三視圖投影教具在《機(jī)械制圖》教學(xué)中的應(yīng)用及其設(shè)計(jì)

符耀民　敖克勇　王利

摘 要：《機(jī)械制圖》是高職教育中機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，學(xué)生對(duì)該課程知識(shí)的掌握情況會(huì)直接影響到其他一些專(zhuān)業(yè)課的學(xué)習(xí)。本文以《機(jī)械制圖》教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)過(guò)程中所用的教具為研究對(duì)象，首先分析了《機(jī)械制圖》課程的特點(diǎn)以及教學(xué)重點(diǎn);其次對(duì)常用教具在《機(jī)械制圖》教學(xué)中的應(yīng)用情況進(jìn)行了對(duì)比分析;最后針對(duì)投影相關(guān)知識(shí)，利用Creo軟件設(shè)計(jì)了一種能讓學(xué)生參與投影知識(shí)探索的適用于點(diǎn)、線和面的三視圖投影教具。該教具的合理使用能有效培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力，可以把學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)型變成主動(dòng)學(xué)習(xí)型，從而提升教學(xué)效果與教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：機(jī)械制圖 投影 三視圖 教具

1 引言

圖樣是傳遞技術(shù)信息的工具，是各領(lǐng)域工程交流的技術(shù)語(yǔ)言以及進(jìn)行加工制造或施工的重要依據(jù)[1，2]?！稒C(jī)械制圖》課是高職教育中機(jī)械類(lèi)和機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，一般在新生一年級(jí)的第一學(xué)期開(kāi)設(shè)，目的在于培養(yǎng)學(xué)生的讀圖和繪圖等能力[3]。因高職學(xué)生一般具有“兩強(qiáng)兩弱”的特點(diǎn)，即動(dòng)手能力稍強(qiáng)，動(dòng)腦能力稍弱，感性認(rèn)識(shí)稍強(qiáng)，理性認(rèn)識(shí)稍弱[4]，所以要讓高職學(xué)生能學(xué)好這門(mén)較為抽象且需要較好空間想象能力的《機(jī)械制圖》課程，對(duì)學(xué)生有著一定的難度，對(duì)老師有著更高的教學(xué)要求。

學(xué)者們對(duì)如何設(shè)計(jì)好的教具并將其正確有效的應(yīng)用于課程中從而提高教學(xué)質(zhì)量的相關(guān)研究有很多，穆鵬[5]針對(duì)高職類(lèi)電學(xué)課程設(shè)計(jì)了一種創(chuàng)新型的三維教具，該教具共含有8個(gè)模塊，其特點(diǎn)在于8個(gè)模塊即可以單獨(dú)使用，也可以相互組合使用，該三維教具的應(yīng)用彌補(bǔ)了普通教具無(wú)法具備實(shí)踐功能的空缺，也大大提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)以及實(shí)操能力。譚偉林，張洪等人[6]就形位公差的檢測(cè)設(shè)計(jì)了一款專(zhuān)用的演示教具，該教具可以應(yīng)用于銑工、鉗工以及車(chē)工等實(shí)訓(xùn)中，解決了學(xué)生對(duì)形位公差的含義難以理解和掌握的難題。

針對(duì)課程具體的知識(shí)點(diǎn)選用或設(shè)計(jì)實(shí)用的教學(xué)教具應(yīng)用于課堂之中，通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生觀察和思考，能將原本抽象的書(shū)本知識(shí)具象化，從而變成能夠看見(jiàn)、可以觸摸且方便研究的知識(shí)，以便于強(qiáng)化學(xué)生的理解和記憶。

2 《機(jī)械制圖》課程特點(diǎn)及教學(xué)方法探索

部分高職學(xué)生在初、高中時(shí)只接觸過(guò)一些二維平面圖，對(duì)三維立體較為陌生，因此他們的空間思維能力和形體思維能力較弱，以致于一些學(xué)生對(duì)純理論知識(shí)毫無(wú)興趣，這些因素都嚴(yán)重影響著學(xué)生學(xué)好《機(jī)械制圖》課程[3]。傳統(tǒng)的教學(xué)模式過(guò)于強(qiáng)調(diào)課程的理論性和邏輯性，上課時(shí)學(xué)生感覺(jué)很深?yuàn)W，但到實(shí)際做作業(yè)或者應(yīng)用時(shí)卻束手無(wú)策。所以，如何培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力和邏輯思維能力成為了教師教學(xué)的重點(diǎn)。

