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机械制图教学中模型虚实结合的应用

2021-07-29 143 上传者：管理员

摘要：＂机械制图＂是研究机械工程图样的绘制和识读规律的一门学科，是高等职业技术学院机械类各专业学生必修的一门专业技术基础课，旨在培养学生的空间思维能力，进而提升学生的空间想象能力。然而在实际学习过程中学生们空间想象力差，对平面图形的视图不容易理解，针对这样的情况，实物模型与虚拟模型的结合解决了这一难题且提高了学生的空间想象能力。

关键词：
图样识读
实物模型
机械工程图样绘制
空间想象力
职业教育
虚拟模型
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各类职业院校将“机械制图”设为机械类如汽修、模具、机电等专业的基础课，它是一门系统性较强、逻辑思维严密的课程，主要目的是培养学生看图、画图以及立体空间思维能力。该课程的本质是以画法几何学为基础，以投影理论为方法，研究几何形体的构成、表达和工程图样的绘制、阅读。

高职院校大多数学生的空间思维能力与空间想象能力较弱[1]，学习本课程时难度较大，并且随着点的投影过渡到线的投影与面的投影等知识点的不断深入，学生感到越来越力不从心。所以为了提高课堂效率、简化知识点，使用教学模型来帮助学生们理解教学内容，最终增强学生的空间思维与空间想象能力。“机械制图”这门课程的实践性较强，平常的课堂教学中，配以相对应的习题册让学生加强对本节内容的理解练习；对于学生空间想象能力的提升还需要加强，所以后期测绘实训中安排学生将一个装配体进行拆卸、画零件图、画装配图、组装，实现理论与实操的相结合。

1、在传统教学中实物模型的应用

实物模型和虚拟模型在“机械制图”的教学中必不可少。传统的教学模式中，教师展示实物模型让学生观看并分析研究，进而培养学生的空间想象能力和分析能力，常用的教学模型都是木质或塑料的简易模型，这些实物模型所产生的教学效果并不显著，主要体现在以下几个方面。

1）传统的实物教学模型需要提前定制加工，使得教学成本增加。大多数模型的体积大、重量重，难以携带，后期的磨损也不能及时修正。

2）“机械制图”课程同时开展，各位授课老师的教学计划几乎同步，需要多套模型供各位老师同时使用。

3）在讲到第三章的截交线与相贯线时，由于传统的实物模型形体较单一且不能修改，难以满足灵活多样的教学需求。

4）教材内容不断更新，单一的实物模型与教材更新展示的多样性模型严重脱节。大多数高职院校的学生空间想象能力较弱，课堂教学效果不尽人意，多样化虚拟模型库的建立可以解决这一难题。

5）对于传统的实物模型，在前期加工中将其零件模型制造得较小。对于大型的零件与装配体，在教学课堂上演示较为困难，学生不能随意拆开观察，这就达不到教学目的。

2、现代教学中虚拟模型的应用

随着计算机技术的广泛普及以及信息化教学的趋势推动，计算机图形学、CAD技术及SolidWorks虚拟模型在工程图学中得到了普遍应用，虚拟模型辅助实物模型成为了一种高效率的教学方式。通过使用Pro/Engineer、SolidWorks和UG等三维绘图软件建立课堂教学中所涉及的三维虚拟模型[2,3]，再借助多媒体的教学手段，将所建立的三维虚拟模型呈现在教室的投影屏上；通过全方位的转动展示出模型的立体效果和视觉效果，让学生仔细观察三维模型在三维投影面内各面投影形状的变化，逐步提高学生的空间想象能力并培养学生的空间思维能力[4]。

如图1所示，SolidWorks绘制的三维模型在截交线的应用。利用三维软件SolidWorks画出四棱柱被截切后三维模型，将截切后产生的截平面设置成不同的颜色，投射在教室的屏幕上，全方位地展示截切后的四棱柱，让学生看清楚截切后的三视图的形状，进而将截交线的三面投影求解出来。

虚拟模型与实物模型的结合使用已经成为了高校普遍使用的一种教学方式，原因主要有以下几个方面。

1）计算机软件建立的虚拟模型可以直接保存在计算机硬盘、U盘等存储设备中，携带、存储都很便捷，维护、使用成本较低。

2）虚拟模型弥补了传统模型形体单一化的问题。截交线与相贯线对学生的空间想象能力的要求很高，大部分同学对于单一截平面所产生的截交线可以求解。比较复杂的截交线的求解有一定的难度，可以建立虚拟模型全方位地展示截交线的形状，简化截交线的求解，逐步提高学生的空间想象能力。

