基于三維模型對(duì)《機(jī)械制圖》教學(xué)模式的探析

張超，陳忠維，邵宇，崔元昊，董興宇

（武警海警學(xué)院機(jī)電管理系，浙江 寧波 315801）

1 前言

在本科院校以及職業(yè)技術(shù)學(xué)校中，《機(jī)械制圖》已然成為眾多工程專業(yè)中重要且基礎(chǔ)的一門技術(shù)課程。作為工程界“交流的語言”，該課程不僅是承接工程實(shí)際與理論學(xué)習(xí)的橋梁，同時(shí)也是工程學(xué)術(shù)探究建模模擬分析的基礎(chǔ)。學(xué)生通過對(duì)該課程的學(xué)習(xí)，能夠快速有效地掌握機(jī)械制圖的基礎(chǔ)理論知識(shí)，結(jié)合對(duì)實(shí)物空間與平面之間地相互轉(zhuǎn)換的繪制練習(xí)，能夠提升學(xué)生的動(dòng)手操畫能力和空間想象能力，最終成為學(xué)生熟練識(shí)讀圖紙，準(zhǔn)確繪制實(shí)物信息的技能。但無論是作為工程學(xué)科的技能掌握還是學(xué)術(shù)探究的基礎(chǔ)能力，該課程對(duì)學(xué)員的理解能力和空間想象能力都有很高的要求，使得這門課程的學(xué)習(xí)效果存在著較大的差異，為此需要廣大老師對(duì)《機(jī)械識(shí)圖》課程的教學(xué)講授方面，進(jìn)行完善和突破，從而不斷提升整體教學(xué)質(zhì)量。

隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展，Solidworks、UG、Proe等三維建模軟件的出現(xiàn)也促進(jìn)了教學(xué)模式的創(chuàng)新性改革。三維模型是采用多邊形表示的方式呈現(xiàn)物體的真實(shí)形狀，通常用計(jì)算機(jī)或者其他視頻設(shè)備進(jìn)行顯示。在傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)節(jié)中，我們常采用是真實(shí)的教具或者是虛構(gòu)物體的flash動(dòng)畫進(jìn)行教學(xué)，這對(duì)于機(jī)械制圖課上理論知識(shí)的初步理解有著較好的促進(jìn)作用，但真實(shí)模型以及動(dòng)畫制作均為固定模式，即靈活性較差，無法及時(shí)解決課上新問題以及較為抽象難解的課后習(xí)題。而三維模型可以表示任何物理自然界存在的東西，因此我們可以不僅僅局限于初步教學(xué)理解階段，應(yīng)結(jié)合數(shù)字、圖片等其他教學(xué)因素，同時(shí)根據(jù)課程不同章節(jié)建立多種三維模型進(jìn)行拓展式教學(xué)。

2 運(yùn)用數(shù)、圖、模型的三聯(lián)合，幫助學(xué)生快速建立空間思維

運(yùn)用數(shù)字、圖片以及模型的結(jié)合，通過多方面的角度進(jìn)行講解理論知識(shí)，不僅能夠豐富課堂教學(xué)內(nèi)容，還可以拓展學(xué)生的思維，幫助學(xué)生理解理論知識(shí)。當(dāng)學(xué)生無法及時(shí)理解老師的直觀理論講授時(shí)，多角度的講解能夠讓其找到合適自身的理解方式，進(jìn)而更好的掌握該課堂內(nèi)容的知識(shí)點(diǎn)。對(duì)于初入大學(xué)階段的學(xué)生而言，部分學(xué)生前期系統(tǒng)的立體知識(shí)掌握不扎實(shí)，同時(shí)缺乏對(duì)機(jī)械零件的認(rèn)識(shí)，因此在傳統(tǒng)教學(xué)過程中難以及時(shí)理解并掌握空間與平面之間的轉(zhuǎn)化過程，對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解能力的不同，這點(diǎn)對(duì)于基礎(chǔ)知識(shí)缺乏，空間想象能力薄弱的學(xué)生而言尤為致命，會(huì)導(dǎo)致學(xué)生在初學(xué)階段的學(xué)習(xí)積極性下降，制圖基礎(chǔ)知識(shí)掌握不扎實(shí)引發(fā)后期學(xué)習(xí)乏力的現(xiàn)象。所以在教學(xué)過程中，將數(shù)字、圖片和模型視圖的結(jié)合，將知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行多角度的解釋可以幫助學(xué)生的理解。根據(jù)空間點(diǎn)的坐標(biāo)特性（圖1），坐標(biāo)（X，Y，Z）可以對(duì)應(yīng)視為（長，寬，高）。如圖2所示，將空間點(diǎn)在各投影面上的投影點(diǎn)展開時(shí)，所各投影面上點(diǎn)的X，Y，Z的數(shù)值分別對(duì)應(yīng)相等，即水平投影點(diǎn)的X與正投影點(diǎn)X是相同的值，進(jìn)而也可以解釋長對(duì)正，同理寬相等，高平齊也可相應(yīng)解釋。通過三維模型的方式也可以進(jìn)行講解。如圖3所示，將空間點(diǎn)對(duì)各個(gè)投影面上的投影線整體視為一個(gè)規(guī)則矩形，則所有X，Y，Z方向的長度均相等，將其按照Y投影軸展開（圖4），則仍能夠根據(jù)形體原先的特點(diǎn)得到這三個(gè)方向上的長度相等，進(jìn)而可以解釋“長對(duì)正，高平齊，寬相等”。通過這樣的方式，將教學(xué)內(nèi)容比較全面的呈現(xiàn)給學(xué)生，并讓其進(jìn)行觀察和思考，逐步建立空間思維，進(jìn)而提高教學(xué)質(zhì)量，讓學(xué)生更容易理解知識(shí)點(diǎn)。

