賴曉龍 黃麗卿 孫華 李璟藝

(福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通工程系，福建 南平 353000)

對道路橋梁工程技術(shù)等工程領(lǐng)域的高職學(xué)生來說，空間想象力是一種比較重要的思維能力。具有良好的空間想象力，不管在專業(yè)課程的學(xué)習(xí)還是在以后的工作實踐中，都會起到事半功倍的效果。空間想象力是由三維空間的幾何觀察能力、空間思維能力和空間構(gòu)形能力三者構(gòu)成，它們之間是彼此關(guān)聯(lián)、互為依托的有機整體[1]。在道路橋梁工程技術(shù)等專業(yè)的人才培養(yǎng)體系中，工程圖學(xué)課程是培養(yǎng)學(xué)生空間想象力的重要課程之一，包括工程制圖、工程識圖、工程軟件CAD和BIM建模等課程。其中，已有部分高職院校把工程制圖、工程識圖和工程軟件CAD課程融合成一門課程——“工程識圖與CAD”[2-5]。工程圖學(xué)課程具有理論嚴(yán)謹(jǐn)、實踐性較強的特點，與工程實踐聯(lián)系密切，對培養(yǎng)學(xué)生空間想象力、掌握科學(xué)思維方法、增強工程和創(chuàng)新意識有重要作用，是重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程。但是在工程圖學(xué)的教學(xué)過程中，空間想象力作為一種重要的素質(zhì)能力，因其無合理的評價方式，長期以來被教學(xué)體系所忽視。因此通過工程圖學(xué)課程的“三教”改革，探索提高空間想象力的方法和途徑，確定想象力的合理評價方式顯得十分重要和迫切。

1 工程圖學(xué)課程在空間想象力培養(yǎng)方面的現(xiàn)狀

工程圖學(xué)課程在培養(yǎng)學(xué)生的空間想象力上教學(xué)方法單一，一般以PPT講授輔助圖片、繪圖示范等相對靜態(tài)的方式展開教學(xué)。在涉及到空間想象時，教師需花費大量的語言進(jìn)行描述解釋，但學(xué)生卻收獲甚微，對三視圖的理解只停留在二維圖形上，無法將其轉(zhuǎn)化為空間立體圖形。針對這種情況，很多學(xué)者在學(xué)生空間想象力培養(yǎng)方面進(jìn)行了教學(xué)手段的改革，主要集中在3D打印技術(shù)和三維仿真建模技術(shù)兩方面。

董曉倩[6]闡述了3D打印技術(shù)的應(yīng)用對促進(jìn)課堂教學(xué)、提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和素質(zhì)的重要作用。王莉霞等[7]探討了3D打印技術(shù)在機械制圖課程中的創(chuàng)新應(yīng)用，實踐證明該技術(shù)可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、主觀能動性、實踐創(chuàng)造性，對提高機械制圖課程的質(zhì)量和教學(xué)效果有很大的幫助。趙明俠[8]分析了高職機械制圖與CAD課程測繪實訓(xùn)存在的問題，提出基于3D技術(shù)的實訓(xùn)實施方法，提高了課程實訓(xùn)的教學(xué)效果。馬紅亮等[9]借鑒工程領(lǐng)域的O-CDIO理念，采用單組前后測準(zhǔn)實驗方法，分析3D打印技術(shù)對學(xué)生空間想象能力發(fā)展的影響，其結(jié)果表明該技術(shù)能顯著增強研究生的空間想象能力，特別是較復(fù)雜的心理旋轉(zhuǎn)能力。

周媛等[10]分析了土木工程制圖課程教學(xué)中存在的不足，提出借助BIM的三維可視化模型的技術(shù)優(yōu)勢，對課程進(jìn)行改革實踐，取得良好的實踐效果。朱珠等[11]、高恒聚[12]將CAD三維建模應(yīng)用于工程制圖教學(xué)中，突破了學(xué)生想象力不足的學(xué)習(xí)難點，對提高學(xué)生空間想象力起到積極作用，取得了良好的教學(xué)效果。崔盟軍等[13]提出運用三維建模軟件3DSMAX來幫助學(xué)生理解投影規(guī)律，對提高他們的空間結(jié)構(gòu)想象力非常有效，能解決多媒體教學(xué)沒有過程生成的問題。

