《工程图学》触觉教学法探索与实践

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　　摘要：针对《工程图学》课程内容抽象，学生不易接受的问题，提出触觉教学法。该方法以图解知识、软件互动与模型打印三者结合的方式实现课程的形象化、体验式教学。教学实践结果表明，触觉教学法能有效激发学生学习《工程图学》的兴趣，提高课程教学质量。
　　关键词：教学方法;图解法;3D打印;形象化教学
　　中图分类号：G642.41     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）21-0127-02
　　 工程图样是工业生产中一种重要的技术文件，是进行技术交流不可缺少的工具，也是工程界的技术语言[1，2]。《工程图学》是高校机械类学生重要的专业基础课，但在实际的教学过程中发现，学生对该课程的学习热情不高，其普遍认为《工程图学》课程内容抽象，虽然努力地学习该课程，但空间想象能力不足，不适应《工程图学》中三维立体与二维图样之间的思维切换。
　　论文针对《工程图学》课程的直观教学问题，首先分析课程内容抽象、学生难接受的原因，然后提出触觉教学法，以图解知识、软件互动与模型打印三者结合的方式实现课程的形象化、体验式教学。通过改变课堂教学形式，激发学生学习的积极性、主动性与创造性。
　　一、《工程图学》课程内容抽象的原因分析
　　1.传授知识过程抽象。在目前的《工程图学》教学中，教师一般重点关注对课程内容的讲解，而图学知识的形象化处理与表达方面的工作较少。在课堂上，教师一般用语言将教材或课件中的二维图形及说明文字转化为一定的思维形式，学生需迎合教师接受其思维方式，即知识的传递过程是抽象思维与抽象思维之间的触碰。然而由于知识背景的不同，教师和学生的思维层次与结构存在较大差异，从而导致师生思维触碰的耦合度不高，期间形成的有效信息传输通道较少。
　　2.理解知识过程抽象。《工程图学》课程的授课对象为大学一年级新生，该课程的知识形式、思维方式、学习方法与高中阶段的课程有较大区别。要正确理解教材中图文的含义，需要结合丰富的空间想象能力和形象思维能力，大一新生可能还未从高中的教学思维模式中转变过来，可能不适应这种涉及大量空间构型的思维方式。在图学知识的理解过程中学生缺少一种能表达空间问题的工具，缺少一种能连接书本知识与自身思维方式的手段。
　　3.应用知识过程抽象。学生应用图学知识的场合主要包括：课堂练习、课后作业以及在课程设计、各种竞赛中对所需机械结构进行设计。应用图学知识的本质是构建三维模型，其中所构建模型的可行性与合理性一般只能依靠学生的空间想象力进行分析。初学者在缺少实物模型支持的条件下很难做到正确地分析与判断。目前，数控机床可以有效实现三维数字化模型向实体模型的转变，但学生一般没有这样的资源，学校也很难普及这类高成本的训练项目。
　　“抽象”的直接结果是学生在《工程图学》的课堂上缺少参与感与体验感，从而难以激发学生学习该课程的积极性与主动性。
　　二、《工程图学》触觉教学法
　　触觉教学法包括三方面的触碰：触碰抽象思维、触碰构型能力、触碰实物模型。这三方面的触碰分别通过图解教学法、软件互动与3D打印技术实现。
　　1.图解教学法-触碰抽象思维。图解教学法的目标是将《工程图学》课程中的知识用图形方式表达出来，利用图形的形象性与直观性，使学生比较容易理解、接受抽象的图学知识。图形表达方式包括图片、动画等，其中图片用于静态地表达知识点，如平面立体的三维形状、滚动轴承的实体照片等。动画用于表达立体的形成过程、作图步骤等，比如用动画表达平面截切立体形成截交线的过程、立体与立体相交形成相贯线的过程，以及用动画描述尺、规作图时的每一个步骤等。