2.1 《機(jī)械制圖》課程的特點(diǎn)

《機(jī)械制圖》是一門(mén)專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)，具有很高理論性和實(shí)踐性要求的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程。學(xué)生對(duì)該課程知識(shí)點(diǎn)的掌握情況會(huì)影響后續(xù)專(zhuān)業(yè)課的學(xué)習(xí)，因此要求學(xué)生具有一定的抽象空間想象力和圖形分析能力，以及運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件（如AutoCAD、Creo、UG等）和徒手繪圖的能力。

2.2 《機(jī)械制圖》課程教學(xué)方法探索

《機(jī)械制圖》課程具有其特殊性，其教學(xué)方法也不能完全借鑒于其他課程，如何教好這門(mén)課程，讓學(xué)生能將“幾何物體轉(zhuǎn)換為平面投影”，“平面投影轉(zhuǎn)換為幾何物體”，是值得老師深思的問(wèn)題。

1）合理使用多媒體。由于學(xué)生開(kāi)始并沒(méi)有如何將空間物體和視圖對(duì)應(yīng)起來(lái)的概念，所以可以將多媒體運(yùn)用于制圖教學(xué)課堂中，用多媒體動(dòng)畫(huà)來(lái)演示，可以激發(fā)學(xué)生的視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)，以幫助學(xué)生強(qiáng)化印象和記憶。

2）合理使用軟件工具。在《機(jī)械制圖》課程中，能用到的軟件工具有很多，如：AutoCAD、Creo、UG等。教學(xué)過(guò)程中引入新的教學(xué)工具，本身就可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過(guò)使用工具軟件在課堂上建立三維立體模型或二維平面圖，學(xué)生可以直接看到幾何物體及其三視圖是如何形成得到的，有助于加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)理解。

3）合理使用教具。靈活運(yùn)用教具于《機(jī)械制圖》課堂中，可以實(shí)現(xiàn)將抽象物體進(jìn)行具象化，讓學(xué)生更容易接受并掌握教學(xué)內(nèi)容。

3 教具在《機(jī)械制圖》教學(xué)中的應(yīng)用分析

3.1 教具運(yùn)用的意義

教具是為特定教學(xué)內(nèi)容而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的一種教學(xué)工具，它能直觀、明確地反映教學(xué)內(nèi)容[8]，能起到寓教于樂(lè)的效果。針對(duì)特定的教學(xué)內(nèi)容，選擇或設(shè)計(jì)一種合適的教具運(yùn)用于教學(xué)中，通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生觀察和思考，能將原本抽象或枯燥的書(shū)本知識(shí)具象化，從而變成能夠看見(jiàn)、可以觸摸，方便研究的知識(shí)，以便于強(qiáng)化學(xué)生的理解和記憶。

3.2 常用教具對(duì)比分析

在《機(jī)械制圖》課程教學(xué)過(guò)程中常用的教具有：作圖工具類(lèi)、模型類(lèi)，掛圖類(lèi)以及多媒體類(lèi)等教具[3]。

作圖工具類(lèi)教具如圖1所示，因其具有繪圖準(zhǔn)確和方便的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于教學(xué)之中，是很多制圖老師上課的必備教具。對(duì)于作圖能力強(qiáng)的老師來(lái)說(shuō)，徒手作圖比較靈活，且得到的圖樣與運(yùn)用工具作出來(lái)的效果相差不大。但在課程學(xué)習(xí)的初期，學(xué)生還沒(méi)達(dá)到教學(xué)的技能要求，若老師總是徒手作圖則不利于培養(yǎng)學(xué)生作圖、識(shí)圖的能力。當(dāng)學(xué)生具備一定繪圖識(shí)圖能力后，教師可不拘泥作圖方式，適當(dāng)?shù)耐绞肿鲌D可提高作圖效率，保證教學(xué)進(jìn)度。

模型類(lèi)教具如圖2所示，其具有直觀性強(qiáng)，能多角度向?qū)W生展示等特點(diǎn)。在課程學(xué)習(xí)初期使用模型教具，可以使學(xué)生注意力得到集中，吸引學(xué)生觀察，從而起到激發(fā)學(xué)生的抽象思維和空間想象力的作用。但課程學(xué)習(xí)后期還大量地使用模型教具，可能導(dǎo)致學(xué)生存在依賴(lài)性，思維僵化，反而不利于學(xué)生識(shí)圖能力的進(jìn)一步提高。

