王永泉， 王生懷

(湖北汽車工業(yè)學(xué)院機械工程學(xué)院，湖北 十堰 442002)

一種提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的相貫線實踐教學(xué)法

王永泉， 王生懷

(湖北汽車工業(yè)學(xué)院機械工程學(xué)院，湖北 十堰 442002)

圖學(xué)課程中相貫線部分內(nèi)容是教學(xué)的重點也是難點。為改變多年來課堂理論教學(xué)的單一模式，提出了一種提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的相貫線實踐教學(xué)法。在運用自主開發(fā)的相貫線繪制儀的基礎(chǔ)上，制訂了具體的實踐教學(xué)大綱、計劃及考評機制。由實踐教學(xué)的初步實施表明，在學(xué)習(xí)該難點內(nèi)容時，大大激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和學(xué)習(xí)興趣。由于采用了學(xué)生自主選題、實物實操教學(xué)，學(xué)生對這一難點的理解更為容易，印象也更加深刻。

圖學(xué)課程；相貫線；實踐教學(xué)；自主學(xué)習(xí)

現(xiàn)代科技日新月異，發(fā)展迅速，除了文字語言、數(shù)學(xué)語言、計算機語言，圖學(xué)語言越來越成為當代科技人員必須掌握的四大語言之一。大多數(shù)高校已將圖學(xué)課程作為各專業(yè)必修的通識課之一，讓學(xué)生學(xué)會用圖來思考問題、解決問題，加強培養(yǎng)和鍛煉大學(xué)生的圖學(xué)思維能力。該課程體系針對不同專業(yè)，講授課時也有所不同，但基礎(chǔ)的圖學(xué)理論、圖學(xué)知識內(nèi)容大同小異，重點培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力、構(gòu)形設(shè)計能力等。在工程實踐中，任何復(fù)雜的形體結(jié)構(gòu)都可以認為是由若干簡單基本體經(jīng)過疊加、切割及增加輔助修飾特征而形成。形體疊加時，其表面的交線稱為“相貫線”，圖學(xué)課程教學(xué)中相貫線部分內(nèi)容一直是一個重點也是難點。

目前對于回轉(zhuǎn)體相貫線的研究主要有：利用計算機三維建模展開研究[1]；對相貫線進行空間和投影的理論解析[2-4]；相貫線的作圖方法研究、工程應(yīng)用研究等[5]。在基本圖學(xué)理論的教學(xué)中，所采用的輔助教學(xué)手段主要有：通過三維軟件建立三維虛擬模型、三維動畫幫助理解，課堂上由老師掌控觀察，解決由于學(xué)時有限，學(xué)生學(xué)習(xí)較被動的問題。購買大量木質(zhì)或金屬模型用于展示，因其價格昂貴、制作模式固定，學(xué)生只能觀看不能觸摸，又因其消耗資源且展柜占地面積大，應(yīng)用局限性大。采用橡皮泥、蘿卜、泡沫等材料制作模型，該方法有一定成本，且制作效果欠佳。文獻[6]對于圓柱桿在兩桿相貫和三桿相貫時，利用圓柱坐標矩陣旋轉(zhuǎn)變換的方法構(gòu)建相貫線的展開曲線方程，并將該方法應(yīng)用于結(jié)構(gòu)紙質(zhì)模型的制作上，取得了較好的效果，但該方法僅限于圓柱桿相貫的情況，未擴展到其他常見回轉(zhuǎn)面多種形式相貫的情形。經(jīng)多年教學(xué)發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)相貫線部分內(nèi)容時，效果不甚理想，很多學(xué)生出現(xiàn)畏難情緒，課堂不易理解、作業(yè)無從下手，掌握起來很困難?；谀壳皥D學(xué)教學(xué)的不足，設(shè)計了一種能讓學(xué)生通過動手操作實現(xiàn)多體多種相貫形式空間相貫線繪制、紙質(zhì)立體模型制作、相貫線正投影生成一體化的實踐教學(xué)法。該方法激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高其動手實操能力，能結(jié)合理論知識自主學(xué)習(xí)相貫線部分內(nèi)容，讓課堂變得鮮活而有趣。

1　相貫線實踐教學(xué)教具的開發(fā)

為實現(xiàn)常見回轉(zhuǎn)面空間相貫線的繪制、相貫體紙質(zhì)模型的制作、正投影的生成，研究開發(fā)了一種相貫線實踐教學(xué)教具，且已獲得國家發(fā)明專利授權(quán)。該教具為純機械裝置，純手動操作，結(jié)構(gòu)簡單實用。該裝置只需要“圓柱、圓錐、球體” 3個基本體木模即能快速、平穩(wěn)地畫出柱、錐、球等常見回轉(zhuǎn)體在軸線正交、斜交、偏置、平行等位置時的空間相貫線，而且相貫回轉(zhuǎn)體的尺寸可調(diào)節(jié)，繪制出的相貫線精確度較高。該教具繪制空間相貫線的機械模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作原理、使用方法可見文獻[7]。

