基于三維模型對《機械制圖》教學模式的探析

張超，陳忠維，邵宇，崔元昊，董興宇

（武警海警學院機電管理系，浙江 寧波 315801）

1 前言

在本科院校以及職業技術學校中，《機械制圖》已然成為眾多工程專業中重要且基礎的一門技術課程。作為工程界“交流的語言”，該課程不僅是承接工程實際與理論學習的橋梁，同時也是工程學術探究建模模擬分析的基礎。學生通過對該課程的學習，能夠快速有效地掌握機械制圖的基礎理論知識，結合對實物空間與平面之間地相互轉換的繪制練習，能夠提升學生的動手操畫能力和空間想象能力，最終成為學生熟練識讀圖紙，準確繪制實物信息的技能。但無論是作為工程學科的技能掌握還是學術探究的基礎能力，該課程對學員的理解能力和空間想象能力都有很高的要求，使得這門課程的學習效果存在著較大的差異，為此需要廣大老師對《機械識圖》課程的教學講授方面，進行完善和突破，從而不斷提升整體教學質量。

隨著現代高新技術的發展，Solidworks、UG、Proe等三維建模軟件的出現也促進了教學模式的創新性改革。三維模型是采用多邊形表示的方式呈現物體的真實形狀，通常用計算機或者其他視頻設備進行顯示。在傳統教學環節中，我們常采用是真實的教具或者是虛構物體的flash動畫進行教學，這對于機械制圖課上理論知識的初步理解有著較好的促進作用，但真實模型以及動畫制作均為固定模式，即靈活性較差，無法及時解決課上新問題以及較為抽象難解的課后習題。而三維模型可以表示任何物理自然界存在的東西，因此我們可以不僅僅局限于初步教學理解階段，應結合數字、圖片等其他教學因素，同時根據課程不同章節建立多種三維模型進行拓展式教學。

2 運用數、圖、模型的三聯合，幫助學生快速建立空間思維

運用數字、圖片以及模型的結合，通過多方面的角度進行講解理論知識，不僅能夠豐富課堂教學內容，還可以拓展學生的思維，幫助學生理解理論知識。當學生無法及時理解老師的直觀理論講授時，多角度的講解能夠讓其找到合適自身的理解方式，進而更好的掌握該課堂內容的知識點。對于初入大學階段的學生而言，部分學生前期系統的立體知識掌握不扎實，同時缺乏對機械零件的認識，因此在傳統教學過程中難以及時理解并掌握空間與平面之間的轉化過程，對知識點的理解能力的不同，這點對于基礎知識缺乏，空間想象能力薄弱的學生而言尤為致命，會導致學生在初學階段的學習積極性下降，制圖基礎知識掌握不扎實引發后期學習乏力的現象。所以在教學過程中，將數字、圖片和模型視圖的結合，將知識點進行多角度的解釋可以幫助學生的理解。根據空間點的坐標特性（圖1），坐標（X，Y，Z）可以對應視為（長，寬，高）。如圖2所示，將空間點在各投影面上的投影點展開時，所各投影面上點的X，Y，Z的數值分別對應相等，即水平投影點的X與正投影點X是相同的值，進而也可以解釋長對正，同理寬相等，高平齊也可相應解釋。通過三維模型的方式也可以進行講解。如圖3所示，將空間點對各個投影面上的投影線整體視為一個規則矩形，則所有X，Y，Z方向的長度均相等，將其按照Y投影軸展開（圖4），則仍能夠根據形體原先的特點得到這三個方向上的長度相等，進而可以解釋“長對正，高平齊，寬相等”。通過這樣的方式，將教學內容比較全面的呈現給學生，并讓其進行觀察和思考，逐步建立空間思維，進而提高教學質量，讓學生更容易理解知識點。

