虛實立體模型在高職學生空間想象力培養中的應用探索

賴曉龍 黃麗卿 孫華 李璟藝

(福建林業職業技術學院 交通工程系，福建 南平 353000)

對道路橋梁工程技術等工程領域的高職學生來說，空間想象力是一種比較重要的思維能力。具有良好的空間想象力，不管在專業課程的學習還是在以后的工作實踐中，都會起到事半功倍的效果。空間想象力是由三維空間的幾何觀察能力、空間思維能力和空間構形能力三者構成，它們之間是彼此關聯、互為依托的有機整體[1]。在道路橋梁工程技術等專業的人才培養體系中，工程圖學課程是培養學生空間想象力的重要課程之一，包括工程制圖、工程識圖、工程軟件CAD和BIM建模等課程。其中，已有部分高職院校把工程制圖、工程識圖和工程軟件CAD課程融合成一門課程——“工程識圖與CAD”[2-5]。工程圖學課程具有理論嚴謹、實踐性較強的特點，與工程實踐聯系密切，對培養學生空間想象力、掌握科學思維方法、增強工程和創新意識有重要作用，是重要的技術基礎課程。但是在工程圖學的教學過程中，空間想象力作為一種重要的素質能力，因其無合理的評價方式，長期以來被教學體系所忽視。因此通過工程圖學課程的“三教”改革，探索提高空間想象力的方法和途徑，確定想象力的合理評價方式顯得十分重要和迫切。

1 工程圖學課程在空間想象力培養方面的現狀

工程圖學課程在培養學生的空間想象力上教學方法單一，一般以PPT講授輔助圖片、繪圖示范等相對靜態的方式展開教學。在涉及到空間想象時，教師需花費大量的語言進行描述解釋，但學生卻收獲甚微，對三視圖的理解只停留在二維圖形上，無法將其轉化為空間立體圖形。針對這種情況，很多學者在學生空間想象力培養方面進行了教學手段的改革，主要集中在3D打印技術和三維仿真建模技術兩方面。

董曉倩[6]闡述了3D打印技術的應用對促進課堂教學、提高學生的綜合應用能力和素質的重要作用。王莉霞等[7]探討了3D打印技術在機械制圖課程中的創新應用，實踐證明該技術可以激發學生學習積極性、主觀能動性、實踐創造性，對提高機械制圖課程的質量和教學效果有很大的幫助。趙明俠[8]分析了高職機械制圖與CAD課程測繪實訓存在的問題，提出基于3D技術的實訓實施方法，提高了課程實訓的教學效果。馬紅亮等[9]借鑒工程領域的O-CDIO理念，采用單組前后測準實驗方法，分析3D打印技術對學生空間想象能力發展的影響，其結果表明該技術能顯著增強研究生的空間想象能力，特別是較復雜的心理旋轉能力。

周媛等[10]分析了土木工程制圖課程教學中存在的不足，提出借助BIM的三維可視化模型的技術優勢，對課程進行改革實踐，取得良好的實踐效果。朱珠等[11]、高恒聚[12]將CAD三維建模應用于工程制圖教學中，突破了學生想象力不足的學習難點，對提高學生空間想象力起到積極作用，取得了良好的教學效果。崔盟軍等[13]提出運用三維建模軟件3DSMAX來幫助學生理解投影規律，對提高他們的空間結構想象力非常有效，能解決多媒體教學沒有過程生成的問題。

上述諸多研究成果表明，將3D打印實體模型和CAD三維仿真模型引入到工程圖學課程，能切實提高學生的空間想象力以及識圖與繪圖能力，對課程教學效果的提升有很大的幫助。

2 引入虛實立體模型的工程圖學課程改革內容

2.1 引入虛實立體模型的工程圖學課程知識體系的改革

本校交通工程系工程圖學課程早期是由大一上學期的“工程制圖”和下學期的“軟件CAD”兩門課程組成，經過實踐和對比分析發現，教學內容有所重疊，教學效果也不太理想。因此，借鑒其他高職院校的做法，將“工程制圖”和“軟件CAD”課程融合成“工程識圖與CAD”課程，形成以識圖和繪圖能力作為培養重點的課程教學體系。但是經過多年的實踐發現，學生的CAD繪圖能力雖得到了很大的提升，但在識圖和空間想象力的培養上仍有所欠缺，難以適應現在工程領域“三維可視化”發展的趨勢。如今，隨著BIM課程加入人才培養方案，工程圖學課程由大一上學期的“工程識圖與CAD”和下學期的“BIM基礎應用”課程組成，形成以培養空間想象力和軟件繪圖技能為主的課程教學體系。“工程識圖與CAD”課程根據人才培養方案和路橋施工企業崗位技能的需求，結合課程的“三教”改革，將虛實立體模型引入課程中，構建以空間想象力為重要素質目標和以工程識圖、CAD平面繪圖與三維仿真建模為主要技能目標的課程知識體系，具體如圖1所示。

