王小章

摘 要 空間思維能力的培養(yǎng)和提升是工程制圖課程的重要目標。教學過程發(fā)現(xiàn)空間思維能力薄弱的主要原因是抽象思維能力欠缺，導致三維幾何重構(gòu)時空間思維和抽象思維交替過程不順暢，即無法在二維平面圖和三維空間立體之間自如地轉(zhuǎn)換。按照工程教育認證要求和原則，提出了通過課程內(nèi)容重組、教學方法改進、開展空間思維訓練、強化觀察等方法來培養(yǎng)學生的空間思維能力。空間思維能力的提高不僅改變對事物的認知和思維方式，更能全面促進創(chuàng)新創(chuàng)造能力的提升。

關(guān)鍵詞 空間思維 工程制圖 思維培養(yǎng) 抽象思維

中圖分類號：G424?????????????????????????????????文獻標識碼：A??DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.12.030

Abstract The cultivation of spatial thinking ability is an important goal of the engineering drawing course. It was discovered that the main reason for the lack of spatial thinking ability was the lack of abstract thinking ability， which led to the insufficiency of the alternating process of spatial thinking and abstract thinking during 3D geometric reconstruction， that is， the inability to switch freely between 2D plan view and 3D space. Accordance to the requirements and principles of engineering education certification， strategic methods are proposed to cultivate students' spatial thinking ability such as course content reorganization， teaching method improvement， development of spatial thinking training， and intensified observation. The improvement of spatial thinking ability not only changes the cognition and way of thinking about things， but also promotes the improvement of innovation and creativity in an all-round way.

Keywords spatial thinking; engineering drawing; thinking training; abstract thinking

工程教育認證的核心理念是OBE （outcome-based education），即以學生產(chǎn)出為導向的教育理念，貫徹以學生為本、關(guān)注學生最終學習成果的教育模式，并注重持續(xù)改進原則。[1]OBE已成為發(fā)達國家教育改革的主流理念，保證專業(yè)教育質(zhì)量和教育活力。我國高校在進行工程教育認證和實施OBE理念的過程中，仍存在諸多問題和不足，如重理論教學、輕實踐訓練、課程內(nèi)容過時、考核方式單一等，亟須進一步的改革和提升。

工程制圖是工科學生的一門基礎(chǔ)課程，以培養(yǎng)學生的讀圖、繪圖、空間形體的形象思維、構(gòu)型設(shè)計、工程實踐和創(chuàng)新能力為主要目標，逐步養(yǎng)成工程意識、嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度，并提高創(chuàng)新能力。[2]教學目標要求學生的思維能夠在二維平面和三維空間進行順利轉(zhuǎn)換，完成工程圖樣的繪制、閱讀等任務(wù)。然而在教學過程中，部分學生反映課程難度大、作業(yè)耗時嚴重、甚至出現(xiàn)無法完成的情況。究其原因，主要在于部分學生空間思維能力較低而無法跟上教學進度，對課程知識點掌握不全，最終導致學習任務(wù)和作業(yè)完成困難，甚至出現(xiàn)了畏難心理、厭學、棄學的情況。本文針對工程制圖中空間思維能力培養(yǎng)的難點問題進行研究，貫徹工程教育認證的OBE理念，改進教學方式和思維訓練方法，探索提高工科學生空間思維能力的策略和方法。

1 工程制圖中空間思維能力

1.1 空間思維能力

工程制圖中的空間思維是人腦對物體或幾何元素的空間屬性（形狀、位置）的直接或間接的反映。研究表明，空間思維源于形象思維，其處理的對象可以是眼睛直接觀察的對象，也可以是人腦思考產(chǎn)生的理性材料?？臻g思維過程注重三維幾何空間的構(gòu)建，而不關(guān)注對象的其他特征（色彩、表面等）?？臻g思維經(jīng)常需要抽象思維的引導，并與之交替進行，通過分析、判斷、歸納、概括等完成三維幾何空間的構(gòu)建。工程制圖采用正投影法來解決空間立體的平面表達問題，要求學生的思維能力順利地實現(xiàn)從立體到平面、從平面到立體的可逆轉(zhuǎn)換過程，即工程圖地準確繪制和正確讀圖。此可逆轉(zhuǎn)換需要兩種不同思維方式的交替來分析和解決問題。[3]以課程中組合體讀圖章節(jié)中補畫第三視圖題目為例，空間思維能力差的學生的表現(xiàn)大致可分為三類：看不懂畫不出、能看懂畫不出、能看懂畫不全。第一類情況的思維方式仍停留在平面模式上，對投影理論和三視圖知識未掌握。第二類狀況具有了一定的空間思維能力，能夠完成一部分的立體構(gòu)建，但缺少抽象思維的分析能力。第三類學生不僅能夠完成三維立體重構(gòu)而且能實現(xiàn)二維圖樣部分轉(zhuǎn)化，但對立體結(jié)構(gòu)投影后的細節(jié)仍無法做出準確的判斷。由此可見，解決空間思維能力薄弱的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是強化抽象思維中的分析、判斷等能力。