圖1 空間點的三維投影圖（坐標式）

圖2 點的展開投影圖（坐標式）

圖3 空間點的三維投影圖（圖形式）

圖4 點的展開投影圖（圖形式）

3 采用引導式教學，讓學生自發思考模擬建模過程，激發課堂活力

引導式教學主要是通過循序漸進的方法將語言與動作貫穿起來，引導學生主動參與學習，讓其多想、多說、多做，逐漸養成自主探究、相互學習的教學方式。摒棄了填鴨式教學的被動學習，這種教學模式則更適合大學中的教學。在本門課程中，學習的空間圖形各類各式，更需要學生這種自發思考的過程和能力。學生在這個過程中不僅可以掌握課堂內容基本的知識點，更能夠思考其演變過程，進而鍛煉其思維能力，對相似的或者全新的事物能夠有自己的思考方式，完成任務后可以提升其綜合專業能力。《機械制圖》中有部分章節則可以采用該方式進行教學，如表達相貫體，主要教學目的是讓學生掌握兩個相交的立體表面的交線，將其繪制于圖紙上。通過對三維模型進行不同角度的反轉，觀察相貫線的圖形特點，有助于學生理解抽象的相貫線。同時還可以將其投影圖和實物圖展現于同一視圖中，如圖5所示，有助于老師的授課講解。同時三維模型對于組合體章節的教學內容也有較好的教學效果，如表達組合體的組合形式，如圖6所示，可通過對復雜零件進行引導式分析，讓學生自發思考該模型的成型過程，有助于其在繪制圖形時有清晰的邏輯思維，幫助其準確的完成三視圖的繪制。所以教師可通過將其設置為開放性環節，讓學生有自行發揮的空間，積極參與課堂互動，激發課堂活力。

圖5 相貫體的軸測圖與對應的三視圖

圖6 組合體的組合過程

4 結合翻轉課堂教學與動手實操練習，提升學生綜合能力

在傳統的教學過程中，多以教師進行課上講解為主，學生則被動的接受知識，這樣會導致教師與學生之間缺乏溝通和交流，課堂氛圍比較沉悶，學生上課積極性下降，易出現注意力分散的現象。結合《機械制圖》這門課程的特點，需要學員動腦思考，動手繪制的任務較多，因此將該任務與課堂教學結合在一起，通過翻轉課堂，讓學生來完成部分課堂任務的講授，不僅能夠讓學生完成課上練習，同時鍛煉學生的綜合能力，表達出自己的解題思路，共享學習經驗，教師可結合學生講解情況進行適當的補充和完善，指出學生在完成任務中的優缺點，幫助學生快速掌握知識。通過互換師生角色的方式，了解學生的思維，增加師生間的互動機會，建立良好的師生關系，讓學生能夠在和諧、輕松且有任務驅動的氛圍下完成任務，最終感受到成果所帶來的喜悅和成就感，同時也是對其他學生的一種學習激勵，促進一種良性競爭意識的形成。《機械制圖》課程中有許多章節可以通過在三維模型建立的環節中進行翻轉課堂與動手實操練習。例如，在學習組合體剖視圖部分內容，可通過布置部分任務，讓學員分析三維模型形成的過程，分析剖切面的位置以及剖面區域等注意事項，教師通過三維模型軟件結合學生思路，協助其完成整個模型的建立（如圖7所示），鼓勵學生對整個環節進行細致的描述，對其認為的易錯點進行強調，最終結合三維模型完成的剖視圖模型（圖8）進行多角度解釋剖切區域的畫法，最終在圖紙上完成作業。讓學生在不同的思維碰撞中加深對知識點的理解，讓其有自己的做題思維并嘗試解決問題。對仍不理解的問題，教師給予及時的解釋，幫助其建立完整的知識框架體系。

圖7 三維模型的全剖視圖

圖8 三維模型的全剖視圖工程圖

5 聯系實際進行三維模型演示，激發學生發散性思考

由于《機械制圖》是應用性較強的一門課程，學生不僅需要掌握其理論知識，更重要的是掌握相應的實踐技能。對于學習的眾多知識點，教師可結合學校學科特色或實際的生活進行探索式、拓展式教學。通過三維模型的建立和演示，將所有知識點進行綜合，讓知識貼近于實際，讓理論聯系實踐，這樣能夠促進學生在課堂過程中自發聯想生活中所涉及到的實物與所學知識的聯系，有利于學生分析解決實際問題能力的提高。如學習零件圖和裝配圖的章節中，可結合已學的連接件和傳動件進行發散性思考，將其結構特點、工作原理、應用場景、以及使用方式進行設問，引發學生思考，對多個不同應用場景的模型進行演示，讓學生感受到知識應用于實踐的真實性，培養其對知識點應用于實際的思維能力，如圖9。

圖9 直升機減速器3D模型

6 結語

整體而言，《機械制圖》作為院校內一門專業且基礎的學科，需要學生掌握扎實的理論知識，熟練的讀圖繪圖的能力，才能夠學以致用，因此做好教學環節則顯得極其重要。教師可通過多元化的現代技術完善教學模式，將三維模型作為新教學手段，能夠在前期幫助學生培養學習課程的興趣，讓學生充分感受到課程的魅力和樂趣所在，同時，對于課程內容的講解有著較好的輔助作用，提高整體的教學質量，切實幫助學生理解機械制圖的知識點和重難點，提高自身綜合能力，培養發散性思維，為其步入社會后的工作生活以及科研深造打下良好的基礎。