機(jī)械制圖教學(xué)內(nèi)容的程序化 創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究

杜振華， 陳國民， 馮 劍， 秦玉芳， 唐永勇

（后勤工程學(xué)院，重慶 400016）

“機(jī)械制圖”課程在其開篇緒論中就明確指出，本課程的主要任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生的形象思維能力和空間想象力。正是因?yàn)橛羞@一明確要求，“機(jī)械制圖”課程在傳統(tǒng)教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)上歷來都非常重視形象思維的培養(yǎng)。表現(xiàn)在教材中，所有《機(jī)械制圖》教材，可以說是圖文并茂，即在教材中有大量的插圖，這些插圖中，有相當(dāng)一部分是幫助學(xué)生提高形象思維用的立體插圖；在教學(xué)中，教師還會(huì)經(jīng)常使用些實(shí)體模型、掛圖、幻燈片等教學(xué)用品，借助這些用品的展示，來培養(yǎng)學(xué)生的形象思維能力和空間想象力。在現(xiàn)代多媒體教學(xué)中，人們?nèi)匀谎刂@一思維模式，繼續(xù)強(qiáng)化形象思維的培養(yǎng)。按道理說，運(yùn)用多媒體教學(xué)手段，借助豐富的信息素材，如圖片、虛擬模型、動(dòng)畫等，生動(dòng)、形象地展示教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生學(xué)習(xí)這門課的效果與以往相比會(huì)有一個(gè)明顯的提高。然而，這幾年的教學(xué)發(fā)現(xiàn)，情況并非如此，這說明制約學(xué)生學(xué)好這門課的因素并非只是提高空間想象力和形象思維能力。

1 教學(xué)中的思維方式探討

在生活中，我們每時(shí)每刻都離不開思維，我們用它學(xué)習(xí)知識(shí)、解決問題，用它探索新知、創(chuàng)造未來。那么，什么是思維呢？思維是人腦對(duì)客觀現(xiàn)實(shí)概括的和間接的反映，它反映的是事物的本質(zhì)和事物間規(guī)律性的聯(lián)系。思維同感知覺一樣是人腦對(duì)客觀現(xiàn)實(shí)的反映。感知覺所反映的是事物的個(gè)別屬性、個(gè)別事物及其外部的特征和聯(lián)系，屬于感性認(rèn)識(shí)；而思維所反映的是一類事物共同的、本質(zhì)的屬性和事物間內(nèi)在的、必然的聯(lián)系，屬于理性認(rèn)識(shí)。

思維可以從不同的角度進(jìn)行分類，但邏輯思維（抽象思維）和形象思維是人類理性認(rèn)識(shí)中的兩種最基本的思維方式，分別由人體大腦的左、右半腦控制。邏輯思維是人們?cè)谡J(rèn)識(shí)過程中借助于概念、判斷、推理反映現(xiàn)實(shí)的過程。它是用科學(xué)的抽象概念、范疇揭示事物的本質(zhì)，表達(dá)認(rèn)識(shí)現(xiàn)實(shí)的結(jié)果。邏輯思維是一種確定的，而不是模棱兩可的；前后一貫的，而不是自相矛盾的；有條理、有根據(jù)的思維。在邏輯思維中，要用到概念、判斷、推理等思維形式和比較、分析、綜合、抽象、概括等方法，而掌握和運(yùn)用這些思維形式和方法的程度，就是邏輯思維的能力。與邏輯思維不同，形象思維則以表象為形象材料，通過對(duì)表象的分解、組合、類比、聯(lián)想、想象等加工，形成新的概念和判斷。表象是在事物的形象（如形狀、結(jié)構(gòu)、位置等）。表象是可以被加工操作的，形象思維過程就是表象運(yùn)動(dòng)、加工的過程，這個(gè)過程具有形象性、整體性、概括性、跳躍性、情緒性和方向的不確定性等特點(diǎn)[1]。

從以上概念來看，邏輯思維通過抽象的概念揭示事物的本質(zhì)，而形象思維則通過生動(dòng)的形象反映事物的本質(zhì)。但兩者并不是對(duì)立的，這是因?yàn)椋壿嬎季S的過程離不開形象材料，而形象思維也離不開邏輯思維的分析、綜合、判斷、推理。可見，在整個(gè)思維過程中，兩者相互交織，你中有我，我中有你，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，相得益彰。同時(shí)，邏輯思維和形象思維在思維過程起著不同的作用，邏輯思維有條理，有根據(jù)，環(huán)環(huán)相扣，對(duì)整個(gè)思維活動(dòng)起引導(dǎo)和牽引作用，主要解決思維過程中的方向性問題。形象思維則是整個(gè)思維鏈條上的每個(gè)環(huán)節(jié)、每個(gè)節(jié)點(diǎn)，是思維的重點(diǎn)。

