楊玲++王瑩++鄭宏剛++管毓斌++代興梅++蘇紅兵

摘要：為培養(yǎng)學(xué)生空間思維能力和較強的閱讀、繪制二維、三維工程圖樣的能力，將工程制圖教學(xué)置于三維環(huán)境中，以立體為核心組織教學(xué)和分配學(xué)時，同時進行“以顯示空間實體的演變形成過程”為設(shè)計原則的教學(xué)課件制作，配合“拋錨式”教學(xué)方法的教學(xué)改革。通過2個學(xué)期的教學(xué)實踐，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣提高、空間思維能力建立較快，提高了繪制三維圖樣的能力。

關(guān)鍵詞：工程制圖；空間思維能力；三維建模 ；“拋錨式”教學(xué)；教學(xué)改革

中圖分類號：TB23 文獻標(biāo)識碼： 文章編號：

Abstract： In order to cultivate the students' ability of space thinking ability and a strong reading and drawing 2D， 3D engineering drawings， we have established the allocation of teaching contents and the teaching hours in solid content for key with fusing 3D models in Engineering Cartography， at the same time we also finished teaching courseware based on “displaying the three view projection of solid” combining with the teaching reform of "anchor" teaching method. Through the teaching practice of the 2 semesters， students improved the learning interesting and established stronger spatial thinking ability， improved the ability of drawing 3D pattern.

Key words： Engineering Cartography ；space thinking ability ；"anchor" teaching method；

3D Models ；teaching reform

1.背景

工程圖學(xué)是高等工科院校的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，其教學(xué)目的是培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力和較強的閱讀、繪制工程圖樣的能力。傳統(tǒng)的繪制工程圖的過程首先是由設(shè)計人員形成對象的概念模型，然后直接繪制二維圖，必要時再由二維圖重建三維輔助圖形，其基本過程是：概念模型——二維視圖——三維圖形。進入21 世紀(jì)以來，隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，以三維參數(shù)化實體設(shè)計為標(biāo)志的現(xiàn)代設(shè)計、

制造技術(shù)已被廣泛應(yīng)用。設(shè)計人員形成對象的概念模型后，可在三維空間由三維實體造型直接構(gòu)造物體的三維模型，然后直接轉(zhuǎn)換產(chǎn)生任意方向的二維視圖 。其基本過程是：概念模型——三維實體模型——二維視圖顯然這一工作流程的改變，使制圖參與概念設(shè)計、方案比較，設(shè)計與制圖融為一體，簡化了設(shè)計過程。[1]可見，傳統(tǒng)的二維工程圖樣已不再是表達設(shè)計的唯一手段，并且越來越不能滿足現(xiàn)代制造業(yè)數(shù)字化、信息化發(fā)展的要求，客觀現(xiàn)實對傳統(tǒng)工程圖學(xué)教育帶來了巨大沖擊，對工程圖學(xué)的發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。將三維建模引入制圖課程已經(jīng)成為工程圖學(xué)教學(xué)內(nèi)容改革的大趨勢。2005 年國家制圖課程教學(xué)指導(dǎo)委員會修訂的“本科工程圖學(xué)課程教學(xué)基本要求”中明確指出要求學(xué)生掌握計算機三維造型的基本操作技能。[2]

2. 三維建模引入工程圖學(xué)的現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)高校已經(jīng)陸續(xù)開展引入三維CAD 幾何建模的工程制圖教學(xué)，并且在這一領(lǐng)域開展了卓有成效的探索。如華南理工大學(xué)陳熾坤提出“從三維模型入手，直接建立從體到圖的教學(xué)體系，將畫法幾何擺到從屬地位……”[3]；大連理工大學(xué)王丹虹提出“新時期的制圖課程在于培養(yǎng)學(xué)生計算機造型和繪圖技能。該技能并非指用二維軟件繪制工程圖，而是指通過三維造型生成二維投影圖進而編輯成為工程圖……”[4]；清華大學(xué)童秉樞教授總結(jié)了現(xiàn)有各院校提出的三維內(nèi)容引入方式形成了新的課程體系[5]。三維建模學(xué)習(xí)內(nèi)容的引入方式包括融合式引入和分段式引入兩種，前者是將三維幾何建模的原理、方法和技能融合、滲透到工程制圖課程中，后者是設(shè)置另外的必修或選修課?？梢姡瑸樘岣呓虒W(xué)質(zhì)量，在工程制圖課程中引入三維建模在內(nèi)地不斷深入。近年來，隨著工程圖學(xué)的教學(xué)改革，云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院工程制圖教研室所有成員做了大量的工作，1999年畫法幾何及水利工程制圖課程被評為大學(xué)“一類課程”；2012年《畫法幾何之曲面與曲面體》CAI課件獲云南農(nóng)業(yè)大學(xué)多媒體課件評比三等獎；《畫法幾何之投影變換》CAI課件獲云南農(nóng)業(yè)大學(xué)2012多媒體課件評比優(yōu)秀獎。 隨著學(xué)院新的人才培養(yǎng)方案劃的實施，我們應(yīng)針對各專業(yè)教學(xué)需要，構(gòu)筑面向新世紀(jì)大學(xué)生工程素質(zhì)培養(yǎng)的工程制圖專業(yè)基礎(chǔ)課平臺，以夠用為度，掌握概念，注重應(yīng)用，培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的空間想象力和創(chuàng)造性思維為重點；輔助計算機繪圖技術(shù)為手段，三維實體為核心的課程體系，即從培養(yǎng)學(xué)生工程綜合設(shè)計和創(chuàng)新能力的需要出發(fā)，將工程制圖的基礎(chǔ)理論與計算機技術(shù)有機結(jié)合，注重現(xiàn)代設(shè)計、工藝?yán)砟畹臐B透，優(yōu)化工程圖學(xué)課程新體系。