1.2 學生空間思維能力薄弱原因

根據(jù)教學過程觀察和分析，學生空間思維能力薄弱原因主要有以下幾個方面。[4-5]首先，工程制圖課程多在大學第一、二學期開設(shè)，此時學生尚未進入專業(yè)知識學習階段，缺乏相應(yīng)的工程實踐知識和體驗，只能被動地跟學和練習，導致空間思維能力較差。其次，這一階段的學生更習慣于理論知識記憶和推導，而對空間立體的知識結(jié)構(gòu)掌握不全，無法開展高一級的抽象思維。再次，按照既往的學習經(jīng)歷，學生們更多地習慣于將立體轉(zhuǎn)化為平面表達，缺少從平面到三維立體拓展的意識和能力。最后，大量學生更將空間思維能力與制圖課程錯誤地關(guān)聯(lián)在一起，僅僅滿足于完成學習任務(wù)通過考核，忽視了空間思維對自身綜合能力發(fā)展的影響——沒有意識到空間思維能力的提升能夠進一步激發(fā)人的想象力和創(chuàng)造力。通過形象思維和抽象思維的交替，可將具體事物抽象化，也可將抽象事物具體化，促進認知能力和創(chuàng)新能力在更高層面上拓展。

從以上的分析可知，工科學生空間思維能力薄弱的根本原因是空間思維和抽象思維交替過程不順暢。其空間思維能力多集中于二維平面模式而無法順利切換至三維空間模式。在學習過程中，雖然能夠掌握簡單幾何體的三視圖投影，但對各類組合立體中基本幾何體的空間相對位置、連接關(guān)系、布爾操作等方面仍缺乏正確的理解。無法通過抽象思維的假設(shè)、推理、判斷的方法完成立體的建模和視圖投影。因此，對工科學生進行立體空間抽象思維訓練是提升其空間思維能力的有效手段。

2 工程制圖中空間思維能力的培養(yǎng)

工程教育認證OBE體系要求以學生為中心、教學效果輸出為目標。工程制圖課程的一個重要目標就是對學生空間思維能力的培養(yǎng)，通過對幾何體的形象思維認知和抽象思維重構(gòu)，思維活動能在二維平面和三維空間自如地切換。要實現(xiàn)此培養(yǎng)目標，就需要開展課程教學內(nèi)容、教學方法改革，適當加入輔助性的思維訓練實踐、提高工程體驗等措施。

2.1 教學內(nèi)容重組

按照認知理論，人對事物的認知是從形象思維開始進而展開抽象思維，直至形成完整的知識體系。課程教學也應(yīng)遵循此規(guī)律，以取得高效的教學輸出。然而，現(xiàn)有的制圖課程部分教學安排并未按此規(guī)律進行。例如：教學中通常以“點—線—面—體”的次序講授立體的投影知識。此種方式初看由簡入繁便于理解，但（除頂點、棱線外）一般的點、線知識都屬于從立體中抽象出來的對象，缺少立體本身的形象和直觀特點，容易造成學生理解困難，教學效果也較差。相反的，如果采用“體—面—線—點”的順序，即先建立立體投影概念，再推導出面、線、點的投影特點則更符合認知規(guī)律，也更易于被學生理解和接受。授課時先利用體的三視圖推導出各種面的投影特性，再通過不同位置面的投影引出線的投影特點。最后利用平面與直線的空間幾何關(guān)系和畫法，得出點與線、面的投影關(guān)系和面內(nèi)取點的方法。由此可見，在教材編寫和教學內(nèi)容組織時需要遵照認知規(guī)律進行調(diào)整、改變知識點權(quán)重比例，以滿足教學目標的要求。

此外，在教學中增加三維立體建模知識也是提高學生空間思維能力的有效方式。通過講授立體建模知識，可讓學生理解不同幾何體的構(gòu)造方式、形成過程，以及各部分間的組合操作。特別是對基本幾何體組合時相互間的定位方式、連接關(guān)系，以及布爾操作過程的理解，更能促進抽象思維能力的提升。

