的長度或實際的形狀；積聚性是指如果線段和平面圖形垂直于投影面，投影就會積聚為一點或一直線段；近似性是指如果線段和平面圖形傾斜于投影面，投影就會短于實長或小于實形，但與空間圖形類似。第二，三面投影圖的基本規律是指三等關系：正面圖與平面圖長對正；正面圖與側面圖高平齊；平面圖與側面圖寬相等。第三，視圖與形體的方位關系。正面圖反映形體的上、下和左、右，不反映前、后；平面圖反映形體的前、后和左、右，不反映上、下；側面圖反映形體的上、下和前、后，不反映左、右。第四，組合體投影的三種畫法包括疊加法、切割法、混合法。疊加法是指由若干個基本體疊加形成建筑或其構件的方法；切割法是指由基本體切去一部分或幾部分后形成建筑或其構件的方法；混合法就是將疊加法和切割法混合應用。

基礎知識是思維力提升的基礎，這四個內容必須理解透徹，形成知識體系，融會貫通，這樣在實際應用中才能發揮作用。

2 基于CAD三維實體建模提升空間思維力

CAD三維實體建模實現了三維模型可視化，讓學生有更加直觀的感受?；贑AD三維實體建模構建空間思維，能夠提升空間思維力。CAD三維實體建模以圖1為例，將理論知識應用于實際問題，加深對理論知識的理解。

圖1 三視圖Fig.1 Three views

對該三視圖進行形體分析。根據位置關系、正投影特性、投影的基本規律，初步分析得到該組合體是由三個基本形體得到。左前一個長16、寬21、高12的長方體，該長方體其中一邊倒一個半徑為7的圓角；左后一個長16、寬7、高18的長方體；右邊一個長26、寬28、高34的長方體。應用CAD三維實體建模需要先把模型空間調整為三維建模狀態，在該狀態下應用三維建模命令建立三個長方體，對左前一個長方體應用快捷命令f倒一個圓角，如圖2所示。

圖2 模型疊加Fig.2 Model superposition

然后，應用疊加、切割的畫法在左前的形體里面切割掉一個直徑為8、高度為12的圓柱體；右邊的長方體切割掉一個半徑為7、高度為16的半圓柱體，以及挖除一個半徑18、高度12的1/4圓柱體。在分析過程中，挖除的是什么形體需要結合三視圖觀察，因為有些形體在兩個視圖里是一樣的畫法，在第三個視圖里才能具體知道是什么形狀。這個思考的過程也就是基本知識的應用過程，不符合投影規律、投影特性的思維均為思考不全面。在CAD三維實體建模里，把需要切割的這三個形體先建出來，建完之后使用差集命令，用大的形體挖除掉要切割的這三個形體，切割完后如圖3所示。

圖3 模型切割Fig.3 Model cutting

畫完后選中所有形體，應用并集命令，把共面多余的線除掉，繪制完成后如圖4所示。

圖4 模型并集Fig.4 Model set

在CAD軟件教學中，不再只是簡單的教CAD軟件的基本操作，進行二維圖形繪制，還要應用CAD三維實體建模，發散學生空間思維，提高學生的空間想象力，將所學理論知識融會貫通。

3 孰能生巧，強化訓練

在構建空間思維的基礎上，提升空間思維力還需要進一步的強化訓練，需要循序漸進，從基礎練習，并結合學科競賽、跨學科融合，逐步增加難度。

基礎練習主要是對三視圖、剖面圖的練習，通過大量練習加深對基礎理論知識的理解，提高學生的空間想象力、觀察力。在三視圖練習的過程中，運用疊加、切割的思路構建空間形體，若組建后三視圖的形成仍然存在困難，可借助CAD三維實體建模工具把空間形體建出來，加深對三視圖的理解；空間思維力的提高需強化練習剖面圖繪制，理解剖面圖的定義，仔細思考哪些是被剖到的部分，哪些是沒有被剖到但可見的部分，應用繪圖規范將剖面圖繪制出來，將基礎知識掌握扎實。

學科競賽系列性活動的開展，可以有效拓寬大學生專業學習視野，增強學習主動性，培養工程創新思維，學習工程研究方法，提高解決工程實際問題的能力，促進教學相長，全面提升土木工程高等教育教學質量[3]。當有一定空間想象力基礎時，可進行深化練習，結合學科競賽的知識要求、能力要求，將典型的歷年學科競賽真題帶入課堂，使理論知識在做競賽題中得到訓練和強化，讓學生更深刻地理解繪圖規范、圖學基礎知識，培養學生的創新意識、圖形繪制能力和想象力。可基于學科競賽調整課程的內容設置，改善教學方法，通過競賽題的體系化訓練檢驗學生的學習效果，提升學生的專業水平和專業素養。

跨學科融合在空間思維力培養鍛煉方面，可以進行跨學科學習借鑒，如建筑學專業、藝術專業等，這些學科會使學生對建筑物的造型、設計有著更敏銳的觀察力和空間想象力。通過不同程度、不同深度的練習，能夠形成從量變到質變的過程。

4 結語

空間思維力的提升，主要分三步來實現：第一步，牢固掌握基礎知識；第二步，基于CAD三維實體建模進行空間思維構建；第三步，強化訓練。通過三步走，實現空間思維力的提升，做到對工程形體從二維平面到三維形體的空間想象，激發學生的主觀能動性及創造力。