依托3D打印技術的《工程制圖》立體教學法研究

陳占鋒 李緒堯 盧科青

【摘要】《工程制圖》是工學類專業學生的一門專業必修課，是研究工程圖樣的繪制和閱讀的一門學科。工程圖樣的繪制和閱讀，對于培養學生的空間想象能力和空間分析能力具有重要的意義。然而經過調研，部分學生認為該課程的內容過于“抽象”，不易理解。在知識理解的過程中學生缺少一種能夠表達空間問題的工具，無法將書本知識與自身思維方式聯系起來。因此，本文依托3D打印技術，建立立體教學法（包括立體教學、立體構形、立體打印），將抽象的知識以實體的形式表現出來。

【關鍵詞】《工程制圖》? 工程圖樣? 立體教學法? 3D打印

【基金項目】杭州電子科技大學高等教育教學改革研究項目（編號：YBJG202028）。

【中圖分類號】G64 ? 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）31-0173-02

工程圖樣是產品設計表達和技術交流的重要手段，是產品設計及制造部門的一項重要技術文件[1]。《工程制圖》作為一門工學類專業必修課，要求工學類學生能夠熟悉工程制圖的國家標準，理解不同機件在工程圖樣上的表達方法和技術要求，熟練掌握圖樣的繪制與閱讀方法。并且在該課程的學習過程中，能夠讓學生一邊學習課本中的制圖知識，一邊能夠培養他們的空間想象力以及空間分析能力，形成一個整體的設計構形能力。最后能夠影響學生在今后的學習和工作中，養成一絲不茍、嚴謹的工作態度以及學習作風，樹立正確的工程意識，為后續學習其它相關課程及將來從事工程技術工作打下扎實基礎[2-3]。本文針對《工程制圖》課程內容“抽象”的特點，依托3D打印技術，提出《工程制圖》立體教學法，擬以改變課堂教學方式、配套課程輔助軟件與工程實踐三者結合的方式促進該課程的形象化教學與體驗式教學。本文研究內容對促進教學工作、提高教學質量具有重要的作用和意義。

一、《工程制圖》課程內容的兩個“抽象”

《工程制圖》是重要的專業基礎課程，但在實際的教學體驗中發現，學生對《工程制圖》課程的學習熱情并不高。學生普遍對該課程不感興趣，認為該課程難學，究竟是什么原因呢？經過調研發現，大部分的學生認為《工程制圖》課程的內容太抽象，雖然自己在努力地學習該課程，但自己的空間想象能力不足，不適應《工程制圖》三維立體與二維圖樣之間的切換思維[4-5]。所以“抽象”是學生學習《工程制圖》課程的主要障礙。

學習《工程制圖》課程的目的是用圖樣完整、形象地表達設計者設計的產品或零部件，但課程本身的學習卻是“抽象”的，學生認為該課程內容“抽象”，主要表現在以下兩個方面[6]。

（1）教師講授過程抽象。《工程制圖》課程的主要對象是圖，包括三維圖和二維圖。目前的《工程制圖》課堂與其他課程的課堂沒有本質的區別，以教師講解為主。教師一般用多媒體課件進行講解，但多媒體課件的內容一般與課本中的內容基本一致，即課件的內容沒有充分呈現出多媒體的特性。教師傳授知識的過程是將課本中二維式的圖形及說明文字轉化為一定的思維形式，然后將這種思維形式傳遞給學生;學生接受知識的過程表現為接受教師思維的過程。所以，目前的《工程制圖》課堂上，知識的傳遞過程是思維與思維的觸碰，也即抽象形式與抽象形式之間的觸碰。然而由于知識背景的不同，教師和學生的思維結構存在較大差異，從而導致思維與思維的觸碰耦合度不高，教師與學生之間形成的有效思維傳遞通道較少，課堂上隨著上課時間的推移學生容易產生思維疲倦。

（2）學生接收過程抽象。《工程制圖》課程的授課對象為大學一年級的新生，《工程制圖》的知識形式、思維方式、學習方法與高中階段的課程有較大區別。學生在自主學習過程中，要理解教材中圖文的含義，需要結合豐富的空間想象能力和形象思維能力，大一新生可能還未從高中教學的思維模式中轉變過來，可能不適應這樣種涉及很多空間構型的思維方式。在圖學知識的理解過程中學生缺少一種能表達空間問題的工具，缺少一種能連接書本知識與自身思維方式的手段。由于圖學知識理解過程的抽象性，很多學生反映《工程制圖》課程不合適學生自學。

二、課程的“抽象”對學生的影響

“抽象”的直接結果是學生在《工程制圖》的課堂上缺少參與感與體驗感，從而難以激發學生學習該課程的積極性與主動性。

（1）學生缺少參與感。目前《工程制圖》的課堂教學普遍由教師主導，教學過程中教師和學生的交流與互動較少，教師的教學過程趨于機械化、程式化，教學過程主要求形式的合理性。由于課程知識“抽象”的特點，二維式的PPT課件難以持續牽引學生的注意力。

（2）學生缺少體驗感。在課程學習前，學生對《工程制圖》課程的期望是體驗機械美學，能夠通過《工程制圖》體驗立體的機械世界;能夠利用《工程制圖》知識展現自己設計的數字化作品;能夠觸碰到自己所設計產品的實物模型。然而現實的課堂是枯燥的，除了畫圖還是畫圖，有時候畫了很長時間也沒有能夠畫出正確的圖形，體會不到學習該課程的樂趣。

