周蕊++金玉陽(yáng)

【摘要】結(jié)合本校實(shí)際情況介紹虛擬教學(xué)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)功能，針對(duì)當(dāng)代大學(xué)生的特點(diǎn)和機(jī)械制圖課程教學(xué)中遇到的問(wèn)題，提出研究性教學(xué)改革設(shè)計(jì)方案，將計(jì)算機(jī)繪圖與機(jī)械制圖課程相結(jié)合，基于CAD虛擬三維環(huán)境開(kāi)展體驗(yàn)式教學(xué)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)操作SolidWorks軟件的同時(shí)，逐漸培養(yǎng)空間想象力，形成由三維實(shí)體到二維平面圖相互轉(zhuǎn)換的思維能力，同時(shí)結(jié)合CAI課件以及Bb平臺(tái)教學(xué)平臺(tái)資源，舉例說(shuō)明各重點(diǎn)章節(jié)的教學(xué)方法，以實(shí)現(xiàn)學(xué)生從教促學(xué)方式向自主學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，發(fā)展學(xué)生的自我探究意識(shí)與構(gòu)思創(chuàng)想能力。

【關(guān)鍵詞】虛擬教學(xué)平臺(tái) 體驗(yàn)式教學(xué) 機(jī)械制圖

【中圖分類(lèi)號(hào)】G642.0 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2017）09-0041-03

Experiential Teaching and Practicing in Mechanical Drawing Based on Virtual Teaching Platform

ZHOU Rui

（College of Aeronautical Engineering，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China）

【Abstract】This paper described the structure and function of the virtual teaching platform with combined with the actual situation. The design of research teaching was proposed for the characteristics for the college students and the problem appeared in the mechanical drawing class. The combination of computer aided design and mechanical drawing course was implemented. The experiential teaching based on virtual 3D environment with CAD was present in order to achieve the change from the way of promoted learning to the way of self-learning. The student will gradually develop the imagination space by learning how to operate the software SoildWorks， and forming ability of conversion from 3D to 2D with combining with the CAI courseware and Bb teaching platform. These changes will help to develop the students abilities of self-inquiry conscious and creative idea.

【Key words】 Virtual teaching platform Experiential teaching Mechanical drawing

一、引言

機(jī)械制圖是一門(mén)著重培養(yǎng)學(xué)習(xí)者空間思維能力和構(gòu)思創(chuàng)想能力的課程，同時(shí)也是一門(mén)實(shí)踐性非常強(qiáng)的重要專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程。學(xué)習(xí)這門(mén)課程對(duì)學(xué)生的空間認(rèn)知能力、想象力、繪圖能力都有較高的要求[1-2]。但實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)生形成三維空間想象力很困難，單純使用講授不利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的消化和吸收，即使采用現(xiàn)代教學(xué)演示方法，如多媒體教學(xué)等，其效果并不顯著。

故作者認(rèn)為，基于虛擬教學(xué)平臺(tái)在三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中進(jìn)行體驗(yàn)式教學(xué)應(yīng)該是一種不錯(cuò)的嘗試，將講授控制在必要的范圍之內(nèi)，利用有限的教學(xué)時(shí)間讓學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立解決問(wèn)題，真正參與到課堂互動(dòng)中來(lái)，可有效地提高學(xué)生的認(rèn)知水平，發(fā)展學(xué)生的探究意識(shí)與能力。

二、虛擬教學(xué)平臺(tái)的階段性特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)功能

虛擬教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建[3]分為以下三個(gè)階段：初級(jí)階段、中級(jí)階段和高級(jí)階段。其中初級(jí)階段是指，吸取傳統(tǒng)教學(xué)優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合CAI課件、CAD及VR技術(shù)，實(shí)現(xiàn)以教師個(gè)人為單位的虛擬教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建；中級(jí)階段則指逐步完善教師個(gè)體虛擬教學(xué)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)資源共享；高級(jí)階段是構(gòu)建面向本教學(xué)領(lǐng)域的CORBA—公共對(duì)象請(qǐng)求代理結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、不同系統(tǒng)間的信息集成，進(jìn)而構(gòu)建面向異地教學(xué)資源的分布式網(wǎng)絡(luò)化研究中心，以實(shí)現(xiàn)群體協(xié)同工作的模式。

