認知結構理論視角下的制圖教學研究

閆金星 李麗萍

（1.中國空間技術研究院西安分院結構技術研究室，陜西 西安 710100；2.西安郵電大學理學院，陜西 西安 710121）

畫法幾何及工程制圖是工科類大學生的一門重要技術基礎課，以研究閱讀和繪制機械圖樣為主要內容，以培養學生工程意識和空間思維能力為主要目標，讓學生掌握讀圖和繪制的基本技能。盡管制圖課程教學一直在不斷地改革與優化，然而學生的應用能力仍相對較低。心理學家認為，教學實踐只有遵循學生認知規律、掌握學習內在機制，才能真正提高學生學習效率和學習效果。對制圖教學的實踐總結發現，教師對學生認知特點缺乏一定的了解和研究，是導致教學效果不理想的根本原因。本文試圖從認知結構理論視角探討制圖教學規律，多角度闡述如何培養學生的工程意識和空間思維能力，進而促成學生構建良好的制圖認知結構。

1　關于認知結構理論

1.1　對認知結構的理論梳理與概念認識

對認知結構的闡述，學者們說法不一，常見于心理學理論，尤其是認知心理學理論。為了對認知結構理論有一個完整而全面的認識，從而更好地服務教學，整理文獻資料[1-6]并歸納其理論發展如表1所示。

表1　認知結構理論的發展

認知結構理論的形成是一個不斷發展和完善的過程，該理論不僅僅指個體的知識結構，還應包括個體以感知和理解客觀現實為基礎的，在頭腦中形成的反應事物間關系的內部認知系統，是人的心理活動機制。

1.2　學科認知結構模型

認知結構是學習理論中的一個重要概念，學習過程也是認知結構不斷完善、重新組織的過程。為科學培養學生認知結構，促進有效學習，將學科認知結構模型化，如圖1所示。

圖1　學科認知結構模型

學科認知結構分為輸入層、操作層與輸出層，圍繞學科信息與學科知識的轉化而展開。認知結構的形成和完善是學生接收到學科信息后，在原有學科知識基礎上的篩選、匹配、儲存、提取，進而同化或順應，經過頭腦對信息的再組織等系列大腦操縱，產生新的學科知識的過程。新的學科知識是對原有學科知識的補充和調整，是對認知結構的優化，是認知結構處于平衡-不平衡-平衡的動態發展過程。

2　關于制圖教學

2.1　物體知覺的啟示

認知心理學中的物體知覺理論[7]指出，面對許多不同走向的線段，我們往往按照接近、相似、良好連續、閉合等一系列原則將對象組織成單元，若要識別由多條線段構成的圖形結構，關鍵在于分割，可以用分割的概念來描述如何劃分更復雜的三維構造。工程制圖中的空間思維是大腦對物體或幾何元素的空間屬性（形狀、位置）的直接或間接的反映[8]，多個思維片段的有機組合，形成對工程圖樣的個體認知。由此受到啟示，結合初學者工程制圖學習的認知規律，將制圖教學內容合理劃分，由易到難，明確課程知識體系結構，讓個體認知結構漸進式發展。

2.2　制圖課程知識體系分析

奧蘇貝爾指出，條理化、結構化和整合化的教學內容顯得尤為重要。掌握學科的基本結構，理解內容間的內在聯系，有利于學生縮小原有知識與目標知識間的距離，便于發展學生認知結構。基于學生認知規律，畫法幾何及工程制圖課程知識體系如圖2所示。

圖2　工程制圖課程知識體系

畫法幾何及工程制圖由兩部分構成。“畫法幾何”部分具體研究空間點、線、面等幾何元素的投影特性及在平面的表示，其中，三視圖的投影規律及點、線、面的投影特性，是制圖課程的基礎知識，基本體的投影（包括立體的投影、截交線、相貫線的畫法）是學習的重點與難點，畫法幾何內容的學習過程也是對學生空間思維能力的培養過程。“工程制圖”部分具體研究工程圖樣的繪制，是“畫法幾何”原理在工程中的具體應用，包括組合體的投影、軸測圖與計算機繪圖、機件的表達、零件圖與裝配圖的繪制，著重鍛煉學生畫圖、讀圖和工程應用等能力，此處教學難點是組合體的投影和裝配圖的繪制。

2.3　學科認知結構模型指導下的制圖教學

認知主義認為，教學是幫助學生建構自己知識經驗的過程，是促進外部的知識結構內化為學習者內部認知結構的動態過程[9]。學習是學生以原有知識為基礎，進行個體意義認知建構的過程。制圖中的空間思維過程通常表現為人腦對圖樣的分析、判斷、總結與歸納，是對課程內容的同化、順應和重新組織，以圖紙上的二維圖樣來表達三維空間幾何元素的過程。學生空間思維能力的培養和制圖認知結構的優化可從制圖教學以下幾方面進行。