上述諸多研究成果表明，將3D打印實體模型和CAD三維仿真模型引入到工程圖學(xué)課程，能切實提高學(xué)生的空間想象力以及識圖與繪圖能力，對課程教學(xué)效果的提升有很大的幫助。

2 引入虛實立體模型的工程圖學(xué)課程改革內(nèi)容

2.1 引入虛實立體模型的工程圖學(xué)課程知識體系的改革

本校交通工程系工程圖學(xué)課程早期是由大一上學(xué)期的“工程制圖”和下學(xué)期的“軟件CAD”兩門課程組成，經(jīng)過實踐和對比分析發(fā)現(xiàn)，教學(xué)內(nèi)容有所重疊，教學(xué)效果也不太理想。因此，借鑒其他高職院校的做法，將“工程制圖”和“軟件CAD”課程融合成“工程識圖與CAD”課程，形成以識圖和繪圖能力作為培養(yǎng)重點的課程教學(xué)體系。但是經(jīng)過多年的實踐發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的CAD繪圖能力雖得到了很大的提升，但在識圖和空間想象力的培養(yǎng)上仍有所欠缺，難以適應(yīng)現(xiàn)在工程領(lǐng)域“三維可視化”發(fā)展的趨勢。如今，隨著BIM課程加入人才培養(yǎng)方案，工程圖學(xué)課程由大一上學(xué)期的“工程識圖與CAD”和下學(xué)期的“BIM基礎(chǔ)應(yīng)用”課程組成，形成以培養(yǎng)空間想象力和軟件繪圖技能為主的課程教學(xué)體系。“工程識圖與CAD”課程根據(jù)人才培養(yǎng)方案和路橋施工企業(yè)崗位技能的需求，結(jié)合課程的“三教”改革，將虛實立體模型引入課程中，構(gòu)建以空間想象力為重要素質(zhì)目標(biāo)和以工程識圖、CAD平面繪圖與三維仿真建模為主要技能目標(biāo)的課程知識體系，具體如圖1所示。

圖1 融入虛實立體模型的“工程識圖與CAD”課程知識體系

2.2 引入虛實立體模型的空間想象力評價方式的改革

為了檢驗虛實立體模型在培養(yǎng)空間想象力上的教學(xué)效果，空間想象力評價方式采用空間能力量表測試結(jié)合教師綜合評價、小組互相評價的方式進(jìn)行。其中空間能力量測試表由心理旋轉(zhuǎn)量表(PSVT:R)測試和空間組合量表(ASVAB-AO)測試兩部分組成[9]。在課程開始之前和每一個學(xué)習(xí)情境結(jié)束后，進(jìn)行空間能力量測試，采用隨機抽題組卷的方式進(jìn)行，并記錄測試完成時間；教師的綜合評價是通過學(xué)生完成課程作業(yè)的情況和聊天采訪的形式進(jìn)行定性評價；小組互相評價采用打分制的定量評價方式進(jìn)行。通過這三種不同的評價對學(xué)生的空間想象力作出客觀公正的評價，最終計入課程的素質(zhì)考核成績中。

3 虛實立體模型在空間想象力培養(yǎng)中的應(yīng)用舉例

教法是“三教”改革的核心，是“三教”改革成功與否的關(guān)鍵。高職教師只有解決好“怎么教”這個問題，才能使得學(xué)生“愿意聽，愿意學(xué)，愿意做”，確保他們在課堂上有所收獲，有效地提高第一課堂的教學(xué)質(zhì)量。在圖1所示的課程知識體系中，虛實立體模型貫穿于整個教學(xué)過程，教師可采用啟發(fā)探究式和小組討論式等“以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)”的教學(xué)方式，使課堂教學(xué)具有更強的趣味性、直觀性和體驗性，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，使之積極主動地參與到課堂教學(xué)中來。

3.1 3D實體打印模型應(yīng)用舉例

將3D實體模型引入到課程的教學(xué)中，可以抓住學(xué)生的好奇心，在師生互動交流中，使課堂變得生動有趣。實踐中可以創(chuàng)新教學(xué)模式，采取項目式教學(xué)，以5—6人的小組為單位，倡導(dǎo)“同伴互學(xué)”，引導(dǎo)學(xué)生互相合作、互相分享，促使學(xué)生自主學(xué)習(xí)，把知識理解內(nèi)化，從而在互學(xué)中加深對知識的記憶和理解，無形中訓(xùn)練學(xué)生的溝通表達(dá)能力和空間想象力。