那么，學(xué)生學(xué)習(xí)制圖課的正確思維方式應(yīng)該是以邏輯思維為牽引、為主線，以形象思維為主體、為重點(diǎn)，通過兩者的有機(jī)結(jié)合來完成。然而，絕大部分學(xué)生的思維方式并非如此。據(jù)研究，每個(gè)人從一出生開始，對(duì)事物的認(rèn)知是偏重于形象，比如嬰兒喜歡各種形象性的玩具和圖畫，就是因?yàn)閶雰侯^腦中沒有多少抽象的概念，而且他們確實(shí)對(duì)各種形象事物比較容易認(rèn)識(shí)和接受。但在以后的學(xué)習(xí)和生活當(dāng)中，外界開始向他們大量灌輸各種抽象思維的概念，而形象思維的內(nèi)容越來越少，這才使控制抽象思維的左腦逐漸被激活，而控制形象思維的右腦卻逐漸進(jìn)入“休眠”狀態(tài)，個(gè)體的思維形態(tài)也由以形象思維為主向抽象思維為主轉(zhuǎn)化[2]。

也就是說，學(xué)習(xí)“機(jī)械制圖”課學(xué)生的思維情況是：邏輯思維強(qiáng)而形象思維差，而我們?cè)凇皺C(jī)械制圖”課的教學(xué)中又一味強(qiáng)調(diào)形象思維，過分弱化邏輯思維，這種單一的思維方式使學(xué)生在學(xué)習(xí)中，邏輯思維強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮不出來，形象思維差的一面又一時(shí)無法提高，同時(shí)，過分弱化邏輯思維，也極大地牽制著形象思維能力的提高。因此，許多學(xué)生的想象過程非常無序，就像無頭的蒼蠅，想象的結(jié)果也是由大概、可能、好像等這樣的感知覺得出的，我想這就是長期以來造成學(xué)生學(xué)習(xí)“機(jī)械制圖”課程難的根本原因所在。

從以上看出，無論在學(xué)生學(xué)上，還是在教師教上，其思維方式都是有問題的。按照正確的思維方式，應(yīng)該在“機(jī)械制圖”課的教學(xué)中，一方面要加大提高學(xué)生形象思維的力度，另一方面又要強(qiáng)調(diào)邏輯思維的引導(dǎo)和牽引作用，兩手都要硬。具體來講，在課堂教學(xué)中，通過多媒體課堂教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)課程等現(xiàn)代教學(xué)手段來豐富學(xué)生大腦中的形象思維素材，提高他們的形象思維能力；在教學(xué)內(nèi)容上，強(qiáng)調(diào)邏輯思維的完整性，如作圖的方法步驟、圖形分析的過程等，并對(duì)其進(jìn)行程序化設(shè)計(jì)，使人一看就一目了然。

2 制圖課內(nèi)容的程序化創(chuàng)新設(shè)計(jì)

由于該課程長期以來都不太重視邏輯思維，因此，下面就以讀組合體視圖的方法為例，來研究如何通過對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行程序化改造而強(qiáng)調(diào)邏輯思維。

讀組合體視圖的方法有形體分析法和線面分析法。同濟(jì)大學(xué)《機(jī)械制圖》第五版中，形體分析法的定義是：在反映形體特征比較明顯的主視圖上先按線框?qū)⒔M合體劃分成幾個(gè)部分，即幾個(gè)基本體，然后通過投影關(guān)系找到個(gè)線框所表示的部分在其它視圖中的投影，從而分析各部分的形狀以及它們之間的相對(duì)位置，最后綜合起來想象組合體的整體形狀；線面分析法的定義是：在形體分析的基礎(chǔ)上，對(duì)不易讀懂的部分，常用線和面的投影特性來幫助分析物體各部分的形狀和相對(duì)位置，從而想象出物體的整體形狀[3]。其它教材中的定義也基本雷同。從定義來看，這兩個(gè)讀圖方法有以下幾個(gè)邏輯方面的問題。① 組合體的組合形式有疊加型、切割型和綜合型（既有疊加，又有切割）3 種，按邏輯關(guān)系來說，讀圖方法與組合體的組合形式一一對(duì)應(yīng)，但形體分析法和線面分析法卻沒有這樣的對(duì)應(yīng)關(guān)系；② 從以上定義中看出，對(duì)組合體進(jìn)行形體分析時(shí)，無論組合體是疊加型還是切割型，都以形體分析法為主，線面分析法為輔。那么，切割型組合體如何分解成幾個(gè)部分？③ 由于定義過于簡略，對(duì)組合體的形體如何分析，從定義無法得知。如線面分析法應(yīng)分析哪些內(nèi)容，分幾步進(jìn)行分析，如何分析等。