圖1 融入虛實立體模型的“工程識圖與CAD”課程知識體系

2.2 引入虛實立體模型的空間想象力評價方式的改革

為了檢驗虛實立體模型在培養空間想象力上的教學效果，空間想象力評價方式采用空間能力量表測試結合教師綜合評價、小組互相評價的方式進行。其中空間能力量測試表由心理旋轉量表(PSVT:R)測試和空間組合量表(ASVAB-AO)測試兩部分組成[9]。在課程開始之前和每一個學習情境結束后，進行空間能力量測試，采用隨機抽題組卷的方式進行，并記錄測試完成時間；教師的綜合評價是通過學生完成課程作業的情況和聊天采訪的形式進行定性評價；小組互相評價采用打分制的定量評價方式進行。通過這三種不同的評價對學生的空間想象力作出客觀公正的評價，最終計入課程的素質考核成績中。

3 虛實立體模型在空間想象力培養中的應用舉例

教法是“三教”改革的核心，是“三教”改革成功與否的關鍵。高職教師只有解決好“怎么教”這個問題，才能使得學生“愿意聽，愿意學，愿意做”，確保他們在課堂上有所收獲，有效地提高第一課堂的教學質量。在圖1所示的課程知識體系中，虛實立體模型貫穿于整個教學過程，教師可采用啟發探究式和小組討論式等“以學生為主體，教師為主導”的教學方式，使課堂教學具有更強的趣味性、直觀性和體驗性，從而激發學生的學習熱情，使之積極主動地參與到課堂教學中來。

3.1 3D實體打印模型應用舉例

將3D實體模型引入到課程的教學中，可以抓住學生的好奇心，在師生互動交流中，使課堂變得生動有趣。實踐中可以創新教學模式，采取項目式教學，以5—6人的小組為單位，倡導“同伴互學”，引導學生互相合作、互相分享，促使學生自主學習，把知識理解內化，從而在互學中加深對知識的記憶和理解，無形中訓練學生的溝通表達能力和空間想象力。

在“投影的基本知識”這一學習情境中，教師提供基本體和簡單組合體的3D實體模型，學生近距離觀察(從左往右看、從前往后看和從上往下看)實體模型，并把它放置到實體的三面投影體系中，通過刻度尺的丈量，完成基本體和簡單組合體的三視圖手工繪制學習任務。同時通過AutoCAD軟件的三維建模環境，引入空間三維坐標概念。對比分析AutoCAD軟件的空間坐標系統和3D實體三面投影體系的異同，通過基本體和簡單組合體的CAD三維仿真模型和3D實體模型，講深教透基本體的三視圖的形成過程。學生在訓練過程中，初步獲得了由立體模型變換到三視圖的空間思維能力。

在“組合體繪制和橋涵工程圖繪制”這一學習情境中，教師提供較復雜組合體的3D實體模型和帶有尺寸的軸測圖，學生通過觀察立體圖形，結合軸測圖的尺寸，繪制其三視圖(如圖2所示)。或者只提供復雜組合體的3D實體模型，學生通過觀察和尺規測量，自行繪制該模型的三視圖和正等軸測圖，要求尺寸的估算協調合理，感官上是美的。通過設置開發性題目，增強學生的動手能力，引導學生將3D實體模型轉化為三視圖，進一步夯實學生的空間想象力，同時也提高了學生的創新能力和美學修養。

(a)3D打印實體模型 (b)實體模型的軸測圖 (c)學生成果(三視圖)

3.2 CAD三維仿真模型應用舉例

AutoCAD是一款常用的工程圖紙設計軟件，除了在平面繪圖上表現優異以外，還可以快速高效地建立簡單三維仿真模型，通過渲染和空間旋轉等來直觀展示和觀察三維圖形。常用的建模思路有拉伸、放樣、旋轉和布爾運算等。

在“CAD基礎知識”這一學習情境中，學生不僅要學習二維圖形的繪制命令和編輯命令，也要學習三維建模的繪制和編輯命令。學生在訓練過程中，獲得了繪制二維圖形和三視圖的操作技能，以及基本體和簡單組合體的建模技能。