圖1 空間點(diǎn)的三維投影圖（坐標(biāo)式）

圖2 點(diǎn)的展開投影圖（坐標(biāo)式）

圖3 空間點(diǎn)的三維投影圖（圖形式）

圖4 點(diǎn)的展開投影圖（圖形式）

3 采用引導(dǎo)式教學(xué)，讓學(xué)生自發(fā)思考模擬建模過程，激發(fā)課堂活力

引導(dǎo)式教學(xué)主要是通過循序漸進(jìn)的方法將語言與動(dòng)作貫穿起來，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與學(xué)習(xí)，讓其多想、多說、多做，逐漸養(yǎng)成自主探究、相互學(xué)習(xí)的教學(xué)方式。摒棄了填鴨式教學(xué)的被動(dòng)學(xué)習(xí)，這種教學(xué)模式則更適合大學(xué)中的教學(xué)。在本門課程中，學(xué)習(xí)的空間圖形各類各式，更需要學(xué)生這種自發(fā)思考的過程和能力。學(xué)生在這個(gè)過程中不僅可以掌握課堂內(nèi)容基本的知識(shí)點(diǎn)，更能夠思考其演變過程，進(jìn)而鍛煉其思維能力，對(duì)相似的或者全新的事物能夠有自己的思考方式，完成任務(wù)后可以提升其綜合專業(yè)能力。《機(jī)械制圖》中有部分章節(jié)則可以采用該方式進(jìn)行教學(xué)，如表達(dá)相貫體，主要教學(xué)目的是讓學(xué)生掌握兩個(gè)相交的立體表面的交線，將其繪制于圖紙上。通過對(duì)三維模型進(jìn)行不同角度的反轉(zhuǎn)，觀察相貫線的圖形特點(diǎn)，有助于學(xué)生理解抽象的相貫線。同時(shí)還可以將其投影圖和實(shí)物圖展現(xiàn)于同一視圖中，如圖5所示，有助于老師的授課講解。同時(shí)三維模型對(duì)于組合體章節(jié)的教學(xué)內(nèi)容也有較好的教學(xué)效果，如表達(dá)組合體的組合形式，如圖6所示，可通過對(duì)復(fù)雜零件進(jìn)行引導(dǎo)式分析，讓學(xué)生自發(fā)思考該模型的成型過程，有助于其在繪制圖形時(shí)有清晰的邏輯思維，幫助其準(zhǔn)確的完成三視圖的繪制。所以教師可通過將其設(shè)置為開放性環(huán)節(jié)，讓學(xué)生有自行發(fā)揮的空間，積極參與課堂互動(dòng)，激發(fā)課堂活力。

圖5 相貫體的軸測(cè)圖與對(duì)應(yīng)的三視圖

圖6 組合體的組合過程

4 結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)與動(dòng)手實(shí)操練習(xí)，提升學(xué)生綜合能力

