形象教學(xué)法在機械制圖教學(xué)改革中的應(yīng)用探討

鄭愛云　劉偉民　盧廣順　董小雷

[摘 要]機械制圖是工科院校重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，其研究對象實踐性強，理論方法抽象，所以學(xué)生的學(xué)習(xí)效果差，這一直困擾著廣大制圖教師。利用三維繪圖軟件和網(wǎng)絡(luò)資源庫，在課內(nèi)外實施形象教學(xué)法，能在快速培養(yǎng)學(xué)生空間想象力、激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識、提高學(xué)生工程應(yīng)用能力方面起到很大的促進作用。

[關(guān)鍵詞]形象教學(xué)法；機械制圖；教學(xué)改革

[中圖分類號] G642 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）06-0119-02

一、 形象教學(xué)法在制圖教學(xué)中的意義

機械制圖是工科院校重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，其研究對象實踐性強，理論方法抽象，所以學(xué)生的學(xué)習(xí)效果差，這一直困擾著廣大制圖教師。究其原因有二：一是制圖課涵蓋了機械專業(yè)多領(lǐng)域的內(nèi)容，但課程開設(shè)在第一學(xué)期，此時學(xué)生沒有任何專業(yè)知識的鋪墊和積累；二是空間想象力的建立需要一定的過程，造成學(xué)生對制圖課的評價是“抽象難懂，沒興趣”，專業(yè)課教師及企業(yè)也一致反映學(xué)生做完設(shè)計后不能正確表達。

目前，機械圖的二維表達在我國的制造業(yè)中仍占相當(dāng)大的比重，即使在技術(shù)先進的大型國企，雖然三維設(shè)計-三維制造占據(jù)了主流，但技術(shù)人員在設(shè)計過程中，對二維圖紙的識圖能力仍是三維設(shè)計的基礎(chǔ)。因此，培養(yǎng)學(xué)生的二維表達能力依舊是制圖課的重中之重。

我們在多年的教學(xué)中摸索出一套行之有效的“形象教學(xué)法”，即將枯燥的理論知識通過實物、圖像直觀地表現(xiàn)出來，以增強內(nèi)容吸引力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。形象教學(xué)法建立在“體-圖”思維方式的基礎(chǔ)上，它改變了傳統(tǒng)教學(xué) “圖-體”的方式，符合從感性到理性，從具體到抽象的認知規(guī)律，讓學(xué)生在直觀、形象的教學(xué)環(huán)境下，接受理論，得到啟發(fā)，效果顯著提高。

二、在課堂教學(xué)中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)教學(xué)中，二維和三維的轉(zhuǎn)換，主要通過教師引導(dǎo)、學(xué)生想象，逐步建立起機件的虛幻影像，空間想象力較差的學(xué)生幾乎不可能完成。多媒體課件可以通過圖片的形式將空間結(jié)構(gòu)展示給學(xué)生，但這只是把靜態(tài)的結(jié)果直接灌輸給學(xué)生，對培養(yǎng)學(xué)生空間想象力效果不好。課堂上的形象教學(xué)法是建立在Pro/ENGINEER的基礎(chǔ)上，實時進行建模，可使復(fù)雜形體的形成過程直觀化、形象化，課堂教學(xué)變得生動有趣，從而激發(fā)學(xué)生對空間結(jié)構(gòu)的求知欲望和學(xué)習(xí)興趣。

（一）三維建模

1.基本體?；倔w是構(gòu)形零件的基礎(chǔ)，在講述基本體分類時，通過平面“拉伸”演示棱柱的形成過程，通過素線“旋轉(zhuǎn)”演示回轉(zhuǎn)體的形成過程。在課程伊始就引入ProE，其目的是盡早讓學(xué)生建立實體建模的概念，為零件的構(gòu)形設(shè)計奠定基礎(chǔ)。生成基本體后，將面融入其中，可大大降低其抽象性。引導(dǎo)學(xué)生觀察立體的表面，總結(jié)出各種位置平面，并在三視圖中找到其對應(yīng)投影，最后提煉出各種位置平面的投影共性。表面取點是基本體投影中的難點，在空間想象力不足的情況下，學(xué)生很難將表面上點的空間位置與視圖中的投影位置對應(yīng)起來。此時可以利用軟件中提供的front、top和left三個不同視圖方向，邊操作邊讓學(xué)生觀察，這樣學(xué)生很容易就建立了三維和二維之間的對應(yīng)關(guān)系。