在“組合體、軸測圖與剖斷面圖”這一學習情境中，教師通過提供大量組合體的三視圖，引導學生利用CAD軟件進行三維仿真建模。在三維仿真建模的同時，可以通過渲染和空間旋轉等方式觀察模型；也可通過視圖菜單的前視、俯視和左視等視圖，來察看所繪模型的三面投影情況。利用CAD軟件的優勢，從多方位、多角度、多側面描繪立體圖形，解決平面立體圖形與真實立體圖形在視覺上的差異，培養學生的識圖能力和繪圖能力。從簡單的疊加組合體到切割組合體，再到既有疊加方式又有切割方式的較復雜的組合體，讓學生能從簡單的建模中感受到學習的快樂，能從復雜的建模中獲得成就感。圖3為部分CAD三維仿真模型。

(a) 涵洞剖切模型 (b) 橋臺模型 (c) 拱橋模型

4 虛實立體模型在空間想象力培養中的效果

對比相對靜態演示的以PPT課件為主的理實一體化的授課方式，在“工程識圖與CAD”課程中引入虛實立體模型，通過學生親自觸摸和觀察3D打印的實體模型，將立體模型轉換為三視圖，完成由立體圖形變換成平面圖的空間想象力的培養訓練；通過識讀三視圖，在軟件上親自動手將其轉換成CAD三維仿真模型，完成由平面圖形變換成空間立體圖形的空間想象力的培養訓練。利用虛實立體模型，立體可視化地展示組合體和道路橋梁工程構件的細節，容易使學生快速地對二維圖紙有一個立體的感受，由簡單到復雜，逐步提高，在大量的模型和圖紙之間轉換，最終完成本課程的空間思維能力鍛煉。

4.1 有助于豐富教師的教學手段，提高教學效率

對于一些簡單的組合體而言，教師提前利用CAD軟件進行三維建模，利用軟件的三維動態觀察器，對比三視圖和三維仿真模型圖，會給學生學習帶來更高效、更直觀的看圖感受，更能激發學生的討論欲望和學習熱情。但是在橋梁、涵洞等比較復雜的工程圖的識讀時，三視圖的虛實線條比較多，學生在觀看三維仿真模型的時候，很難把三視圖的線條和三維仿真模型對應起來，需要教師花大量時間講解，課堂的教學效率大打折扣。這時，適當地引入3D打印的實體模型，通過將實體模型、CAD三維仿真模型和三視圖進行充分的對比分析，更能有效地提高三視圖識讀的教學效率。

4.2 有助于改變學生的學習方式，使其愛學習、愛思考

高職學生在學習“工程識圖與CAD”課程時，最難的是通過想象構建由平面圖形表達的空間形體。以往的“工程識圖與CAD”課程在突破教學重難點時只能依靠教師的講授，依靠PPT展示等手段來進行教學，學生的學習難度大，積極性不高，只有少部分學生能達到教學目標，不利于大多數學生空間想象力的培養。在課程中引入虛實立體模型后，學生從自己可以觸摸和觀察的物體出發來理解三視圖的形成過程，較容易入門，學生愛學了，表現出較高的積極性。另外在CAD三維建模時，學生之間可以互相溝通交流。建模快的學生可以借助自己建立的CAD三維仿真模型，利用其可視化的特點，通過交流講解使后進生更容易讀懂三視圖，既可鍛煉學生解決識讀過程中的實際問題，也能促進同班同學的溝通交流，使得班級有融洽活潑的學習氛圍，進而提高課堂效率。

4.3 有助于培養學生的設計意識和創新意識

“工程識圖與CAD”課程作為道路橋梁工程技術專業接觸最早、最為基礎的課程之一，對于后續專業核心課程的學習和實踐具有重要意義。這一課程最重要的訓練就是空間想象力的訓練，即空間立體和二維平面(三視圖)之間的雙向轉化分析的能力訓練。在強調技能培養的高職人才培養體系中，特別是在如今高度普及的信息化技術下，很多高職院校的工程圖學課程已經弱化了點線面的知識講解和手工制圖的能力訓練，更加強調工程圖樣的識讀講解和CAD軟件繪圖的能力訓練。通過引入實際工程案例，在識讀二維平面圖紙和三維仿真建模的訓練過程中，培養工程圖樣表達能力和創新能力，培養學生的工程意識和設計能力意識，從而更好地適應以BIM技術為代表的第二次建筑信息化革命的時代。

5 結語

在“工程識圖與CAD”課程教學中引入虛實立體模型，利用其直觀性和可視性，可以使學生較快形成三維空間想象和立體思維。學生利用虛實立體模型，進行由立體的物想象出其三視圖，由三視圖想到立體的物的思維訓練時，其空間想象力，得到了有效鍛煉。同時，虛實立體模型的引入，豐富了教師的教學手段，改變了學生的學習方式，促進了學生設計意識和創新意識的培養，課程的教學質量和效率明顯提高。