3）虚拟模型可以根据教学需要建立任意形状的模型，可以实时修改模型，可以多视角展示模型内外部形体特征[5]。

4）由于高职类院校各个班级生源质量存在差异性，学生对课堂知识点的接受程度不一样，导致一些学习能力较弱的学生可能会跟不上课程进度，虚拟模型数据库能很好地解决了这一难题[6]。学生可以直接通过学校网进入虚拟模型库主页，调取自己所需的模型进行课后学习与巩固，从而保证在有限的时间内帮助学生取得较大的学习效益。

3、多样性教学模式的实践

各类职业院校将“机械制图”设为机械类如汽修、模具、机电等专业的基础课，那么采用多样化的教学模式产生的效果具体如何？选用生源质量相同的3个汽修班进行测试，“机械制图”课程中“基本体及其表面交线”这一章节用到的模型最多，用不同的教学模式来对比一下教学效果。如表1所示。

“基本体及其表面交线”这一章节的内容如下：平/曲面立体上取点、平/曲面立体的截交线、回转体的相贯线。讲授本章节时，汽修1班用实物模型与虚拟模型结合进行演示，汽修2班仅用虚拟模型进行演示，汽修3班仅用实物模型进行演示。

4、多样性教学模式的结果分析

3个汽修班的同学在相同时间内用不同教学模式完成了同一章节的学习，用此章节所对应的题库进行测试，得到的测试成绩，如图2所示。

图2的各项结果显示，3个汽修班的及格率都在89%左右，60分以下学生所占的比例，3个班级都保持一致；60～75分学生所占的比例，汽修1班明显低于其他两个班级，表明实虚模型结合使用的情况下，低分率较低；76～90分学生所占的比例，汽修1班明显高于其他两个班级，表明实虚模型结合使用的情况下，高分率较高；90分以上学生所占的比例，汽修1班明显高于其他两个班级，表明实虚模型结合使用的情况下，优秀率较高。因此，实物模型与虚拟模型结合使用，可以更好地提高学习效果。

5、结论

教学中实物模型与虚拟模型的结合使用提高了教学质量和教学效率。“机械制图”是一门系统性较强、逻辑思维严密的课程，对学生的空间想象能力与空间思维能力的要求较高。传统的教学模式中，实物模型的单一性与教材更新展示的模型的多样性脱节，课堂教学效果急剧转下。多媒体教学的出现补充了传统的教学模式，由三维软件Pro/Engineer、SolidWorks和UG创建的机械制图虚拟模型库[7,8]，实现了线下教学资源的共享，学生可以自行下载学习，从而提高学生的空间想象能力并培养学生的形象思维和创新思维能力，有助于提升教学质量，达到较好的教学效果。

参考文献:

[1]雷蕃,张俊,谢贺年.虚拟模型在机械制图教学中的应用实例[J].科技经济导刊,2017(8):157.

[2]介邓飞,曲延飞,张淑娟.基于网络的工程制图虚拟模型库的实现[J].山西农业大学学报(自然科学版),2009,29(1):94-96.

[3]崔以刚.三维实体设计在机械制图教学中的应用[J].考试周刊,2008(15):30.

[4]诸世敏,胡华荣.《工程制图》教学中实物模型与虚拟模型的应用[J].湘潭师范学院学报(自然科学版),2006(4):133-135.

[5]胡朝炜.工程制图教学质量的提高[J.机械管理开发,2012(1):181-182.

[6]刘艳红,贾哲,林乐旗.三维模型库在《机械制图》教学中的应用[J].中国科教创新导刊,2011(13):167.

[7]李庆华.基于CATIA的工程图学三维模型库的开发[J].机械设计与制造,2005(12):68-69.

[8]杨震,包中碧.基于UGNX3.0的机械制图三维模型库的开发及应用[J]科学咨询(决策管理),2007(11):41-42.

文章来源：郝红梅,吴利平,李磊,邹修敏,陈丽,曾敏,陈晓燕,邹贵群.模型虚实结合在“机械制图”教学中的应用[J].南方农机,2021,52(14):166-167.