基于Solidworks 的機械工程空間思維能力培養(yǎng)

梁廟星，張功學(xué)

（1.陜西科技大學(xué)，陜西 西安 710021；2.寧夏職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏 銀川 750000）

1 空間幾何體的教學(xué)難度

機械制圖課程要求學(xué)生掌握的基本技能有：繪圖時將直觀的三維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為點、線和面組成的平面視圖；讀圖時，平面視圖應(yīng)被快速轉(zhuǎn)換為具有特定形狀和大小的三維模型，并且可以正確地描述三維模型，因此培養(yǎng)學(xué)生的空間想象力對于教學(xué)的成功至關(guān)重要。學(xué)生具有一定的三維空間思維能力，但仍然處于較低的、模糊的水平。因此，學(xué)生空間想象力的培養(yǎng)仍有提升空間。

在談?wù)摍C械機構(gòu)時，教師如若無法直觀地展示課堂中各種機構(gòu)的運動過程，通常情況下直到課程結(jié)束，學(xué)生的空間想象力也無法得到有效的訓(xùn)練。將這種現(xiàn)象簡單的歸因于學(xué)生思維能力的不足是欠妥的，學(xué)生的思維能力尚未得到充分發(fā)展和培養(yǎng)，有必要加強后續(xù)教育。對于需要空間想象力的機械工程課程，思維能力培養(yǎng)應(yīng)該是整個教學(xué)過程的核心任務(wù)，是課程教學(xué)成敗的關(guān)鍵，也是教學(xué)的難點。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，應(yīng)盡快培養(yǎng)學(xué)生空間思維能力。

傳統(tǒng)機械工程課程普遍具有抽象概念，知識分散，理解記憶困難。從未見過的實體往往不容易理解，學(xué)生也就沒有學(xué)習(xí)興趣，因此教學(xué)效果欠佳。例如，教師通常會根據(jù)國家規(guī)定的二維圖形或符號向?qū)W生說明螺栓、螺母、軸承等標準零件的類型、特征和注意事項。學(xué)生缺乏直覺感受，課后很快就會被遺忘，更不用說在實踐中應(yīng)用。事實上，在教學(xué)過程中，平面幾何同時結(jié)合立體幾何的教學(xué)方法是分不開的，教授平面幾何投影須同時結(jié)合立體幾何體才能取得良好的效果。

2 空間思維的內(nèi)涵

空間思維能力是一種普遍的思維能力，是一種復(fù)合思維，是一種快速高效的優(yōu)秀思維?？臻g思維能力包括理解空間的屬性，利用空間的各種屬性來形成問題，并提出解決方案，通過可視化空間結(jié)構(gòu)中的各種關(guān)系來觀察，記錄和分析對象之間的靜態(tài)和動態(tài)關(guān)系，找到答案?？臻g思維也是立體思維的代名詞，所有人或多或少地擁有空間思維能力。

空間思維應(yīng)用于機械工程領(lǐng)域表現(xiàn)為抽象思維、形象思維和邏輯思維。提高學(xué)生的思考和總結(jié)能力是為了提高所學(xué)知識的本質(zhì)特征的能力，并將其概括為概念或圖像。在訓(xùn)練中，對已知條件進行重構(gòu)和重組，并根據(jù)豐富的想象力對結(jié)果進行判斷和推理，有利于豐富學(xué)生的空間思維力。例如，機械制圖中可以修改已知三個視圖的點、線、面，讓學(xué)生在視圖修改后想象相應(yīng)結(jié)構(gòu)的變化，并繪制相應(yīng)圖紙。

為了使學(xué)生積極參與教學(xué)活動，在討論問題時，教師應(yīng)該激發(fā)學(xué)生的思維潛能，鼓勵他們大膽表達自己的思想，思維能力提高的同時獨立學(xué)習(xí)的能力將也會逐步提高。嚴謹細致的思維習(xí)慣是工程技術(shù)人員應(yīng)具備的基本素質(zhì)，學(xué)生應(yīng)該深刻認識到培養(yǎng)細致和嚴謹?shù)睦L圖習(xí)慣作為未來工程師和技術(shù)人員的重要性。教師應(yīng)在分析和解決問題的過程中培養(yǎng)嚴謹細致的思維習(xí)慣，不能將機械制圖教學(xué)視為簡單的知識轉(zhuǎn)移和技能培訓(xùn)。事實上，如果思維訓(xùn)練無效，那么做再多的練習(xí)也是徒勞的。在教學(xué)過程中，每個環(huán)節(jié)應(yīng)圍繞培養(yǎng)和加強思維能力中心任務(wù)組織材料進行教學(xué)。