掛圖類(lèi)教具可清楚表達(dá)物體的圖樣，還可規(guī)避板書(shū)作圖耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)的缺點(diǎn)，在教學(xué)過(guò)程中運(yùn)用較為廣泛。掛圖類(lèi)教具的局限性在于直接向?qū)W生展示效果圖，學(xué)生并不知曉其作圖步驟，在課程學(xué)習(xí)初期大量使用不利于學(xué)生繪圖能力及空間想象力的養(yǎng)成。此類(lèi)教具一般適合在課程學(xué)習(xí)后期使用，比如在講授二維平面圖的尺寸標(biāo)注時(shí)使用，不但能節(jié)約教學(xué)輔助時(shí)間，還能對(duì)學(xué)生的識(shí)圖、讀圖能力進(jìn)行訓(xùn)練。

多媒體類(lèi)教具有圖形、音頻，視頻以及動(dòng)畫(huà)等多種表現(xiàn)形式，隨著現(xiàn)代化教學(xué)的發(fā)展，近年來(lái)在《機(jī)械制圖》課程中被越來(lái)越多的教師所運(yùn)用。多媒體教具的正確使用，可以使學(xué)生從視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)來(lái)激發(fā)學(xué)生的記憶，使學(xué)生能更加直觀的、多角度多方向的理解相關(guān)理論知識(shí)。比如在講授空間物體三面投影的基本規(guī)律時(shí)，則可充分利用動(dòng)畫(huà)來(lái)形象的演示，使學(xué)生直觀看見(jiàn)并理解物體上每個(gè)點(diǎn)、每條線和三個(gè)視圖的對(duì)應(yīng)關(guān)系。但是不科學(xué)的、過(guò)多的將多媒體技術(shù)運(yùn)用到課堂，一是會(huì)影響教學(xué)的效果，二是會(huì)弱化對(duì)學(xué)生知識(shí)掌握情況的反饋，最終學(xué)生成為了教師所做課件的觀賞者，老師成為了多媒體工具的使用者。

4 三視圖投影教具的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

近年來(lái)，隨著信息化教學(xué)的不斷發(fā)展，PPT的大量運(yùn)用使得《機(jī)械制圖》課程的老師們逐漸告別了“一筆一尺”走天下的教學(xué)模式，傳統(tǒng)教具的應(yīng)用也被逐漸弱化。對(duì)多媒體的過(guò)度依賴(lài)導(dǎo)致有些老師沒(méi)有電腦就根本無(wú)法進(jìn)行上課，這樣的教學(xué)課堂根本培養(yǎng)不出滿足現(xiàn)代企業(yè)需求的高素質(zhì)技術(shù)技能人才[9]。

4.1 三視圖投影教具設(shè)計(jì)研究的意義

投影按其投影性質(zhì)的不同可分為中心投影法和平行投影法，平行投影法是高職學(xué)生必須掌握的內(nèi)容。因任何復(fù)雜的幾何體都是由基本幾何體組成，任何的基本幾何體又都是由點(diǎn)、線和面等基本元素組成[10]，所以學(xué)生對(duì)基本圖形投影知識(shí)的掌握情況直接影響著后續(xù)組合體、切割體以及裝配圖內(nèi)容的學(xué)習(xí)。本文設(shè)計(jì)的三視圖投影教具能解決以下難題：一是讓學(xué)生能快速掌握中心投影法和平行投影法的區(qū)別，二是讓學(xué)生快速掌握平行投影法的投影特性，即真實(shí)性、集聚性和類(lèi)似性;三是讓學(xué)生參與投影相關(guān)知識(shí)的探索過(guò)程，把學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)型變成主動(dòng)學(xué)習(xí)型。

4.2 三視圖投影教具的設(shè)計(jì)

為了能讓學(xué)生能掌握物體投影的相關(guān)知識(shí)，本文設(shè)計(jì)了一種適用于點(diǎn)、線和面的三視圖投影演示教具。

三視圖投影教具，如圖3所示，其結(jié)構(gòu)主要包括有：正投影板、水平投影板和側(cè)投影板，其中正投影板和側(cè)投影板之間是通過(guò)合頁(yè)鉸接的，正投影板和側(cè)投影板可拆卸連接于水平投影板的上方;在水平投影板的中間滑槽處設(shè)置有可拆卸連接的透明玻璃材料的支撐桿，如圖4所示，此支撐桿可沿著滑槽移動(dòng);支撐桿的頂端設(shè)有透明玻璃材料的托盤(pán)，托盤(pán)上設(shè)置有直槽和斜槽，如圖5所示，托盤(pán)上可放置投影演示物（即點(diǎn)、線和面），如圖6所示;在俯投影板上還設(shè)有燈具（即led燈具和普通燈具），燈具的放置位置不同，則可得到不同投影面上的投影圖。