3.項目研究內(nèi)容

“在三維環(huán)境中，改革工程制圖的教學(xué)”這一研究課題的核心是將工程制圖的教學(xué)置于三維環(huán)境中，將要表達的形體較為直觀的顯現(xiàn)出來，培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的空間想象力，主要研究的內(nèi)容包括：

3.1“以體為綱”教學(xué)內(nèi)容改革

在三維環(huán)境中進行工程制圖的教學(xué)，應(yīng)該“以體為綱”來進行，以立體為核心來組織教學(xué)和分配學(xué)時，同時注重每個階段的能力培養(yǎng)目標(biāo)，增加徒手畫圖的教學(xué)學(xué)時。如圖1所示：endprint

教學(xué)內(nèi)容的邏輯線主張“以體為綱”，把簡單的“體”作為制圖教學(xué)的基本單元，同時這一階段要重視培養(yǎng)學(xué)生空間思維的能力。基于“體”向下抽取點、 線、 面展開教學(xué)，這一階段要學(xué)生掌握空間幾何元素的投影規(guī)律。向上把簡單體進過疊加和切割形成組合，這一階段要重視學(xué)生的形體分析方法和空間構(gòu)型能力的培養(yǎng)。最后根據(jù)學(xué)生的專業(yè)方向展開專業(yè)制圖的教學(xué)，這一階段要學(xué)生掌握二維三維的表達方法以及培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計能力。這樣就以“體為中心”，把教學(xué)的邏輯主線確立起來。在平時日常生活中學(xué)生最熟悉的是三維空間物體，三維空間認(rèn)知內(nèi)容越多，圖物之間的思維轉(zhuǎn)換就越容易建立。教學(xué)中，以簡單的三維形體作為教學(xué)的出發(fā)點向下分析“體”中的點、線、面與“體”的關(guān)系符合認(rèn)知規(guī)律 [6]，便于理解和記憶?！绑w” 的三維形象分解為三維的點、線、面，再共同轉(zhuǎn)化為二維的投影圖，并歸納出“體”及所屬幾何元素的投影特性，針對“體” 內(nèi)所屬幾何元素的空間位置及投影對應(yīng)關(guān)系加強記憶，形成思維素材和表象儲備。當(dāng)學(xué)生牢牢掌握常見簡單形體的記憶表象后，簡單形體經(jīng)過疊加和切割形成各種組合體就可以迎刃而解了。調(diào)整后的水利類工程制圖80學(xué)時分配如下：

3.2以“顯示空間實體的演變形成過程”為設(shè)計原則的教學(xué)課件改革

在三維環(huán)境中，改革工程制圖的目標(biāo)就是培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的空間想象力，但是長期以來“空間想象”能力一直制約著學(xué)生，根本的原因在于很多學(xué)生因為無法想象一些空間實體的演變形成過程而不能完全徹底地理解某個問題，因此學(xué)生們非?？释軌蛴H眼目睹其形成過程。所以將教學(xué)中重點和難點，通過三維動畫課件顯示空間實體的演變形成過程，是教學(xué)課件改革的一大亮點。這需要做兩部分的工作首先用CAD繪制教學(xué)三維模型庫，如圖2所示，圖3和圖4為已制作的三維模型，再將三維模型導(dǎo)入到Flash中進行動畫設(shè)計，顯示空間實體向平面投影的演變形成過程，使得教學(xué)過程逐步過程化，方便地引導(dǎo)學(xué)生思維，培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力，組合體讀圖章節(jié)的flash課件如圖5所示。

