《工程圖學(xué)》觸覺教學(xué)法探索與實(shí)踐

盧科青 王文 楊賀

摘要：針對(duì)《工程圖學(xué)》課程內(nèi)容抽象，學(xué)生不易接受的問題，提出觸覺教學(xué)法。該方法以圖解知識(shí)、軟件互動(dòng)與模型打印三者結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)課程的形象化、體驗(yàn)式教學(xué)。教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明，觸覺教學(xué)法能有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)《工程圖學(xué)》的興趣，提高課程教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：教學(xué)方法;圖解法;3D打印;形象化教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.41 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2019）21-0127-02

工程圖樣是工業(yè)生產(chǎn)中一種重要的技術(shù)文件，是進(jìn)行技術(shù)交流不可缺少的工具，也是工程界的技術(shù)語言[1，2]?！豆こ虉D學(xué)》是高校機(jī)械類學(xué)生重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，但在實(shí)際的教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)熱情不高，其普遍認(rèn)為《工程圖學(xué)》課程內(nèi)容抽象，雖然努力地學(xué)習(xí)該課程，但空間想象能力不足，不適應(yīng)《工程圖學(xué)》中三維立體與二維圖樣之間的思維切換。

論文針對(duì)《工程圖學(xué)》課程的直觀教學(xué)問題，首先分析課程內(nèi)容抽象、學(xué)生難接受的原因，然后提出觸覺教學(xué)法，以圖解知識(shí)、軟件互動(dòng)與模型打印三者結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)課程的形象化、體驗(yàn)式教學(xué)。通過改變課堂教學(xué)形式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性與創(chuàng)造性。

一、《工程圖學(xué)》課程內(nèi)容抽象的原因分析

1.傳授知識(shí)過程抽象。在目前的《工程圖學(xué)》教學(xué)中，教師一般重點(diǎn)關(guān)注對(duì)課程內(nèi)容的講解，而圖學(xué)知識(shí)的形象化處理與表達(dá)方面的工作較少。在課堂上，教師一般用語言將教材或課件中的二維圖形及說明文字轉(zhuǎn)化為一定的思維形式，學(xué)生需迎合教師接受其思維方式，即知識(shí)的傳遞過程是抽象思維與抽象思維之間的觸碰。然而由于知識(shí)背景的不同，教師和學(xué)生的思維層次與結(jié)構(gòu)存在較大差異，從而導(dǎo)致師生思維觸碰的耦合度不高，期間形成的有效信息傳輸通道較少。

2.理解知識(shí)過程抽象?！豆こ虉D學(xué)》課程的授課對(duì)象為大學(xué)一年級(jí)新生，該課程的知識(shí)形式、思維方式、學(xué)習(xí)方法與高中階段的課程有較大區(qū)別。要正確理解教材中圖文的含義，需要結(jié)合豐富的空間想象能力和形象思維能力，大一新生可能還未從高中的教學(xué)思維模式中轉(zhuǎn)變過來，可能不適應(yīng)這種涉及大量空間構(gòu)型的思維方式。在圖學(xué)知識(shí)的理解過程中學(xué)生缺少一種能表達(dá)空間問題的工具，缺少一種能連接書本知識(shí)與自身思維方式的手段。

3.應(yīng)用知識(shí)過程抽象。學(xué)生應(yīng)用圖學(xué)知識(shí)的場(chǎng)合主要包括：課堂練習(xí)、課后作業(yè)以及在課程設(shè)計(jì)、各種競(jìng)賽中對(duì)所需機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。應(yīng)用圖學(xué)知識(shí)的本質(zhì)是構(gòu)建三維模型，其中所構(gòu)建模型的可行性與合理性一般只能依靠學(xué)生的空間想象力進(jìn)行分析。初學(xué)者在缺少實(shí)物模型支持的條件下很難做到正確地分析與判斷。目前，數(shù)控機(jī)床可以有效實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化模型向?qū)嶓w模型的轉(zhuǎn)變，但學(xué)生一般沒有這樣的資源，學(xué)校也很難普及這類高成本的訓(xùn)練項(xiàng)目。

“抽象”的直接結(jié)果是學(xué)生在《工程圖學(xué)》的課堂上缺少參與感與體驗(yàn)感，從而難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的積極性與主動(dòng)性。

二、《工程圖學(xué)》觸覺教學(xué)法

觸覺教學(xué)法包括三方面的觸碰：觸碰抽象思維、觸碰構(gòu)型能力、觸碰實(shí)物模型。這三方面的觸碰分別通過圖解教學(xué)法、軟件互動(dòng)與3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

1.圖解教學(xué)法-觸碰抽象思維。圖解教學(xué)法的目標(biāo)是將《工程圖學(xué)》課程中的知識(shí)用圖形方式表達(dá)出來，利用圖形的形象性與直觀性，使學(xué)生比較容易理解、接受抽象的圖學(xué)知識(shí)。圖形表達(dá)方式包括圖片、動(dòng)畫等，其中圖片用于靜態(tài)地表達(dá)知識(shí)點(diǎn)，如平面立體的三維形狀、滾動(dòng)軸承的實(shí)體照片等。動(dòng)畫用于表達(dá)立體的形成過程、作圖步驟等，比如用動(dòng)畫表達(dá)平面截切立體形成截交線的過程、立體與立體相交形成相貫線的過程，以及用動(dòng)畫描述尺、規(guī)作圖時(shí)的每一個(gè)步驟等。