　　2.软件互动-触碰构型能力。培养、训练三维构型能力的最好方式是实践，CAD软件可以有效将学生的设计思路、构型思维转化为三维数字化模型，且使用成本较低[3-5]。课程采用“教师-学生-软件”三方互动的教学方法，具体如下：①利用课程的上机学时，让学生学习Siemens NX三维造型软件的使用方法;②课堂上鼓励学生带笔记本电脑，对于课堂上的问题，鼓励学生直接通过NX软件解题;③教师在课堂上根据教学需要展示各种由NX软件完成造型的模型，穿插性地通过现场造型展示构型过程;④用软件三维造型代替部分手工绘图作业。
　　为促进NX软件功能的学习与交流，在课程外建立“3D建模协会”，使软件的学习与《工程图学》课程同步进行，促进三维造型软件与课程学习之间的融合。
　　3.模型打印-触碰实物模型。实物模型的展示与操作是检验造型结果的最有效方式。3D打印是快速成型技术的一种，它以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术[6]。其中熔融沉积型3D打印机价格相对低廉，可以用较小的成本就可以实现实物模型的展现。
　　利用3D打印技术实现实物模型触碰的方法如下：①以3-4名学生为一个小团队，将班级中的学生分成若干组;②分别给各个团队分配三维造型任务，任务分为预定功能造型与自由造;③各团队将设计好的三维模型数据导入3D打印机，加工出所设计模型的三维形状;④各团队对完成打印的模型进行表面打磨、上色等后处理;⑤组织一次“图学我型我秀”作品展，各團队之间相互欣赏作品，评选最喜爱的模型。
　　三、触觉教学法实践效果
　　对2个教学班，共56名学生进行了触觉教学法的探索与实践。通过访谈、调查问卷、教学数据统计与分析得出，触觉教学法具有以下四个方面的优势。
　　1.提高教学质量。通过期末成绩统计与分析发现，实施触觉教学法的教学班平均分比其他同课程的班级高5-7分，且得分优势主要体现在综合读图题。这说明通过触觉教学法的应用，学生更好地掌握了三维构型能力。
　　2.激发学生学习的积极性与主动性。与往届教学班相比，实施触觉教学法后，学生与教师的交流次数以及课间、课后提问数量大幅度增加。这说明触觉教学法能有效激发学生学习课程的积极性与主动性。
　　3.知识、能力、素质的综合培养。触觉教学课堂不仅可以使学生较好地掌握图学知识，而且让其通过学习3D造型软件，可以掌握一种软件工具。在触觉教学课堂上，学生以团队的形式开展学习活动，团队化教学有助于培养学生的人际交流能力与合作思维，为将来参加社会工作打下良好的基础。
　　4.触碰前沿科技，培育科研基因。3D打印技术是制造领域的前沿科技，而前沿技术的触碰给有科研潜质的学生创造了一次探索工程科学的机会。很多学生认为3D打印技术激起了他们的科研兴趣，从而为培育优秀的科研人才打下基础。
　　四、总结
　　触觉教学法通过图解法使抽象的图学知识形象化，通过软件互动实现学生构型思维能力的表达与展现，通过3D打印获得想象中的3D立体。通过触觉教学法能使学生充分体会到课堂的参与感和对图学知识的体验感。开展触觉教学法可以明显改善《工程图学》课程的课堂教学质量，培养学生的综合能力。
　　参考文献：
　　[1]侯洪生，闫冠.机械工程图学[M].第四版.北京：科学出版社，2017.
　　[2]焦永和，张彤，张京英.工程制图[M].第二版.北京：高等教育出版社，2015.
　　[3]陆国栋，孙毅，费少梅，单继宏.面向思维力、表达力、工程力培养的图学教学改革[J].高等工程教育研究，2015，（5）：1-7.
　　[4]王建华，郝育新，刘令涛.工程图学计算机辅助教学实践与思考[J].图学学报，2012，33（6）：116-120.
　　[5]尧燕.依托三维工程图学培养学生设计创新能力的探索[J].图学学报，2017，38（1）：119-122.
　　[6]卢秉恒，李涤尘.增材制造（3D打印）技术发展[J].机械制造与自动化，2013，42（4）：1-4.
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