2.截交線和相貫線。截交線和相貫線復(fù)雜且形狀多變，學(xué)生普遍認為這是制圖的一大難點，由體到圖的形象教學(xué)法在這個知識點上的優(yōu)勢最為顯著。首先是截交線，利用ProE中“去除材料”對基本體進行截切，通過改變創(chuàng)建輔助基準(zhǔn)面時的角度或位移參數(shù)，可以得到各種形狀的截交線，在線框顯示模式下學(xué)生可以直接觀察到它在三視圖中的投影，先接受現(xiàn)實，再通過表面取點進行理論求解，學(xué)生就易于理解；對于相貫線，如正交兩圓柱，通過變化其中一個圓柱的直徑，在線框模式下讓學(xué)生觀察兩圓柱的直徑差對相貫線形狀和方向的影響，對其變化趨勢加深印象，然后引導(dǎo)學(xué)生首先觀察柱面有積聚性時相貫線的投影確實是圓，再觀察柱面無積聚性時相貫線的投影形狀，學(xué)生對理論的求解結(jié)果就自然而然地接受了。

3.線面分析法讀圖。線面分析法讀圖是又一大難點，用不同位置的平面從不同方向?qū)﹂L方體進行切割，產(chǎn)生的交線會圍成多個形狀復(fù)雜的表面，致使切割體的形狀異常的抽象難懂。在傳統(tǒng)的教學(xué)中，要求學(xué)生根據(jù)兩個視圖想象這些復(fù)雜表面圍成的空間結(jié)構(gòu)，再補畫第三視圖，這種逆向思維給學(xué)生帶來很大的困惑。利用ProE演示長方體的切割過程，學(xué)生可動態(tài)觀察到每切一刀會產(chǎn)生什么樣的交線，它對上一刀所得交線的影響，以及這些交線構(gòu)成的新表面的形狀和位置。再從三個方向觀察這些表面的投影，通過由體到圖的正向思維過程，學(xué)生就容易將復(fù)雜切割體的三維和二維聯(lián)系起來，這可以大大降低線面分析法的抽象性。

4.剖視圖。在機件的表達方法中，對剖開之后的形狀，學(xué)生一般能想象其大概的輪廓，但一些細部結(jié)構(gòu)，如剖切平面后面的可見輪廓總被忽略，因此所畫剖視圖中存在很多細節(jié)上的錯誤。為解決這個問題，教師在講授剖視圖畫法之前對多個形體（課前準(zhǔn)備好）進行剖切演示，讓學(xué)生直觀觀察到零件剖開之后剖切區(qū)域的形狀，以及剖切面后面的輪廓，學(xué)生有了形狀的積累之后再學(xué)習(xí)畫法，不論是學(xué)習(xí)效率還是學(xué)習(xí)效果都會有所提高。

5.尺寸標(biāo)注。學(xué)生對組合體尺寸標(biāo)注中的“完整性”總是把握不好，錯誤集中在幾個方面：（1）少尺寸；（2）多尺寸，不該標(biāo)注的位置（如截交線、相貫線等）標(biāo)尺寸；（3）定位尺寸的基準(zhǔn)選擇不合理。為此，在掌握國標(biāo)關(guān)于尺寸標(biāo)注的規(guī)定后，教師在ProE中一步步演示組合體的建模，調(diào)動學(xué)生積極參與到建模過程中來。首先是基本體的定形尺寸：在二維草圖階段，引導(dǎo)學(xué)生考慮每個圖元需要怎樣的尺寸才能將其繪制出來，再加上拉伸的高度尺寸，這樣學(xué)生對基本體的定形尺寸個數(shù)就清楚了；接下來是基本體之間的定位尺寸：在創(chuàng)建了作為基準(zhǔn)的基本體后，創(chuàng)建下一個基本體時要先創(chuàng)建輔助基準(zhǔn)面，此時引導(dǎo)學(xué)生考慮基準(zhǔn)面的創(chuàng)建需要什么參數(shù)（這就是兩個基本體之間的定位尺寸）；遇到基本體的挖切，引導(dǎo)學(xué)生考慮下刀的位置（即截平面的定位尺寸），一旦切割之后學(xué)生會注意到交線是自動產(chǎn)生的，其形狀和大小完全取決于截平面的位置。這樣學(xué)生就深刻理解了只要正確標(biāo)注了截平面的定位尺寸，截交線的尺寸標(biāo)注就屬于多余尺寸。這個演示過程與傳統(tǒng)教學(xué)相比不會增加學(xué)時，而效果卻是傳統(tǒng)教學(xué)法無法比擬的。