以作者所在學(xué)校為例，其虛擬教學(xué)平臺(tái)主要有以下3部分構(gòu)成，其功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.多媒體教學(xué)（CAI課件）

隨著CAI（Computer Aided Instruction，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)）的不斷發(fā)展，多媒體教學(xué)廣泛應(yīng)用到課堂，尤其是對(duì)于制圖課程來(lái)說(shuō)，CAI課件確實(shí)帶來(lái)了革命性的變化，其動(dòng)態(tài)的演示過(guò)程使學(xué)生更容易理解和觀察，故成為當(dāng)今教學(xué)的主要手段，也為虛擬教學(xué)平臺(tái)創(chuàng)造了條件，進(jìn)行必要知識(shí)的講授。

2.Bb教學(xué)平臺(tái)資源共享

Bb教學(xué)平臺(tái)是在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，將各教學(xué)單位結(jié)合在一起，成立專(zhuān)門(mén)的分布式網(wǎng)絡(luò)化研究中心管理機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和組織教學(xué)系統(tǒng)不同單位的資源，以便促進(jìn)教師、設(shè)施的優(yōu)化組合，協(xié)調(diào)各方關(guān)系，提高教學(xué)科研設(shè)置的利用率，實(shí)現(xiàn)資源共享。制圖課程中的CAI課件，虛擬模型庫(kù)，以及相關(guān)練習(xí)題都共享在此平臺(tái)，方便學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

3.CAD虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境

隨著CAD技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，繪圖設(shè)計(jì)已從最初的二維逐步普及到三維立體繪圖，這不僅是改變了立體顯示效果，其參數(shù)化特征建模使設(shè)計(jì)功能和設(shè)計(jì)自動(dòng)化水平大幅提高。機(jī)房統(tǒng)一安裝了CAXA和SolidWorks軟件供學(xué)生使用，使學(xué)生在CAD虛擬環(huán)境中完成體驗(yàn)式課堂教學(xué)。

三、基于CAD虛擬三維環(huán)境的體驗(yàn)式教學(xué)

自制圖課程經(jīng)歷改革之后，幾乎以CAI課件進(jìn)行講授，較之前看掛圖、黑板手繪講解的時(shí)代，課堂效率更高也更易被學(xué)生接受，但由于課時(shí)大幅壓縮，學(xué)生在課堂上看得多動(dòng)手少，學(xué)習(xí)效果并不理想，學(xué)生的讀圖和畫(huà)圖水平并沒(méi)有隨著現(xiàn)代化教學(xué)手段的升級(jí)而有明顯提高，反而略有下降。這一現(xiàn)象可由經(jīng)驗(yàn)之塔[4]理論做很好地詮釋?zhuān)唇逃龖?yīng)從做的具體經(jīng)驗(yàn)入手，逐步過(guò)渡到抽象經(jīng)驗(yàn)，符合人們認(rèn)識(shí)事物的規(guī)律。單純地完成講授，往往是基于完成教學(xué)任務(wù)、方便教師教的角度設(shè)計(jì)的，而不是從學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和學(xué)習(xí)可能性出發(fā)。

尤其是大對(duì)學(xué)生，要更多地鼓勵(lì)以主動(dòng)的方式去學(xué)習(xí)，將學(xué)生探究的態(tài)度、意識(shí)及能力當(dāng)作教學(xué)的重要任務(wù)[5]。故提出在CAD虛擬三維環(huán)境中進(jìn)行體驗(yàn)式教學(xué)，可以讓學(xué)生直接參與到其中，易于培養(yǎng)學(xué)生的觀察和認(rèn)知能力，使立體模型和平面三視圖之間的轉(zhuǎn)換更容易理解；同時(shí)結(jié)合CAI課件進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)及方法的必要講授，讓學(xué)生在聽(tīng)和看的同時(shí)，可以自己體驗(yàn)建模的過(guò)程，有助于學(xué)生的理解和吸收，很多學(xué)習(xí)難題就可迎刃而解。

下面舉例說(shuō)明如何利用上機(jī)課營(yíng)造的CAD虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，同時(shí)結(jié)合CAI課件完成體驗(yàn)式制圖課堂教學(xué)。

