形象教學法在機械制圖教學改革中的應用探討

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基礎課，其研究對象實踐性強，理論方法抽象，所以學生的學習效果差，這一直困擾著廣大制圖教師。利用三維繪圖軟件和網絡資源庫，在課內外實施形象教學法，能在快速培養學生空間想象力、激發學生創新意識、提高學生工程應用能力方面起到很大的促進作用。

[關鍵詞]形象教學法；機械制圖；教學改革

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

一、 形象教學法在制圖教學中的意義

機械制圖是工科院校重要的技術基礎課，其研究對象實踐性強，理論方法抽象，所以學生的學習效果差，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多領域的內容，但課程開設在第一學期，此時學生沒有任何專業知識的鋪墊和積累；二是空間想象力的建立需要一定的過程，造成學生對制圖課的評價是“抽象難懂，沒興趣”，專業課教師及企業也一致反映學生做完設計后不能正確表達。

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

我們在多年的教學中摸索出一套行之有效的“形象教學法”，即將枯燥的理論知識通過實物、圖像直觀地表現出來，以增強內容吸引力，激發學生的學習興趣。形象教學法建立在“體-圖”思維方式的基礎上，它改變了傳統教學 “圖-體”的方式，符合從感性到理性，從具體到抽象的認知規律，讓學生在直觀、形象的教學環境下，接受理論，得到啟發，效果顯著提高。

二、在課堂教學中的應用

在傳統教學中，二維和三維的轉換，主要通過教師引導、學生想象，逐步建立起機件的虛幻影像，空間想象力較差的學生幾乎不可能完成。多媒體課件可以通過圖片的形式將空間結構展示給學生，但這只是把靜態的結果直接灌輸給學生，對培養學生空間想象力效果不好。課堂上的形象教學法是建立在Pro/ENGINEER的基礎上，實時進行建模，可使復雜形體的形成過程直觀化、形象化，課堂教學變得生動有趣，從而激發學生對空間結構的求知欲望和學習興趣。

（一）三維建模

1.基本體。基本體是構形零件的基礎，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”演示回轉體的形成過程。在課程伊始就引入ProE，其目的是盡早讓學生建立實體建模的概念，為零件的構形設計奠定基礎。生成基本體后，將面融入其中，可大大降低其抽象性。引導學生觀察立體的表面，總結出各種位置平面，并在三視圖中找到其對應投影，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，學生很難將表面上點的空間位置與視圖中的投影位置對應起來。此時可以利用軟件中提供的front、top和left三個不同視圖方向，邊操作邊讓學生觀察，這樣學生很容易就建立了三維和二維之間的對應關系。

2.截交線和相貫線。截交線和相貫線復雜且形狀多變，學生普遍認為這是制圖的一大難點，由體到圖的形象教學法在這個知識點上的優勢最為顯著。首先是截交線，利用ProE中“去除材料”對基本體進行截切，通過改變創建輔助基準面時的角度或位移參數，可以得到各種形狀的截交線，在線框顯示模式下學生可以直接觀察到它在三視圖中的投影，先接受現實，再通過表面取點進行理論求解，學生就易于理解；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，然后引導學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，學生對理論的求解結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對長方體進行切割，產生的交線會圍成多個形狀復雜的表面，致使切割體的形狀異常的抽象難懂。在傳統的教學中，要求學生根據兩個視圖想象這些復雜表面圍成的空間結構，再補畫第三視圖，這種逆向思維給學生帶來很大的困惑。利用ProE演示長方體的切割過程，學生可動態觀察到每切一刀會產生什么樣的交線，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，學生就容易將復雜切割體的三維和二維聯系起來，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，學生一般能想象其大概的輪廓，但一些細部結構，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（課前準備好）進行剖切演示，讓學生直觀觀察到零件剖開之后剖切區域的形狀，以及剖切面后面的輪廓，學生有了形狀的積累之后再學習畫法，不論是學習效率還是學習效果都會有所提高。

5.尺寸標注。學生對組合體尺寸標注中的“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，不該標注的位置（如截交線、相貫線等）標尺寸；（3）定位尺寸的基準選擇不合理。為此，在掌握國標關于尺寸標注的規定后，教師在ProE中一步步演示組合體的建模，調動學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，引導學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，這樣學生對基本體的定形尺寸個數就清楚了；接下來是基本體之間的定位尺寸：在創建了作為基準的基本體后，創建下一個基本體時要先創建輔助基準面，此時引導學生考慮基準面的創建需要什么參數（這就是兩個基本體之間的定位尺寸）；遇到基本體的挖切，引導學生考慮下刀的位置（即截平面的定位尺寸），一旦切割之后學生會注意到交線是自動產生的，其形狀和大小完全取決于截平面的位置。這樣學生就深刻理解了只要正確標注了截平面的定位尺寸，截交線的尺寸標注就屬于多余尺寸。這個演示過程與傳統教學相比不會增加學時，而效果卻是傳統教學法無法比擬的。

（二）三維裝配

畫裝配圖和讀裝配圖對學生來說都有較大難度。在傳統教學過程中，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的學生來說，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致學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，但對于一些較復雜的部件，學生很難將其聯系在一起。另外，一些箱體類復雜零件的結構想象也不全面。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，讓學生清楚地觀察到部件的組成及各零件的形狀。再進入機構界面，添加伺服電機，選擇主動件的軸線作為運動軸，設置電機的轉速，單擊“機構分析”工具，接受默認設置，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，學生對相關知識能夠深刻理解，為畫圖和讀圖奠定基礎。

（三）加工視頻

繪圖建模只適用于幾何模型，用來培養學生的空間想象力。制圖教學的另外一項任務就是要培養學生的工程應用能力。制圖課的服務對象是產品設計和制造，而金工實習等實踐教學環節都是安排在制圖課之后，現場教學因為場地、資金、及教輔人員等問題，目前也不具備實施的條件。這樣學生的課程目標不明確，導致不能學以致用。在課件中適當穿插一些短小的加工視頻，可以最大限度地彌補這一矛盾，模擬現場教學。另外視頻可以使學生對表面粗糙度等加工信息有深刻的印象，這是靜態二維圖和軟件建模無法比擬的，這還對培養學生的工程應用能力起到很大的輔助作用。

三、在課外教學中的應用

要想能正確運用視圖來表達設計結果，學生需要在課堂學習的基礎上，輔以大量的課外自學和練習。為彌補課外教師面對面輔導的缺失，我們逐漸完善了網絡教學資源庫，學生可通過校園網的教學平臺完成課前的自學和課后的練習。資源庫中的三維模型庫可以補充課堂內建模數量的不足，讓學生盡量多地積累各種形狀，充實頭腦，提升空間想象力，培養學生的創新意識；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，可以使學生在接觸零件加工方法的同時，對各種機加工設備有所接觸和認識，為后續專業課的學習奠定基礎，解決了制圖課與專業課的脫節問題。

四、結語

采取課堂與網絡有機結合的教學手段，將形象教學法貫穿于制圖教學的整個過程中，能提高學生對制圖課的學習興趣，對培養學生的創新意識、自主學習能力和工程應用能力起到很大的推動作用。隨著教學改革的深入，還需要不斷充實、完善網絡資源庫，并進一步解決學生利用網絡資源庫的方便性和快捷性，使學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 的機械制圖教學應用研究[J].科技信息，2011（22）：433-435.

[責任編輯：陳 明]