為了將讀組合體視圖方法中的邏輯關(guān)系反映出來，我們對(duì)該項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行了程序化創(chuàng)新設(shè)計(jì)，具體如圖1 所示。

讀組合體視圖方法的程序化創(chuàng)新設(shè)計(jì)有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

（1） 通過程序化創(chuàng)新設(shè)計(jì)，將讀圖的方法有形體分析法和線面分析法改為疊加型組合體分析法和切割型組合體分析法，這樣改的好處是能與組合體的組合形式一一對(duì)應(yīng)，只要知道組合體的組合形式就知道用哪一個(gè)方法進(jìn)行分析。

（2） 通過程序化創(chuàng)新設(shè)計(jì)，疊加型組合體分析法和切割型組合體分析法的分析過程都為四步，每一步分析哪些內(nèi)容，怎么分析，如何想象等都有具體的規(guī)定，從而使分析方法的可操作性大大提高。如疊加型組合體分析法的第一步是將疊加型組合體分解成若干個(gè)基本體，怎么分解？按一框一體的原則分解。

（3） 通過程序化創(chuàng)新設(shè)計(jì)，讀組合體視圖方法中的整個(gè)邏輯過程非常清晰，一目了然，學(xué)生看后，就知道該怎么做。

（4） 通過程序化創(chuàng)新設(shè)計(jì)，組合體的作圖過程也一目了然，分四步，即：第一步是判別組合體的組合形式；第二步是對(duì)組合體進(jìn)行形體分析；第三步是想象組合體的立體形狀；第四步是完成組合體的三視圖。

圖1 讀組合體視圖方法的程序化創(chuàng)新設(shè)計(jì)

讀組合體視圖方法的程序化創(chuàng)新設(shè)計(jì)有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

（1） 通過程序化創(chuàng)新設(shè)計(jì)，將讀圖的方法有形體分析法和線面分析法改為疊加型組合體分析法和切割型組合體分析法，這樣改的好處是能與組合體的組合形式一一對(duì)應(yīng)，只要知道組合體的組合形式就知道用哪一個(gè)方法進(jìn)行分析。

（3） 通過程序化創(chuàng)新設(shè)計(jì)，讀組合體視圖方法中的整個(gè)邏輯過程非常清晰，一目了然，學(xué)生看后，就知道該怎么做。

（4） 通過程序化創(chuàng)新設(shè)計(jì)，組合體的作圖過程也一目了然，分四步，即：第一步是判別組合體的組合形式；第二步是對(duì)組合體進(jìn)行形體分析；第三步是想象組合體的立體形狀；第四步是完成組合體的三視圖。

3 應(yīng)用舉例

3.1 疊加型組合體形體分析法

以下面組合體的兩視圖（見圖2）為例，讀懂后想象出該組合體形狀，并完成其左視圖。

圖2 組合體兩視圖

作圖過程：

（1） 根據(jù)所給組合體的兩視圖可以看出，該組合體為疊加型組合體。

（2） 按疊加型組合體分析法對(duì)該組合體進(jìn)行分析：

1） 按一框一體的原則分解組合體。

從下面圖3 的左圖中可以看出，主視圖中有4 個(gè)線框，但左圖中左下角的線框長對(duì)正下去，卻沒有線框與之對(duì)應(yīng)，而是一條線，這說明這個(gè)線框并不代表一體，應(yīng)用包含該線框的更大線框代替。根據(jù)以上分析，該組合體可分解為3 個(gè)基本體，如圖3 所示。

乳腺肉瘤的發(fā)病原因不是很清楚，有學(xué)者認(rèn)為可能與性激素的紊亂及妊娠有一定關(guān)系[4]。也有研究認(rèn)為與乳腺纖維腺瘤相關(guān)[5]。Huang等報(bào)道放療增加乳腺肉瘤的發(fā)生率[6]。本病沒有明顯的家族遺傳性。乳腺肉瘤多發(fā)生于女性，男性較為罕見。其發(fā)病年齡較乳腺癌早，多在25～50歲。雙側(cè)乳腺均可出現(xiàn)乳腺肉瘤，以單側(cè)乳腺外上象限多見，腫塊主要特點(diǎn)為無痛、可活動(dòng)、迅速生長，這與乳腺癌不同，并且不伴有乳頭溢液，很少侵及局部皮膚。其轉(zhuǎn)移途徑主要為血行轉(zhuǎn)移，淋巴轉(zhuǎn)移少見。