3 Solidworks 在繪圖教學(xué)中的應(yīng)用

在學(xué)習(xí)機械專業(yè)課程之前，學(xué)生對視圖和形狀仍然相對不熟悉，機械部件的知識是空白的，因此學(xué)生會感到更無聊和難學(xué)，就會厭倦繪圖而逐漸失去對繪圖的興趣。Solidworks 的應(yīng)用，可以使用動態(tài)的多角度零件演示來更好地表達零件的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)和外觀，可以更充分地展示每個部分的裝配關(guān)系，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中更直觀地觀察圖形，有更直觀的印象，幫助學(xué)生快速建立空間想象力，增強學(xué)習(xí)樂趣。Solidworks 功能很強大，可以將3D 實體與2D 繪圖緊密聯(lián)系起來，可以任意繪制草圖，然后執(zhí)行基本操作，如旋轉(zhuǎn)，拉伸，放樣和掃描，以完成基本繪圖。因此，在教學(xué)過程中，教師可以根據(jù)不同的教學(xué)目標改變模型，既降低了教學(xué)難度，又提高了教學(xué)效率。

在機械制圖的教學(xué)過程中，實體模型是不可分離的，傳統(tǒng)的實體模型，存在資金量大、模型小、需要特殊存儲等不足，模型在處理過程中碰撞和丟失，影響教學(xué)效果。通過Solidworks 建立的模型可以完全取代物理對象，可以有效克服傳統(tǒng)教學(xué)的缺點，并可以根據(jù)教材的更換進行修改，只需隨身攜帶便攜儲存設(shè)備教學(xué)，通過建立模型庫，學(xué)生可以更好地理解實體，其實用性是傳統(tǒng)教育所無法比擬的。

Solidworks 可以在教學(xué)過程中直接構(gòu)建模型，構(gòu)建的模型不僅高度精確，而且可以通過裝配表達復(fù)雜的幾何體。動畫效果演示使學(xué)生更容易理解繪圖中難以理解的內(nèi)容。合理使用Solidworks 使學(xué)生能夠直觀地觀察三維圖形，有利于培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力，對提高學(xué)生的閱讀能力有很大幫助，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和提高繪圖效果。

機械專業(yè)課程教學(xué)過程中，教師可以使用SolidWorks來完成減速器的設(shè)計，齒輪，軸承，螺栓，螺釘，鍵等通用零件可由工具箱直接生成。在完成齒輪箱的所有零部件之后，組件在組裝模式下裝配，在裝配過程中，可以直觀地發(fā)現(xiàn)設(shè)計計算的各種數(shù)據(jù)是否錯誤，各部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理，還可以使用干涉檢查功能對整個裝配進行干涉檢查，找出設(shè)計錯誤的地方，然后直接修改相應(yīng)的元件尺寸。最后，在工程制圖模塊下完成2D 工程圖。使用SolidWorks 進行課程設(shè)計，學(xué)生可以避免花費大量時間繪制和修改繪圖，他們可以專注于設(shè)計，考慮設(shè)計流程，設(shè)計方法和設(shè)計要點，以提高設(shè)計效率和改善學(xué)生機械設(shè)計空間思維能力。

將SolidWorks 引入課堂教學(xué)，讓學(xué)生與三維物體之間取得聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生的興趣，提高學(xué)生的空間思維能力。在教學(xué)過程中，利用Solidworks 等現(xiàn)代教學(xué)方法可以生動地展示空間思維過程，不僅有效縮短了學(xué)生的理解時間，提高了教學(xué)效率，而且生動逼真，視覺清晰吸引學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的興趣，形象有效地加深學(xué)生的記憶，提高教學(xué)質(zhì)量。

4 思維能力培養(yǎng)的實踐

利用SolidWorks 優(yōu)化機械專業(yè)課程教學(xué)，可以使傳統(tǒng)的教學(xué)方法不明確或難以解釋、難以制作的內(nèi)容變得簡單。抽象視圖變得直觀，有助于突破教學(xué)的關(guān)鍵點和難點。例如，剖面視圖的切片過程是動畫的，這樣學(xué)生可以清楚地看到機器的內(nèi)部和外部結(jié)構(gòu)，容易掌握截面圖的繪制方法和裝配圖，掌握零件的繪圖和閱讀，使學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣，多樣性提高了學(xué)生的空間思維能力。

將SolidWorks 應(yīng)用于幾何投影教學(xué)中，思維訓(xùn)練遵循從簡單到復(fù)雜的規(guī)律，從物理對象到平面視圖（從圖像到抽象），然后從平面視圖回到真實對象（從抽象到圖像），這樣學(xué)生的空間思維能力就是在這種反復(fù)的轉(zhuǎn)換變化中得到了有效的訓(xùn)練。在分析和想象零件結(jié)構(gòu)時，將這些零件組合在一起，通過有目的設(shè)計一系列問題，學(xué)生的思維分層次地啟動，使學(xué)生的思維按照教師預(yù)先設(shè)想的框架運行，以達到良好的思維訓(xùn)練效果。