在“投影的基本知識”這一學(xué)習(xí)情境中，教師提供基本體和簡單組合體的3D實體模型，學(xué)生近距離觀察(從左往右看、從前往后看和從上往下看)實體模型，并把它放置到實體的三面投影體系中，通過刻度尺的丈量，完成基本體和簡單組合體的三視圖手工繪制學(xué)習(xí)任務(wù)。同時通過AutoCAD軟件的三維建模環(huán)境，引入空間三維坐標(biāo)概念。對比分析AutoCAD軟件的空間坐標(biāo)系統(tǒng)和3D實體三面投影體系的異同，通過基本體和簡單組合體的CAD三維仿真模型和3D實體模型，講深教透基本體的三視圖的形成過程。學(xué)生在訓(xùn)練過程中，初步獲得了由立體模型變換到三視圖的空間思維能力。

在“組合體繪制和橋涵工程圖繪制”這一學(xué)習(xí)情境中，教師提供較復(fù)雜組合體的3D實體模型和帶有尺寸的軸測圖，學(xué)生通過觀察立體圖形，結(jié)合軸測圖的尺寸，繪制其三視圖(如圖2所示)?；蛘咧惶峁?fù)雜組合體的3D實體模型，學(xué)生通過觀察和尺規(guī)測量，自行繪制該模型的三視圖和正等軸測圖，要求尺寸的估算協(xié)調(diào)合理，感官上是美的。通過設(shè)置開發(fā)性題目，增強學(xué)生的動手能力，引導(dǎo)學(xué)生將3D實體模型轉(zhuǎn)化為三視圖，進(jìn)一步夯實學(xué)生的空間想象力，同時也提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力和美學(xué)修養(yǎng)。

(a)3D打印實體模型 (b)實體模型的軸測圖 (c)學(xué)生成果(三視圖)

3.2 CAD三維仿真模型應(yīng)用舉例

AutoCAD是一款常用的工程圖紙設(shè)計軟件，除了在平面繪圖上表現(xiàn)優(yōu)異以外，還可以快速高效地建立簡單三維仿真模型，通過渲染和空間旋轉(zhuǎn)等來直觀展示和觀察三維圖形。常用的建模思路有拉伸、放樣、旋轉(zhuǎn)和布爾運算等。

在“CAD基礎(chǔ)知識”這一學(xué)習(xí)情境中，學(xué)生不僅要學(xué)習(xí)二維圖形的繪制命令和編輯命令，也要學(xué)習(xí)三維建模的繪制和編輯命令。學(xué)生在訓(xùn)練過程中，獲得了繪制二維圖形和三視圖的操作技能，以及基本體和簡單組合體的建模技能。

在“組合體、軸測圖與剖斷面圖”這一學(xué)習(xí)情境中，教師通過提供大量組合體的三視圖，引導(dǎo)學(xué)生利用CAD軟件進(jìn)行三維仿真建模。在三維仿真建模的同時，可以通過渲染和空間旋轉(zhuǎn)等方式觀察模型；也可通過視圖菜單的前視、俯視和左視等視圖，來察看所繪模型的三面投影情況。利用CAD軟件的優(yōu)勢，從多方位、多角度、多側(cè)面描繪立體圖形，解決平面立體圖形與真實立體圖形在視覺上的差異，培養(yǎng)學(xué)生的識圖能力和繪圖能力。從簡單的疊加組合體到切割組合體，再到既有疊加方式又有切割方式的較復(fù)雜的組合體，讓學(xué)生能從簡單的建模中感受到學(xué)習(xí)的快樂，能從復(fù)雜的建模中獲得成就感。圖3為部分CAD三維仿真模型。

(a) 涵洞剖切模型 (b) 橋臺模型 (c) 拱橋模型

4 虛實立體模型在空間想象力培養(yǎng)中的效果

對比相對靜態(tài)演示的以PPT課件為主的理實一體化的授課方式，在“工程識圖與CAD”課程中引入虛實立體模型，通過學(xué)生親自觸摸和觀察3D打印的實體模型，將立體模型轉(zhuǎn)換為三視圖，完成由立體圖形變換成平面圖的空間想象力的培養(yǎng)訓(xùn)練；通過識讀三視圖，在軟件上親自動手將其轉(zhuǎn)換成CAD三維仿真模型，完成由平面圖形變換成空間立體圖形的空間想象力的培養(yǎng)訓(xùn)練。利用虛實立體模型，立體可視化地展示組合體和道路橋梁工程構(gòu)件的細(xì)節(jié)，容易使學(xué)生快速地對二維圖紙有一個立體的感受，由簡單到復(fù)雜，逐步提高，在大量的模型和圖紙之間轉(zhuǎn)換，最終完成本課程的空間思維能力鍛煉。