（二）三維裝配

畫裝配圖和讀裝配圖對學(xué)生來說都有較大難度。在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，畫裝配圖時，部件的組成和工作原理只能通過裝配示意圖來講解，對于沒有任何工程實訓(xùn)的學(xué)生來說，這無異于紙上談兵；模型教具所起的輔助作用也是微乎其微。這一部分如果講解不透徹就會導(dǎo)致學(xué)生在確定表達方案時無從下手，裝配圖的畫法也會錯誤百出。讀圖時，簡單部件尚可處理得當(dāng)，但對于一些較復(fù)雜的部件，學(xué)生很難將其聯(lián)系在一起。另外，一些箱體類復(fù)雜零件的結(jié)構(gòu)想象也不全面。針對這兩方面的問題，利用ProE中的裝配模塊，將事先建模的各零件逐一調(diào)入并按一定的約束方式進行裝配，接下來將裝配體通過“視圖分解”并“編輯位置”，可以生成部件爆炸圖，讓學(xué)生清楚地觀察到部件的組成及各零件的形狀。再進入機構(gòu)界面，添加伺服電機，選擇主動件的軸線作為運動軸，設(shè)置電機的轉(zhuǎn)速，單擊“機構(gòu)分析”工具，接受默認設(shè)置，單件“運行”按鈕，即可觀察部件的運動仿真。通過軟件的模擬裝配和運動仿真，學(xué)生對相關(guān)知識能夠深刻理解，為畫圖和讀圖奠定基礎(chǔ)。

（三）加工視頻

繪圖建模只適用于幾何模型，用來培養(yǎng)學(xué)生的空間想象力。制圖教學(xué)的另外一項任務(wù)就是要培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力。制圖課的服務(wù)對象是產(chǎn)品設(shè)計和制造，而金工實習(xí)等實踐教學(xué)環(huán)節(jié)都是安排在制圖課之后，現(xiàn)場教學(xué)因為場地、資金、及教輔人員等問題，目前也不具備實施的條件。這樣學(xué)生的課程目標(biāo)不明確，導(dǎo)致不能學(xué)以致用。在課件中適當(dāng)穿插一些短小的加工視頻，可以最大限度地彌補這一矛盾，模擬現(xiàn)場教學(xué)。另外視頻可以使學(xué)生對表面粗糙度等加工信息有深刻的印象，這是靜態(tài)二維圖和軟件建模無法比擬的，這還對培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力起到很大的輔助作用。

三、在課外教學(xué)中的應(yīng)用

要想能正確運用視圖來表達設(shè)計結(jié)果，學(xué)生需要在課堂學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，輔以大量的課外自學(xué)和練習(xí)。為彌補課外教師面對面輔導(dǎo)的缺失，我們逐漸完善了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源庫，學(xué)生可通過校園網(wǎng)的教學(xué)平臺完成課前的自學(xué)和課后的練習(xí)。資源庫中的三維模型庫可以補充課堂內(nèi)建模數(shù)量的不足，讓學(xué)生盡量多地積累各種形狀，充實頭腦，提升空間想象力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識；三維動畫庫，能演示部件的裝拆過程，模擬部件工作原理；視頻庫，可以使學(xué)生在接觸零件加工方法的同時，對各種機加工設(shè)備有所接觸和認識，為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，解決了制圖課與專業(yè)課的脫節(jié)問題。

四、結(jié)語

采取課堂與網(wǎng)絡(luò)有機結(jié)合的教學(xué)手段，將形象教學(xué)法貫穿于制圖教學(xué)的整個過程中，能提高學(xué)生對制圖課的學(xué)習(xí)興趣，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、自主學(xué)習(xí)能力和工程應(yīng)用能力起到很大的推動作用。隨著教學(xué)改革的深入，還需要不斷充實、完善網(wǎng)絡(luò)資源庫，并進一步解決學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)資源庫的方便性和快捷性，使學(xué)生受益的深度和廣度進一步擴大。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 楊美平.論形象教學(xué)法[J].中國電力教育，2010（24）：68-69.

[2] 裴善報.基于Solidworks 的機械制圖教學(xué)應(yīng)用研究[J].科技信息，2011（22）：433-435.

[責(zé)任編輯：陳 明]