三、《工程制圖》立體教學法

《工程制圖》立體教學法包括三方面：立體教學、立體構形、立體打印。其中立體由圖解教學法實現;立體構形利用“教師—學生—軟件”（Teacher—Student—Software TSS）三方互動教學法實現;立體打印利用3D打印技術實現。各種支持方法的具體實現方式如下所述。

（1）圖解教學法——立體講授。圖解教學法的目標是盡最大可能將《工程制圖》課程中的知識點用圖形、圖像的方式表達出來，利用圖像的形象性，使學生比較容易地理解、接受抽象的圖學知識。圖形表達方式包括圖片、動畫與視頻，其中圖片用于靜態地表達知識點，如平面立體的三維形狀、滾動軸承的實體照片等。視頻能動態地表達知識點，但視頻的制作較難，且表達的靈活性不大。另外視頻比較獨立，在視頻的放映過程中教師很難與視頻進行協同教學。相對而言動畫的可制作性、知識表達的靈活性與可互動性都較好，所以在《工程制圖》課程教學過程中擬以動畫的形式表達作圖步驟，圖解整個作圖流程。比如以動畫的形式表達尺規作圖時的每一個動作、平面截切立體形成截交線的過程、立體與立體相交形成相貫線的過程、平面剖切立體形成剖視圖的過程、單體零件裝配形成部件的過程等。

（2）“教師—學生—軟件”三方互動——立體構形。培養、訓練《工程制圖》三維構型能力的最好方式是實踐，然而加工、制造實體零件的成本過高，且學生群體數量較大，全覆蓋的加工、制造實踐不太現實。但是目前可使用的三維CAD造型軟件較多，軟件可以有效地將學生的設計思路、構型思維轉化為三維數字化模型，且使用成本較低。

目前的《工程制圖》課程教學大綱中規定了上機學時，但主要學習AutoCAD二維工程圖繪制方法。且上機課與課堂教學相對獨立，學生通過4個學時的上機課程一般還不能熟練地掌握軟件的使用方法，而課外主動進行計算機繪圖實踐的學生也較少。

“教師—學生—軟件”三方互動教學的目標是充分利用學生現有的智能終端資源，發揮學生喜歡擺弄智能終端的興致，利用三維造型軟件將學生的形象思維、空間想象力、三維構型能力即時地轉化為三維數字化模型。

在教學過程中實現“教師—學生—軟件” 三方互動教學組織方式的主要思路：①在《工程制圖》上機課上，指導學生學習三維建模軟件UG;②在《工程制圖》課堂上，展示各種由UG軟件完成造型的模型，并穿插性地通過UG三維造型進行解題;③在《工程制圖》課堂上，鼓勵學生使用三維建模軟件UG求解課堂問題;④在《工程制圖》課后，鼓勵使用三維建模軟件UG代替手工繪圖;⑤為提升三維建模軟件UG的使用熱情，在課外建立3D建模興趣QQ群，實時交流，在線交流與《工程制圖》課程同步進行。

（3）3D打印技術——立體打印。軟件雖然可以較好地表達學生的空間構型能力，但軟件形成的是數字化模型，目前數字化模型一般通過二維屏幕顯示，所以還是不能以最直觀的形式展現三維模型。實踐是發現問題、解決問題的最佳途徑，實物模型的展現與操作是學習《工程制圖》的最好形式。如前所述，實際加工或制造實物模型成本較高，不具實際操作性，但目前流行的3D打印技術可以用較小成本實現實物模型的展現。

3D打印是一種快速成型的技術，它是基于數字模型文件，采用粉末狀金屬或塑料等粘合材料，最后通過逐層打印的方式來獲得目標物體的技術，運用3D打印技術來實現實物模型觸碰的主要思路：①以3～4名學生組成一個小組，將班級中的學生分成若干組;②每個小組分配一個三維造型任務;③各小組將設計好的三維模型數據導入3D打印機，由3D打印機加工出所設計模型的三維形狀;④各小組對打印出來的模型進行后處理;⑤開展一次“3D建模”作品展，各小組之間相互品評，交流心得體會。

四、總結

本文通過調研與問卷，進一步明確學生對《工程制圖》課程的知識需求與學習障礙，即課程學習的三個抽象性。通過對圖解教學法的研究，將抽象的理論知識轉化為圖形圖像。將3D打印技術引入課堂，形成“教師—學生—軟件”三方互動教學法，使學生在《工程制圖》課程理論知識學習的同時，初步具備三維立體造型的能力，使學生的立體思維可視化。

參考文獻：

[1]張彤，劉斌，焦永和.工程制圖[M].第三版，北京，高等教育出版社，2020.

[2]黃坤城，中職學校“互聯網+”3D打印課程改革研究——以廈門市海滄區職業中專學校為例[J].計算機產品與流通，2020（3）

[3]孫英浩，謝慧，新工科理念基本內涵及其特征[J]. 黑龍江教育（理論與實踐），2019（Z2）

[4]趙鑫，可丹丹，蔡穎，宋金玲，胡峰.《3D打印材料與技術》課程的教改認識與實踐[J].教育教學論壇，2019（18）