下面簡述其基本使用過程：首先將一基本體木模安裝于工作臺上，可以用頂尖及螺紋結(jié)構(gòu)件確保其穩(wěn)固安裝。木模在工作臺上可以臥式、立式、斜向安裝，如圖2所示。工作臺可由螺桿螺母驅(qū)動讓木模發(fā)生縱、橫向運動。裝置上方有固定畫筆，內(nèi)有彈簧可實現(xiàn)畫筆上下自由伸縮，工作臺安裝在底部轉(zhuǎn)盤上，通過手動轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤，可實現(xiàn)上部畫筆相對回轉(zhuǎn)所形成的回轉(zhuǎn)面與木模之間發(fā)生相貫。畫筆即可在木模外包圍的畫紙上繪制出空間相貫線。

圖1　空間相貫線繪制儀

圖2　圓錐木模在工作臺上的安裝

如圖1所示，畫筆的橫向位置可調(diào)即可實現(xiàn)上部回轉(zhuǎn)面半徑可調(diào)；畫筆可繞水平軸旋轉(zhuǎn)，使得上部回轉(zhuǎn)面可以調(diào)節(jié)形成圓柱面或不同錐角的圓錐面。圖3為柱錐相貫?zāi)Ｐ蚚8]制作實例，在木?；倔w外包圍紙面上畫好相貫線后，將紙面展開即可得到相貫線的展開圖，若沿相貫線將內(nèi)部紙面剪掉，再恢復(fù)原基本體紙模型，然后將另一基本體紙質(zhì)模型插入該模型則可得到兩體相貫后的相貫體紙質(zhì)模型。

圖3　柱錐相貫?zāi)Ｐ椭谱鲗嵗?/p>

在設(shè)計空間相貫線繪制儀的基礎(chǔ)上，開發(fā)新的模塊可實現(xiàn)畫筆在繪制空間相貫線的同時還能繪制其多面正投影，如圖4所示柱錐相貫相貫線正投影繪制實例，其工作原理、使用方法可見文獻[9]。

圖4　柱錐相貫相貫線正投影繪制實例

2　相貫線實踐教學(xué)設(shè)計

根據(jù)給定的相貫線題目，學(xué)生自行分析相貫體的基本體形狀及相貫位置，需動手調(diào)整好儀器，由相貫線的空間繪制到紙質(zhì)模型制作，再到實操實現(xiàn)相貫線正投影的繪制。由完成一道題，再擴展至多道題(題目自選)，直至擺脫實驗?zāi)茏孕蟹治鰡栴}、解決問題；同時引導(dǎo)學(xué)生對待事物要學(xué)會抓住本質(zhì)，思考問題要學(xué)會“舉一反三、靈活多變”，由此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉其自主實踐動手能力。

本研究開發(fā)的教學(xué)法為：①在圖學(xué)課程大綱及教學(xué)計劃中設(shè)置針對相貫線內(nèi)容的實踐學(xué)時4～6學(xué)時(課內(nèi)加課外學(xué)時)；②在現(xiàn)有的零部件測繪及模型展示室放置滿足教學(xué)數(shù)量的儀器；③學(xué)生按4～5人一組協(xié)作完成實驗；④擬完成的相貫線題目由學(xué)生根據(jù)習(xí)題作業(yè)自選，每人至少完成3個作品，同一組的作品既可以有重復(fù)，但也要有不同；⑤根據(jù)每人完成作品的數(shù)量及質(zhì)量由其他小組打分，含個人分及團隊分，將分數(shù)在實驗室公開展示；⑥每小組組員撰寫實驗報告總結(jié)心得、分析得失并附上成績，由組長匯總總結(jié)；⑦小組任務(wù)完成后，組長做匯報，請代課教師主持現(xiàn)場答辯交流，期間所有學(xué)生均可發(fā)言提問闡述自己的觀點，實現(xiàn)以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為中心的“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式。

學(xué)生能力培養(yǎng)包括有：自主學(xué)習(xí)能力，實踐動手能力，創(chuàng)新創(chuàng)造能力，團隊協(xié)作能力，分析問題、總結(jié)問題的能力，語言、文字表達表述能力。

圖5(a)為學(xué)生制作的幾種典型相貫體模型，從左至右、從上到下依次為：柱柱正交相貫、柱柱偏心相貫、柱柱斜交相貫、柱錐正交相貫、錐柱正交相貫、柱錐豎向偏心相貫。圖5(b)為相貫線實踐教學(xué)初步實施，學(xué)生制作的作品及現(xiàn)場答辯情況。圖5(c)為學(xué)生制作的相貫體模型與習(xí)題集作業(yè)對應(yīng)題目的對照圖。

圖5　相貫線實踐教學(xué)初步實施情況

3　總　結(jié)