1.平面與立體相交

關(guān)于截切，很多初學(xué)者認(rèn)為很難想象出物體截切后的樣子很難，畫(huà)出其三面投影更是無(wú)從下手。若在課堂上利用SolidWorks演示物體截切過(guò)程，且采用多視圖展開(kāi)顯示，如圖2所示，可啟發(fā)學(xué)生的空間想象力，同時(shí)學(xué)生可以通過(guò)電腦用鼠標(biāo)自行拾取模型中的任何一個(gè)面、線或是點(diǎn)，系統(tǒng)里將會(huì)同時(shí)顯示出它在三視圖中的相應(yīng)位置，可幫助學(xué)生理解立體模型與三視圖的轉(zhuǎn)換關(guān)系，同時(shí)結(jié)合CAI課件講授作圖方法及步驟。學(xué)生由三維模型入手，親自體會(huì)模型中點(diǎn)、線、面在三視圖中對(duì)于的位置關(guān)系，更容易理解吸收。

2.立體與立體相交

相貫的難點(diǎn)在于，隨著兩個(gè)相交立體尺寸的變化，相貫線的形態(tài)、位置呈規(guī)律性變化。若用SolidWorks構(gòu)建兩個(gè)相交立體，利用模型樹(shù)展開(kāi)特征編輯尺寸，可隨時(shí)改變其中一個(gè)立體，使學(xué)生方便觀察相貫線的變化過(guò)程，如圖3所示，提升學(xué)生的形象思維，便于自己總結(jié)歸納出相貫線的變化規(guī)律，同時(shí)再結(jié)合CAI課件講授如何利用表面取點(diǎn)法和輔助平面法來(lái)進(jìn)行相貫線的求解。

3.組合體

組合體的繪制需要學(xué)生具有一定的空間想象力，通過(guò)已知兩個(gè)視圖的投影構(gòu)思出立體模型，然后進(jìn)行未知視圖的投影；若用SolidWorks進(jìn)行模型的構(gòu)建，可利用特征樹(shù)當(dāng)中的回溯棒來(lái)模擬學(xué)生的構(gòu)思過(guò)程，如圖4所示，幫助學(xué)生進(jìn)行立體思維訓(xùn)練，提升形象思維和空間創(chuàng)新能力，逐步掌握形體分析法和線面分析法的求解過(guò)程。

圖4 組合體挖切和疊加過(guò)程

4.剖視圖

剖視圖需要表達(dá)立體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形狀，更是需要學(xué)生具有很好的空間分析能力。學(xué)生總是搞不清楚哪里需要剖切，哪里應(yīng)該畫(huà)剖面線。利用SolidWorks的拉伸切除功能不僅能幫助學(xué)生構(gòu)思建模，還可沿假想平面切開(kāi)，使學(xué)生真實(shí)地觀察到不同剖切位置得到的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形狀，如圖5所示，從而加深對(duì)剖視圖畫(huà)法的理解和認(rèn)識(shí)。

5.零件圖和裝配圖

由于缺乏工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)零件圖和裝配圖的認(rèn)讀不夠深入，尤其是技術(shù)要求部分，若只聽(tīng)老師講授書(shū)中知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生不好理解也很難記住。若在CAI課件講解的基礎(chǔ)上結(jié)合SolidWorks建模、裝配以及工程圖的相關(guān)功能，可以很好地將零件圖和裝配圖的有關(guān)知識(shí)串聯(lián)在一起，加深學(xué)生的理解，提高學(xué)生的識(shí)圖讀圖能力。