4.3 三視圖投影教具的具體應(yīng)用

如圖3所示，無(wú)論是led燈具還是普通燈具置于正投影板和側(cè)投影板的上方，不管托盤(pán)上放置的投影演示物是點(diǎn)、線還是面，此時(shí)在水平投影板上均可以得到其俯視圖。

如圖7所示，當(dāng)使用led燈具，且燈具置于燈具安裝槽1位置，演示面板放置于托盤(pán)直槽中時(shí)：1）當(dāng)演示面板與V面平行時(shí)，可以在V面上得到與演示面板實(shí)際大小相等的主視圖，即該情況下，反映出了平行投影的真實(shí)性;2）當(dāng)把托盤(pán)順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，此時(shí)演示面板與V面垂直，可以在V面上得到形狀為一條直線的主視圖，即該情況下，反映出了平行投影的積聚性。同理，當(dāng)且燈具置于燈具安裝槽2位置時(shí)，在W面上也可以得到演示面板的左視圖，同樣可反映出平行投影的真實(shí)性和積聚性。

當(dāng)使用普通燈具，且燈具置于燈具安裝槽1位置時(shí)，無(wú)論演示面板放置于托盤(pán)的直槽中還是斜槽中，在V面上均可以得到演示面板的主視圖，而且所得主視圖的大小能隨著支撐桿沿著滑槽的移動(dòng)而變化，即該情況下，反映出了中心投影法所得投影視圖的大小與投射中心、物體、投影面三者之間的相對(duì)距離有關(guān)的投影特性。

如圖8所示，當(dāng)使用led燈具，且燈具置于燈具安裝槽2位置，演示面板放置于托盤(pán)斜槽中時(shí)：1）當(dāng)演示面板與V面垂直、與W面相交時(shí)，可以在W面上得到與演示面板實(shí)際大小不等卻形狀相似的左視圖，即該情況下，反映出了平行投影的類(lèi)似性;2）當(dāng)把托盤(pán)順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，此時(shí)演示面板與W面垂直、與V面相交，可以在W面上得到形狀為斜直線的左視圖，即該情況下，反映出了平行投影的積聚性。同理，當(dāng)且燈具置于燈具安裝槽1位置時(shí)，在V面上也可以得到演示面板的投影圖，同樣可反映出平行投影的類(lèi)似性和積聚性。

除了選用“面”作為投影演示物外，選用“線”同樣可以體現(xiàn)出中心投影法和平行投影法的區(qū)別，以及兩種投影法各自的投影特性。

在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，教師可在簡(jiǎn)要介紹投影相關(guān)知識(shí)后，對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，讓每組的學(xué)生自主地去對(duì)教具進(jìn)行投影演示物點(diǎn)、線和面的布置，以及燈具的選擇和位置切換。在整個(gè)過(guò)程中，強(qiáng)調(diào)學(xué)生多觀察不同情況下所得視圖的變化，并做好記錄，最后讓學(xué)生討論中心投影法和平行投影法的區(qū)別，以及兩種投影法各具有什么樣的投影特性。

5 總結(jié)

本文就高職院校學(xué)生如何學(xué)好《機(jī)械制圖》課展開(kāi)研究，分析了《機(jī)械制圖》課程的特點(diǎn)以及對(duì)比分析了常用教學(xué)教具在《機(jī)械制圖》課程中的使用情況;鑒于投影相關(guān)知識(shí)是《機(jī)械制圖》課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，故設(shè)計(jì)了一種適用于點(diǎn)、線和面三視圖投影的演示教具，并對(duì)其結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行了介紹，對(duì)其在課程中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了舉例說(shuō)明。該三視圖投影教具的有效應(yīng)用能讓學(xué)生參與投影知識(shí)的探索過(guò)程，可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，帶動(dòng)學(xué)生的積極性，從而培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力，進(jìn)而為《機(jī)械制圖》課程后續(xù)內(nèi)容以及其他專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

基金項(xiàng)目：1.機(jī)械制圖課程中三視圖投影教具的研究（1-ZZYB-202009）;

2.汽車(chē)專(zhuān)業(yè)教學(xué)儀器設(shè)備研制團(tuán)隊(duì)（遵職科合[2019]）。

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