圖3 分解組合體

2） 抓住各基本體的形狀特征視圖，想象出各基本體的立體形狀（想象結(jié)果見圖4）。

圖4 想象各基本體

3） 抓住位置特征視圖，弄清楚各基本體間的相對(duì)位置。

該主視圖是位置特征視圖，從該位置特征視圖中看出，基本體3 在基本體1 的上面，疊加后，孔與孔對(duì)正；基本體2 在基本體1 的上面，基本體3 的左面，3 個(gè)基本體疊加后前后對(duì)稱。如圖5 所示。

圖5 各基本體間的位置特征

4） 分析各基本體間的交線情況。

從上圖可以看出，3 個(gè)基本體的相鄰面均相交，因此，在左視圖中交線的投影不能漏掉。

（3） 想象組合體的空間形狀（結(jié)果見圖6）。

（4） 畫出左視圖（結(jié)果見圖6）。

圖6 想象和作圖的結(jié)果

3.2 切割型組合體的線面分析方法

以下面圖7 組合體的兩視圖為例，讀懂后想象出該組合體形狀，并完成其俯視圖。

圖7 組合體的兩視圖

作圖過程：

（1） 根據(jù)所給組合體的兩視圖可以看出，該組合體為切割型組合體。

（2） 按切割型組合體分析法對(duì)該組合體進(jìn)行分析：

1） 分析切割前的形體。

如果把該組合體想象成在切割前是長方體，由于長方體的三面投影都是矩形，因此，將該組合體的主、左視圖補(bǔ)成矩形后發(fā)現(xiàn)，該組合體是在長方體的基礎(chǔ)上截掉5 塊后形成的（如圖8 所示）。

圖8 切割前為長方體

若將上述組合體在切割前的形狀想象成下面的拉伸體的話，只需截切掉1、2 兩塊就可以形成該組合體（如圖9 所示）。該拉伸體的立體圖和三視圖如圖10 所示。可見，把組合體切割前的形狀想象成拉伸體要比想象成長方體簡單。

2） 該組合體是在基本體上截掉了幾塊，每塊被幾個(gè)平面截切以及截切位置。

通過上面分析可知，該組合體是在拉伸體的基礎(chǔ)上被截掉了兩塊，均為單一截平面，截切位置在左邊和右上角。

3） 分析截平面是投影面的什么面，投影有何特點(diǎn)。

截切這塊1 和塊2 的截平面都是正垂面，正垂面垂直于V 面，與H 和W 面傾斜，其投影特點(diǎn)是：在它所垂直的V 面上積聚成一條斜線，在其它投影面上的投影仍然為平面，具有類似性。

4） 分析截?cái)嗝娴男螤钜约霸谌晥D上的投 影情況。

圖9 切割前為拉伸體

圖10 切割前的基本體形狀

由于截平面將拉伸體從上到下徹底截?cái)啵鶕?jù)三等關(guān)系，其左視圖為十邊形，因此，俯視圖也為十邊形，與左視圖具有類似性。畫出的俯視圖如圖11 所示。

圖11 截切塊1 后的俯視圖

同樣的分析方法，可畫出另一正垂面截切塊2 后的俯視圖。如圖12 所示。

圖12 截切塊2 后的俯視圖

（3） 想象組合體的空間形狀（結(jié)果見圖12）。

（4） 完成左視圖（結(jié)果見圖12）。

4 結(jié) 論

通過對(duì)制圖課教學(xué)內(nèi)容的程序化創(chuàng)新設(shè)計(jì)，將形象思維中的邏輯關(guān)系清晰地表達(dá)出來，極大地提高了讀圖過程的可操作性，有效地降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的難度，避免了想象過程中的盲目性，在課堂實(shí)踐中取得了良好的教學(xué)效果。

[1] 溫寒江, 連瑞慶. 開發(fā)右腦——發(fā)展形象思維的理論與實(shí)踐[M]. 杭州： 浙江教育出版社, 1997. 25-68.

[2] 賀 壯. 走向思維新大陸[M]. 北京： 中央編譯出版社, 2005. 179-187.

[3] 何銘新, 錢可強(qiáng). 機(jī)械制圖[M]. 北京： 高等教育出版社, 2004. 157-160.