以裝配體齒輪減速器為例，如圖6所示，其零件組成包含軸類(lèi)、盤(pán)類(lèi)、箱體類(lèi)以及標(biāo)準(zhǔn)件和常用件。通過(guò)拉伸切除功能即可讓學(xué)生在上機(jī)時(shí)自行完成零件軸、端蓋以及齒輪的構(gòu)建；標(biāo)準(zhǔn)件可以根據(jù)代號(hào)直接從SolidWorks的標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)中調(diào)??；箱體建模較為復(fù)雜，由于課時(shí)有限由老師輔助完成；通過(guò)學(xué)生自己建?？杉由钇鋵?duì)零件上的工藝結(jié)構(gòu)如鑄造圓角、倒角及螺紋等的理解。然后通過(guò)裝配功能，讓學(xué)生自己觀察各零件之間的聯(lián)接關(guān)系、傳動(dòng)路徑以其在裝配體中的作用，待完成裝配關(guān)系之后，可利用鼠標(biāo)拖動(dòng)簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真，方便學(xué)生觀察理解減速器的工作原理，進(jìn)而有助于對(duì)技術(shù)要求的掌握。最后可利用工程圖模塊，將零件或裝配體進(jìn)行自動(dòng)投影，選擇適合的剖切方法完成視圖表達(dá)，如圖7所示，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)裝配體內(nèi)部結(jié)構(gòu)及裝配關(guān)系的認(rèn)識(shí)。

四、結(jié)論

1.隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)在教育中的應(yīng)用得到不斷的推廣，三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境也在此基礎(chǔ)上得到不斷完善，本文提出的基于CAD虛擬三維環(huán)境的體驗(yàn)式教學(xué)改革設(shè)計(jì)， 可以在很大程度上實(shí)現(xiàn)以教促學(xué)方式向自主學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)化，將計(jì)算機(jī)繪圖與機(jī)械制圖課程相結(jié)合，在采用CAI課件講授的同時(shí)讓學(xué)生逐步掌握軟件建模的基本功能，使學(xué)生可以主動(dòng)探究、獨(dú)立學(xué)習(xí)。

2.通過(guò)部分上機(jī)課程實(shí)踐，學(xué)生反饋出了很好的吸收效果。此種教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)了學(xué)生通過(guò)自身體驗(yàn)來(lái)獲得知識(shí)，教師為促進(jìn)學(xué)生探究而講授，將講授控制在必要的范圍之內(nèi)，留出指導(dǎo)、輔助學(xué)生學(xué)習(xí)的時(shí)間，讓學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。若進(jìn)一步結(jié)合CAXA平面繪圖軟件，在硬件條件允許的情況下，可實(shí)現(xiàn)完全在CAD虛擬平臺(tái)中開(kāi)展機(jī)械制圖課程教學(xué)。

3.在虛擬教學(xué)平臺(tái)中，教學(xué)內(nèi)容可以不斷更新，使課程練習(xí)內(nèi)容及時(shí)跟上技術(shù)的發(fā)展，符合當(dāng)代大學(xué)生喜歡不斷求新的心理特征，同時(shí)，與時(shí)俱進(jìn)的教學(xué)內(nèi)容有利于活躍學(xué)生的思維，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，展現(xiàn)其創(chuàng)新意識(shí)。

4.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種圖形及分析軟件的功能日益強(qiáng)大，將制圖教學(xué)與CAD技術(shù)緊密結(jié)合，已成必然趨勢(shì)，此外，若結(jié)合工程實(shí)踐開(kāi)展教學(xué)，利用CAD軟件功能解決工程問(wèn)題，可預(yù)先引導(dǎo)學(xué)生將多門(mén)課程的知識(shí)進(jìn)行有效地融合，為后續(xù)課程的深入學(xué)習(xí)拋磚引玉，為拓展學(xué)生素質(zhì)教育開(kāi)啟嶄新的平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊惠英，王玉坤.機(jī)械制圖[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011：1-5.

[2]孫蘭鳳，梁艷書(shū).工程制圖[M].北京：高等教育出版社，2014，1-10.

[3]趙海暉，綦耀光，牛文杰.虛擬教學(xué)平臺(tái)與機(jī)械制圖柔性教學(xué)[C].第一屆中國(guó)圖學(xué)大會(huì)，煙臺(tái)，2007，555-557.

[4]孫子?jì)?基于VR-Platform的三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[D].上海師范大學(xué)碩士論文，2009.

[5]陳佑清，吳瓊.為促進(jìn)學(xué)生探究而講授——大學(xué)生研究性教學(xué)中的課堂講授變革[J] .高等教育研究，2011，32（10）：94-99.

項(xiàng)目資助：CAUC-ETRN-2015-61