2.2 ?教學方式改變

為增強學生對空間立體和投影的認識，課堂教學中使用了大量的實體模型和三維設(shè)計軟件。在初學階段，這種輔助方式在投影理論和建立三視圖概念上的確幫助巨大。然而后期學習時，這種輔助對抽象思維能力的訓練則貢獻甚小，直至成為空間思維能力提升的障礙。主要表現(xiàn)為，學生對立體模型產(chǎn)生了過度依賴：不給出立體模型就無法完成視圖投影。在組合體讀圖練習時，必須先草繪出所謂的“立體圖”（非標準軸測圖）才能進行三視圖投影。若沒有立體模型，就無法完成三視圖的繪制。其中深層的原因還是抽象思維能力的缺失。在已知了基本幾何立體后仍無法通過假設(shè)、分析、判斷等思維活動，正確地重構(gòu)幾何體結(jié)構(gòu)，更無法進一步轉(zhuǎn)化展開為三視圖。此時，立體模型已經(jīng)喪失自身的輔助功能，而成為阻礙學生空間抽象思維能力進一步提升的桎梏。所導致直接結(jié)果就是，思維過程無法重構(gòu)正確的立體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)而求助于“立體圖”。

為了防止這種情形出現(xiàn)，教學中應(yīng)在建立主要概念后，逐步減少立體模型（和軟件）的使用，更多地引導學生通過觀察和空間想象來解決問題。如根據(jù)所學到的立體建模知識，采用基本幾何體組合出多種不同構(gòu)型的立體，熟悉不同立體的構(gòu)建過程和組合特點。這些過程更多的是運用空間想象和抽象思維方式，確定各個組成部分間的定位、連接、拓撲關(guān)系。通過一定時間的實踐和積累，可顯著提高學生對立體結(jié)構(gòu)的空間思維能力（特別是抽象思維），擺脫對實體模型的依賴。

2.3 空間思維訓練

在課程教學過程中設(shè)立空間思維訓練環(huán)節(jié)，首先通過對基本幾何體的空間變換操作，進一步理解其不同空間位置特點和變換過程，逐步提高對空間立體的抽象思維能力。訓練的目標是在擺脫實物模型的前提下，通過視圖繪制完成對組合體的建模、空間變換、以及三視圖投影等過程。[6]進一步的訓練則類似搭積木活動，由簡到繁構(gòu)造空間形體，并嘗試對形體進行空間位置變換（如對稱、旋轉(zhuǎn)、變形等）和多形體的布爾操作（合并、相交、交叉等），直至完成投影和三視圖繪制。開展空間思維訓練可以幫助學生掌握組合體形成中各部分間的相互定位關(guān)系、布爾運算過程，以及各部分間的連接方式，建立起空間思維的基本要素并提供抽象思維經(jīng)驗。在實際教學中開展這種思維訓練方式，不僅能夠讓學生對所學的空間幾何、矩陣變換等知識做進一步的融會貫通，更能對學生的創(chuàng)造性思維能力進行培養(yǎng)和提升。

2.4 勤于觀察和思考

“格物致知”是中國傳統(tǒng)文化的智慧，同樣也對空間思維方式的培養(yǎng)有著重要指導意義。工程制圖課程教學要求學生做到“多看、多想、多畫”。多看即是對生活中所接觸到的事物進行細致觀察，從家用電器、交通工具、機器設(shè)備、建筑造型等不斷進行觀察和思考，分析各種立體構(gòu)型中的基本形體和構(gòu)建方式，探查各基本形體間的相互定位、連接方式。特別是組合立體上存在的截交線和相貫線進行探討，更能夠促進課程知識點的掌握和空間思維能力的提高。通過類似的拆分和組合過程的思維活動，不斷地改進和提升空間思維過程和實踐體驗。這些思維活動過程符合工程教育認證貫徹的持續(xù)改進原則。

3 結(jié)論

工程教育認證的核心理念是以學生產(chǎn)出為導向，以學生為中心、關(guān)注最終學習成果的教育模式。工程制圖課程重要目標培養(yǎng)學生的空間思維能力，提高綜合素質(zhì)并全面促進創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。學生空間思維能力薄弱的主要表現(xiàn)是無法準確掌握課程內(nèi)容和完成組合立體的相關(guān)習題。分析其主要原因是空間思維過程中抽象思維能力的欠缺，導致空間思維和抽象思維交替過程不順暢，即無法通過對基本立體的空間組合方式，做出正確的分析和判斷，完成空間立體的重構(gòu)。根據(jù)OBE理念，提出了通過對課程內(nèi)容重組、教學方法改進、開展空間思維訓練、強化觀察等方法來培養(yǎng)和提高學生的空間思維能力?？臻g思維能力的培養(yǎng)和提升，不僅在于能夠提高工程制圖課程的教學效果，更在于能夠全面增強學生的思維能力，改變對事物的認知和思維方式，促進自身綜合能力提升。

參考文獻

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