2.3.1注重緒論課的講授

工程制圖是大學生入校后接觸的第一門技術類基礎課，學生在此之前雖然沒有系統學習過相關內容，但有研究指出[7]，以識別物體在三維空間的位置和形狀的能力為基礎的視覺加工很大程度上是與生俱來的。嬰幼兒似乎就已經能夠識別物體及其形狀并且能意識到物體在三維空間中的位置。如能借助第一節緒論課，從學生當前認知狀態出發，寓教于樂，從什么是制圖，為什么要學習制圖，制圖課學什么，制圖課與其他專業課程有什么關聯等系列問題著手，讓學生對制圖課程有一個初步的認識。隨后可結合當前制圖發展趨勢，引入計算機繪圖、三維建模技術等，激發學生學習興趣。最后讓學生了解制圖課程知識體系與學習目標，從我們將如何學習制圖課程入手，對今后的制圖學習做一規劃，讓學生建立起學好該課程的信心和決心。

2.3.2注重課堂授課方法

制圖教學中，讓學生掌握正確的分析方法是引導空間思維活動進行的有效途徑。

（1）對比法教學：對比教學法在制圖教學中是以多個立體作比較，讓立體幾何元素的差異在學生頭腦中思維、確定的教學方法。對比教學能有效降低學生對圖樣的理解難度。以半球體截切為例，有兩個半球體，分別被三個平面所截切，已知截切后的主視圖，要求補畫俯視圖和左視圖，如圖3所示。

圖3　半球體截切正投影圖與立體圖

球體截切的難點在于緯圓半徑的確定，倘若如圖3所示將相似的立體作對比，通過特殊點A、B的位置分析，圖樣所表達的半球體構造很容易被學生所接受。

（2）歸納引申法：不僅是對各章節內容知識點的總結凝練，也包括同類題型做題方法的歸類和在此基礎上的延伸，是學生“舉一反三”能力訓練和認知結構完善的有效途徑。如圖4所示，平面截切圓柱體所形成的截交線的形狀隨截平面與圓柱體軸線的位置變化和變化[10]，類似此類知識點的歸納總結，能讓學生提綱挈領，掌握制圖知識的精髓，做題時，只需判別截平面與圓柱體軸線的位置關系，再依據形狀進行投影，即可解決問題。

圖4　平面截切圓柱體

學生作為課程初學者，實際所具有的認知結構與教師認為學生應有的認知結構不一定匹配[1]。因此，教師應對學生原有認知結構進行了解，確定新知識與學生已具備知識間的差異，制造認知沖突，通過差異的消除，達到新舊知識整合而優化原有認知結構。

2.3.3合理使用多媒體

制圖教學中三維模型全方位展示、立體截切過程演示、組合體拆裝演示等形象生動的圖片、動畫資源，能有效激發學生學習興趣，對學生快速建立空間概念能起到很好的作用。但多媒體教學只是傳統教學方式的輔助與補充，其運用要適度，要根據制圖教學特點合理選擇教學內容。如立體表面上點的投影，可在幻燈片上展示立體圖片，讓學生直觀地感受點的位置，但三視圖的作圖步驟采用黑板板書的方式則更利于初學者對九字投影規律的掌握。

2.3.4講究習題課策略

習題課是以學生作業、平時測驗為基礎，掌握學生當前學習效果為前提，對日常授課的有效補充。習題課不應是純粹的習題講解，還應包括對已學知識的梳理、辨析和應用，目的在于鞏固學生所學知識的“薄弱”環節，加深學生對知識的理解及知識間內在聯系的把握。制圖習題課要注重學生基礎和認知水平的差異，采取分層教學法，幫助學習吃力的學生重新理解知識點和做題方法，同時可設計拔高練習，滿足學有余力的學生需求。還可采取學生上講臺代替教師講習題的方式來促進學生學習主動性。

2.3.5結合Auto CAD實訓、金工實習

Auto CAD等軟件具有豐富的視圖生成功能，實訓過程中，學生不僅能體驗三維造型過程，還能利用軟件將三維模型轉換成二維工程圖樣，這對提高學生空間思維能力幫助很大。金工實習能讓學生進一步了解圖樣與生產加工之間的關系，讓學生在三維空間中直接感受三維實體，是發展空間思維和創造力，鍛煉學生動手能力，培養學生工程意識不可或缺的實踐教學。

3　總結

學生空間思維能力的提升和工程意識的培養是一個長期的系統工程，如能將認知結構理論研究成果自覺地融入到制圖教學中，必將使教學工作更加科學性。

【參考文獻】

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