由于學(xué)生對空間相貫線及其正投影的生成進行了實際操作，并自主制作了實物模型，從而加深了對相貫線的理解與認識，反過來由物到圖，再做習(xí)題，事半功倍。該部分內(nèi)容學(xué)生從原來的“不愿學(xué)、學(xué)不會”到“喜歡學(xué)、學(xué)得好”發(fā)生了巨大的轉(zhuǎn)變。說明在教學(xué)中，實踐動手環(huán)節(jié)的注入起到了關(guān)鍵而又重要的作用。從筆者多年的實踐教學(xué)中越來越感覺到，在教學(xué)中“學(xué)生看到的、聽到的東西可能很快會忘記，但實際動手做出來的東西印象極為深刻，甚至可能會銘記一生”。所以當前工程教育要特別重視實踐教學(xué)、積極地研發(fā)各種實踐教學(xué)法、充分發(fā)揮實踐教學(xué)的重要作用。

當下社會信息化、網(wǎng)絡(luò)化突飛猛進，如何把學(xué)生從電子產(chǎn)品、虛擬世界拉回到課堂上，全身心投入到專業(yè)學(xué)習(xí)中，對當代的大學(xué)教師提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。近年來，以“慕課”、“微課”為代表性的精品資源開放課正大力發(fā)展，并頗具規(guī)模。國家也投入了大量的人力、物力，舉辦各類創(chuàng)新大賽，為了激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新創(chuàng)造能力和實踐動手能力。作為教師應(yīng)當抓住機遇，在網(wǎng)絡(luò)教育資源日趨發(fā)達的今天，設(shè)法開發(fā)更多實踐創(chuàng)新課，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力，引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生在扎實掌握基礎(chǔ)專業(yè)知識的前提下，不斷有所創(chuàng)新和創(chuàng)造。為能讓課堂更加鮮活起來，讓工程教育回歸工程而不懈努力。

[1] 潘子健, 孟祥寶, 潘淑璋. 基于 CATIA求圓錐與圓球相貫線的投影分析[J]. 圖學(xué)學(xué)報, 2012, 33(4): 20-23.

[2] 胡志剛, 鄭秋白. 柱錐面交線研究[J]. 圖學(xué)學(xué)報, 2015, 36(5): 671-677.

[3] 谷艷華, 侯洪生, 張秀芝. 圓柱和圓錐相交時左側(cè)相貫線上最右點的解析證明與圖解[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報, 2010, 31(4): 146-150.

[4] 張曉東, 王園宇, 郝鵬飛, 等. 相貫線及其展開曲線的方程構(gòu)建方法的研究[J]. 機械設(shè)計與研究, 2008, 24(2): 21-24.

[5] 郝立華, 孟政. 基于斜投影變換研究畫法幾何中相貫線圖解[J]. 沈陽師范大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2014, 32(1): 65-67.

[6] 何大治, 趙艷霞, 閆磊源. 結(jié)構(gòu)模型制作中的相貫線展開應(yīng)用[J]. 圖學(xué)學(xué)報, 2015, 36(1): 12-16.

[7] 王永泉, 張穎敏, 伍英, 等. 一種常見回轉(zhuǎn)面相貫線生成儀[P]. 中國專利: ZL201410007935.2. 2015: 2014-04-09.

[8] 大連理工大學(xué)工程畫教研室編. 畫法幾何學(xué)[M]. 7版.北京: 高等教育出版社, 2011: 127.

[9] 王永泉, 伍英, 張穎敏, 等. 一種常見回轉(zhuǎn)面相貫線正投影生成裝置[P]. 中國專利: ZL201420143177.2. 2014: 2014-08-06.

A Practical Teaching Method Im proving Students’ Autonomous Learning Ability for Intersecting Lines Learning

Wang Yongquan,Wang Shenghuai

(School of Mechanical Engineering, Hubei University of Automotive Technology, Shiyan Hubei 442002, China)

The learning contents of intersecting lines are the important and difficult parts in the course of the graphics. The theoretical teaching method for this learning contents was the main and the single teaching model for many years. For improving the current teaching situation, a practical teaching method improving students’ autonomous learning ability for intersecting lines learning is presented in this paper. On the basis of using the self-developed instrument for draw ing intersecting lines, practical teaching program, plans and learning evaluation system are made for this teaching method. The preliminary implementation of this practical teaching method in our school shows that the students’ learning enthusiasm and interest in learning this difficult content are inspired greatly. Because of the choice of the exercises and the practical operation by the students themselves, the students can understand the contents more easily and have more impressive for them.

course of graphics; intersecting line; practical teaching; autonomous learning

TB 23

10.11996/JG.j.2095-302X.2016020265

A

2095-302X(2016)02-0265-04

2015-06-27；定稿日期：2015-11-03

湖北省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃項目(2015GB076)；湖北汽車工業(yè)學(xué)院質(zhì)量工程教育學(xué)改革項目(SJ201417)

王永泉(1979–)，男，山東濟南人，副教授，博士研究生。主要研究方向為工程圖學(xué)、機械設(shè)計與制造理論及應(yīng)用。

E-mail：wyqtougao@163.com