2.軟件互動(dòng)-觸碰構(gòu)型能力。培養(yǎng)、訓(xùn)練三維構(gòu)型能力的最好方式是實(shí)踐，CAD軟件可以有效將學(xué)生的設(shè)計(jì)思路、構(gòu)型思維轉(zhuǎn)化為三維數(shù)字化模型，且使用成本較低[3-5]。課程采用“教師-學(xué)生-軟件”三方互動(dòng)的教學(xué)方法，具體如下：①利用課程的上機(jī)學(xué)時(shí)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)Siemens NX三維造型軟件的使用方法;②課堂上鼓勵(lì)學(xué)生帶筆記本電腦，對(duì)于課堂上的問題，鼓勵(lì)學(xué)生直接通過NX軟件解題;③教師在課堂上根據(jù)教學(xué)需要展示各種由NX軟件完成造型的模型，穿插性地通過現(xiàn)場(chǎng)造型展示構(gòu)型過程;④用軟件三維造型代替部分手工繪圖作業(yè)。

為促進(jìn)NX軟件功能的學(xué)習(xí)與交流，在課程外建立“3D建模協(xié)會(huì)”，使軟件的學(xué)習(xí)與《工程圖學(xué)》課程同步進(jìn)行，促進(jìn)三維造型軟件與課程學(xué)習(xí)之間的融合。

3.模型打印-觸碰實(shí)物模型。實(shí)物模型的展示與操作是檢驗(yàn)造型結(jié)果的最有效方式。3D打印是快速成型技術(shù)的一種，它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)[6]。其中熔融沉積型3D打印機(jī)價(jià)格相對(duì)低廉，可以用較小的成本就可以實(shí)現(xiàn)實(shí)物模型的展現(xiàn)。

利用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)物模型觸碰的方法如下：①以3-4名學(xué)生為一個(gè)小團(tuán)隊(duì)，將班級(jí)中的學(xué)生分成若干組;②分別給各個(gè)團(tuán)隊(duì)分配三維造型任務(wù)，任務(wù)分為預(yù)定功能造型與自由造;③各團(tuán)隊(duì)將設(shè)計(jì)好的三維模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D打印機(jī)，加工出所設(shè)計(jì)模型的三維形狀;④各團(tuán)隊(duì)對(duì)完成打印的模型進(jìn)行表面打磨、上色等后處理;⑤組織一次“圖學(xué)我型我秀”作品展，各團(tuán)隊(duì)之間相互欣賞作品，評(píng)選最喜愛的模型。

三、觸覺教學(xué)法實(shí)踐效果

對(duì)2個(gè)教學(xué)班，共56名學(xué)生進(jìn)行了觸覺教學(xué)法的探索與實(shí)踐。通過訪談、調(diào)查問卷、教學(xué)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析得出，觸覺教學(xué)法具有以下四個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)。

1.提高教學(xué)質(zhì)量。通過期末成績(jī)統(tǒng)計(jì)與分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)施觸覺教學(xué)法的教學(xué)班平均分比其他同課程的班級(jí)高5-7分，且得分優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在綜合讀圖題。這說明通過觸覺教學(xué)法的應(yīng)用，學(xué)生更好地掌握了三維構(gòu)型能力。

2.激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動(dòng)性。與往屆教學(xué)班相比，實(shí)施觸覺教學(xué)法后，學(xué)生與教師的交流次數(shù)以及課間、課后提問數(shù)量大幅度增加。這說明觸覺教學(xué)法能有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)課程的積極性與主動(dòng)性。

3.知識(shí)、能力、素質(zhì)的綜合培養(yǎng)。觸覺教學(xué)課堂不僅可以使學(xué)生較好地掌握?qǐng)D學(xué)知識(shí)，而且讓其通過學(xué)習(xí)3D造型軟件，可以掌握一種軟件工具。在觸覺教學(xué)課堂上，學(xué)生以團(tuán)隊(duì)的形式開展學(xué)習(xí)活動(dòng)，團(tuán)隊(duì)化教學(xué)有助于培養(yǎng)學(xué)生的人際交流能力與合作思維，為將來參加社會(huì)工作打下良好的基礎(chǔ)。

4.觸碰前沿科技，培育科研基因。3D打印技術(shù)是制造領(lǐng)域的前沿科技，而前沿技術(shù)的觸碰給有科研潛質(zhì)的學(xué)生創(chuàng)造了一次探索工程科學(xué)的機(jī)會(huì)。很多學(xué)生認(rèn)為3D打印技術(shù)激起了他們的科研興趣，從而為培育優(yōu)秀的科研人才打下基礎(chǔ)。

四、總結(jié)

觸覺教學(xué)法通過圖解法使抽象的圖學(xué)知識(shí)形象化，通過軟件互動(dòng)實(shí)現(xiàn)學(xué)生構(gòu)型思維能力的表達(dá)與展現(xiàn)，通過3D打印獲得想象中的3D立體。通過觸覺教學(xué)法能使學(xué)生充分體會(huì)到課堂的參與感和對(duì)圖學(xué)知識(shí)的體驗(yàn)感。開展觸覺教學(xué)法可以明顯改善《工程圖學(xué)》課程的課堂教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。

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