③三維建模下以“拋錨式教學(xué)”指導(dǎo)專業(yè)制圖教學(xué)方法改革

在建構(gòu)主義理論中，學(xué)習(xí)者要達到對知識所反映事物的性質(zhì)規(guī)律以及該事物與其他事物之間聯(lián)系的深刻理解，完成對所學(xué)知識的意義建構(gòu)，最好的辦法是讓學(xué)習(xí)者到現(xiàn)實世界的真實環(huán)境中通過獲取直接經(jīng)驗來學(xué)習(xí)，而不只是靠教師進行介紹和講解。拋錨式教學(xué)建立在有感染力的真實事件或真實問題的基礎(chǔ)上所以有時也被稱為“實例式教學(xué)”。 三維建模下的專業(yè)工程制圖（水利工程制圖、建筑工程制圖）的實踐性很強，用拋錨式教學(xué)指導(dǎo)專業(yè)制圖教學(xué)過程是十分合適的。具體的做法為：教師將學(xué)生分成若干小組，以組為單位讓學(xué)生完成實際工程形體的外觀設(shè)計，完成三維建模和二維圖紙繪制，以小組的總評成績作為基礎(chǔ)來評價每個組員的成績。既讓學(xué)生解決實際問題，又培養(yǎng)了學(xué)生的團隊合作能力。

④增加“三維綜合作圖”的考試改革

對三維建模環(huán)境下的工程制圖課程考核方式將實行閉卷和綜合作圖相結(jié)合的形式。閉卷考試注重對基本理論、基本概念的考核。綜合作圖是規(guī)定在一段時間內(nèi)，學(xué)生根據(jù)教師要求設(shè)計工程形體并提交形體的三維圖形和二維工程圖。這樣教師就可以比較全面地衡量學(xué)生所掌握制圖知識和技能的程度。

4.結(jié)論

2014年第1、2學(xué)期對我校的2014、2013級水利水電工程、農(nóng)業(yè)水土工程的《工程制圖》課程進行教學(xué)改革后，一個明顯的變化是學(xué)生對本門課程的學(xué)習(xí)產(chǎn)生了濃厚的興趣，學(xué)生的空間立體概念建立的快，由于從三維入手去學(xué)習(xí)理解立體的構(gòu)成和表達方法，更加符合認(rèn)識規(guī)律，增強了學(xué)生的空間思維能力，使原來是難點的截交、相貫、組合體讀圖等問題變得接受起來不那么困難了，學(xué)生的創(chuàng)新和設(shè)計能力有較大提高。另外，課程教學(xué)改革對教師本身的知識更新，不斷提高業(yè)務(wù)水平也起到了促進作用。教師不能延用傳統(tǒng)的授課方法，而要與現(xiàn)代化教學(xué)手段計算機、多媒體結(jié)合。所以，要想講好每一節(jié)課、編制課件，均需花費一定的努力才行。同時作為教師深深體會到：工程制圖課只有更加緊密地與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)相結(jié)合，才能生存和向前發(fā)展。由二維設(shè)計向三維數(shù)字化設(shè)計的發(fā)展已成必然，也為工程制圖課程的改革提供了良好的機遇。由三維建模入手的工程制圖課教學(xué)改革實踐，在選擇適合的三維設(shè)計軟件制作教學(xué)模型庫、課件制作、如何更好的使傳統(tǒng)的教學(xué)手段與現(xiàn)代教學(xué)相結(jié)合及相關(guān)學(xué)科的銜接等許多方面還需要不斷的完善和進一步研究探討。

【參考文獻】

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[2]葉軍，孫根正.三維建模引入制圖課程的改革研究[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報，2008.2：168-172

[3]陳熾坤，堯燕.現(xiàn)代工程圖學(xué)教育中的十大問題[A].見：圖學(xué)教育研究2004 [C].北京： 機械工業(yè)出版社，2004.19—23.

[4]王丹虹，王曉潔，張桂蘭.機類本科生計算機造型和繪圖技能培養(yǎng)[A]見：圖學(xué)教育究 2004[C].北京：機械工業(yè)出版社，2004.163—165.

[5]童秉樞，易素君，徐曉慧.工程圖學(xué)中引入三維幾何建模的情況綜述與思考 [J].工程圖學(xué)學(xué)報，2005，26（4）：130—135.

[6][蘇]維里契科夫斯基.現(xiàn)代認(rèn)知心理學(xué)[M].北京：社會科學(xué)文獻出版社， 1988.118-122.

作者簡介：楊玲（1977—），女，云南省勐臘縣人，碩士，副教授，主要從事水利工程制圖、水利信息化、水工的教學(xué)與科研工作。endprint