在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，多以教師進(jìn)行課上講解為主，學(xué)生則被動(dòng)的接受知識(shí)，這樣會(huì)導(dǎo)致教師與學(xué)生之間缺乏溝通和交流，課堂氛圍比較沉悶，學(xué)生上課積極性下降，易出現(xiàn)注意力分散的現(xiàn)象。結(jié)合《機(jī)械制圖》這門課程的特點(diǎn)，需要學(xué)員動(dòng)腦思考，動(dòng)手繪制的任務(wù)較多，因此將該任務(wù)與課堂教學(xué)結(jié)合在一起，通過翻轉(zhuǎn)課堂，讓學(xué)生來完成部分課堂任務(wù)的講授，不僅能夠讓學(xué)生完成課上練習(xí)，同時(shí)鍛煉學(xué)生的綜合能力，表達(dá)出自己的解題思路，共享學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，教師可結(jié)合學(xué)生講解情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充和完善，指出學(xué)生在完成任務(wù)中的優(yōu)缺點(diǎn)，幫助學(xué)生快速掌握知識(shí)。通過互換師生角色的方式，了解學(xué)生的思維，增加師生間的互動(dòng)機(jī)會(huì)，建立良好的師生關(guān)系，讓學(xué)生能夠在和諧、輕松且有任務(wù)驅(qū)動(dòng)的氛圍下完成任務(wù)，最終感受到成果所帶來的喜悅和成就感，同時(shí)也是對(duì)其他學(xué)生的一種學(xué)習(xí)激勵(lì)，促進(jìn)一種良性競(jìng)爭意識(shí)的形成。《機(jī)械制圖》課程中有許多章節(jié)可以通過在三維模型建立的環(huán)節(jié)中進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂與動(dòng)手實(shí)操練習(xí)。例如，在學(xué)習(xí)組合體剖視圖部分內(nèi)容，可通過布置部分任務(wù)，讓學(xué)員分析三維模型形成的過程，分析剖切面的位置以及剖面區(qū)域等注意事項(xiàng)，教師通過三維模型軟件結(jié)合學(xué)生思路，協(xié)助其完成整個(gè)模型的建立（如圖7所示），鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)整個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行細(xì)致的描述，對(duì)其認(rèn)為的易錯(cuò)點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)調(diào)，最終結(jié)合三維模型完成的剖視圖模型（圖8）進(jìn)行多角度解釋剖切區(qū)域的畫法，最終在圖紙上完成作業(yè)。讓學(xué)生在不同的思維碰撞中加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，讓其有自己的做題思維并嘗試解決問題。對(duì)仍不理解的問題，教師給予及時(shí)的解釋，幫助其建立完整的知識(shí)框架體系。

圖7 三維模型的全剖視圖

圖8 三維模型的全剖視圖工程圖

5 聯(lián)系實(shí)際進(jìn)行三維模型演示，激發(fā)學(xué)生發(fā)散性思考

由于《機(jī)械制圖》是應(yīng)用性較強(qiáng)的一門課程，學(xué)生不僅需要掌握其理論知識(shí)，更重要的是掌握相應(yīng)的實(shí)踐技能。對(duì)于學(xué)習(xí)的眾多知識(shí)點(diǎn)，教師可結(jié)合學(xué)校學(xué)科特色或?qū)嶋H的生活進(jìn)行探索式、拓展式教學(xué)。通過三維模型的建立和演示，將所有知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行綜合，讓知識(shí)貼近于實(shí)際，讓理論聯(lián)系實(shí)踐，這樣能夠促進(jìn)學(xué)生在課堂過程中自發(fā)聯(lián)想生活中所涉及到的實(shí)物與所學(xué)知識(shí)的聯(lián)系，有利于學(xué)生分析解決實(shí)際問題能力的提高。如學(xué)習(xí)零件圖和裝配圖的章節(jié)中，可結(jié)合已學(xué)的連接件和傳動(dòng)件進(jìn)行發(fā)散性思考，將其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理、應(yīng)用場(chǎng)景、以及使用方式進(jìn)行設(shè)問，引發(fā)學(xué)生思考，對(duì)多個(gè)不同應(yīng)用場(chǎng)景的模型進(jìn)行演示，讓學(xué)生感受到知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐的真實(shí)性，培養(yǎng)其對(duì)知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用于實(shí)際的思維能力，如圖9。

圖9 直升機(jī)減速器3D模型

6 結(jié)語

整體而言，《機(jī)械制圖》作為院校內(nèi)一門專業(yè)且基礎(chǔ)的學(xué)科，需要學(xué)生掌握扎實(shí)的理論知識(shí)，熟練的讀圖繪圖的能力，才能夠?qū)W以致用，因此做好教學(xué)環(huán)節(jié)則顯得極其重要。教師可通過多元化的現(xiàn)代技術(shù)完善教學(xué)模式，將三維模型作為新教學(xué)手段，能夠在前期幫助學(xué)生培養(yǎng)學(xué)習(xí)課程的興趣，讓學(xué)生充分感受到課程的魅力和樂趣所在，同時(shí)，對(duì)于課程內(nèi)容的講解有著較好的輔助作用，提高整體的教學(xué)質(zhì)量，切實(shí)幫助學(xué)生理解機(jī)械制圖的知識(shí)點(diǎn)和重難點(diǎn)，提高自身綜合能力，培養(yǎng)發(fā)散性思維，為其步入社會(huì)后的工作生活以及科研深造打下良好的基礎(chǔ)。