4.1 有助于豐富教師的教學(xué)手段，提高教學(xué)效率

對于一些簡單的組合體而言，教師提前利用CAD軟件進(jìn)行三維建模，利用軟件的三維動態(tài)觀察器，對比三視圖和三維仿真模型圖，會給學(xué)生學(xué)習(xí)帶來更高效、更直觀的看圖感受，更能激發(fā)學(xué)生的討論欲望和學(xué)習(xí)熱情。但是在橋梁、涵洞等比較復(fù)雜的工程圖的識讀時，三視圖的虛實線條比較多，學(xué)生在觀看三維仿真模型的時候，很難把三視圖的線條和三維仿真模型對應(yīng)起來，需要教師花大量時間講解，課堂的教學(xué)效率大打折扣。這時，適當(dāng)?shù)匾?D打印的實體模型，通過將實體模型、CAD三維仿真模型和三視圖進(jìn)行充分的對比分析，更能有效地提高三視圖識讀的教學(xué)效率。

4.2 有助于改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，使其愛學(xué)習(xí)、愛思考

高職學(xué)生在學(xué)習(xí)“工程識圖與CAD”課程時，最難的是通過想象構(gòu)建由平面圖形表達(dá)的空間形體。以往的“工程識圖與CAD”課程在突破教學(xué)重難點時只能依靠教師的講授，依靠PPT展示等手段來進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生的學(xué)習(xí)難度大，積極性不高，只有少部分學(xué)生能達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，不利于大多數(shù)學(xué)生空間想象力的培養(yǎng)。在課程中引入虛實立體模型后，學(xué)生從自己可以觸摸和觀察的物體出發(fā)來理解三視圖的形成過程，較容易入門，學(xué)生愛學(xué)了，表現(xiàn)出較高的積極性。另外在CAD三維建模時，學(xué)生之間可以互相溝通交流。建?？斓膶W(xué)生可以借助自己建立的CAD三維仿真模型，利用其可視化的特點，通過交流講解使后進(jìn)生更容易讀懂三視圖，既可鍛煉學(xué)生解決識讀過程中的實際問題，也能促進(jìn)同班同學(xué)的溝通交流，使得班級有融洽活潑的學(xué)習(xí)氛圍，進(jìn)而提高課堂效率。

4.3 有助于培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計意識和創(chuàng)新意識

“工程識圖與CAD”課程作為道路橋梁工程技術(shù)專業(yè)接觸最早、最為基礎(chǔ)的課程之一，對于后續(xù)專業(yè)核心課程的學(xué)習(xí)和實踐具有重要意義。這一課程最重要的訓(xùn)練就是空間想象力的訓(xùn)練，即空間立體和二維平面(三視圖)之間的雙向轉(zhuǎn)化分析的能力訓(xùn)練。在強調(diào)技能培養(yǎng)的高職人才培養(yǎng)體系中，特別是在如今高度普及的信息化技術(shù)下，很多高職院校的工程圖學(xué)課程已經(jīng)弱化了點線面的知識講解和手工制圖的能力訓(xùn)練，更加強調(diào)工程圖樣的識讀講解和CAD軟件繪圖的能力訓(xùn)練。通過引入實際工程案例，在識讀二維平面圖紙和三維仿真建模的訓(xùn)練過程中，培養(yǎng)工程圖樣表達(dá)能力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和設(shè)計能力意識，從而更好地適應(yīng)以BIM技術(shù)為代表的第二次建筑信息化革命的時代。

5 結(jié)語

在“工程識圖與CAD”課程教學(xué)中引入虛實立體模型，利用其直觀性和可視性，可以使學(xué)生較快形成三維空間想象和立體思維。學(xué)生利用虛實立體模型，進(jìn)行由立體的物想象出其三視圖，由三視圖想到立體的物的思維訓(xùn)練時，其空間想象力，得到了有效鍛煉。同時，虛實立體模型的引入，豐富了教師的教學(xué)手段，改變了學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，促進(jìn)了學(xué)生設(shè)計意識和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，課程的教學(xué)質(zhì)量和效率明顯提高。