制图课程培养学生创新设计与实践能力的措施

2012-03-21吴启凤

图学学报 2012年3期

吴启凤

（成都纺织高等专科学校建筑工程系，四川成都 611731）

工程制图教学，已不再是单一的教师在黑板上讲授理论，也不只是学生完成基本投影与图形练习的教学模式，而是更注重培养学生的思维能力和创新能力。随着现代信息技术的发展，图形的学习与应用是从多角度，进行分析和深化，应用计算机技术不管是获得平面图形，还是创建三维形体均可从不同的思维角度实现，由此改变了人们对图形和形体的固有的认识。如在AutoCAD平面图形学习中，作圆也不再是圆心半径的概念了，完全可能根据已知条件的不同以6种基本方式做出满足要求的圆；三维实体建模不再是基本形体的组合与切割，可以根据线面的拉伸与旋转创建；三维实体的编辑完全可以在二维模式下拓展三维空间，不再是在球面坐标和柱面坐标系下固定空间坐标操作模式。思维能力与多渠道空间建模形式，最根本的更多需要操作者对形体具备充分的空间认识和理解。

1 从理论上引导、拓展思维

可以将工程制图教学中的创新能力培养归纳为5种能力的培养，即思维能力、工程意识与简单设计能力、构型设计能力、实践能力和工程图形表达能力。创新能力培养的有效方法之一称为“学科途径”，是指结合某一门具体的学科在其教学过程中培养学生的创新意识与能力，工程制图教学也不例外。目前已经见到的训练方式有：给定视图与网格线的构形；给定形体外轮廓线的构形；已知几何体求补形的构形；给出语言描述的构形；简单日用品的构形等[1]。无论哪种方式都离不开图形表达，怎样合理正确选择表达方式才能做到图形简洁、内容准确，需要对形体具有充分的认识和分析能力。

工程制图教学中，通过各种方法和手段增强学生的识图和创新能力。对于初学者而言未建立基本思维和概念，需要在学习过程中增强理论基础和正确的引导，加深对知识的理解和消化，以致达到融会贯通的目的。华南理工大学机械与汽车工程学院孙炜等对“工程图学教育中加强构型创新设计能力的探索与实践”一文[2]，以给出语言描述的构形训练方式，从平面图形构型设计、几何元素构型设计到立体及三维视图构形设计实践进行了大胆的尝试，促进学生的思维，灵活推进并拓展了课程教学。由教师给出形体基本描述，学生通过图示的方式做出相应的图形和形体答案。在创新思维与构建空间形体的过程中基本知识应该得到进一步的深化。如三维视图构型设计实践针对学生的构型出现不确定性，意味着学生在分析问题过程中，一定阶段出现了解决问题的盲区，教师应该从理论上给予指导与深化，以图示的方式准确表达形体的空间形状。怎样才能做到正确、唯一，是图学工作者追求的目标。实践过程中当学生发现一个形体不能通过三视图准确表达，一定能够采用形体表达的其他方式得到解决。原文中“案例4：请设计一个三视图不能表达清楚的形体，并画出其三视图。图4(a)是根据粗实线和虚线重合时产生的不确定性（由图4(a)左侧的三视图，不能确定3个孔相交部分，即立体的中心位置是空心的还是实心的）进行设计，因此满足题目要求。”如图1所示。

图1 形体与三视图

学生做出了符合题目要求的设计，是否有解决问题的方法，由此引入剖面图的表达及画法，如果将以上视图中的主视或侧视图改作成剖视图，其表达就非常准确，不会产生不确定性因素。将图1中某视图改作成剖面图，如图2中1-1剖面图(a)表达中心部分是实心，图2中1-1剖面图(b)所表达的是中心部分是通孔。根据形体内部构形的不同分别采用剖面图表达形体内部形状，由此让学生理解剖视图在投影图中的应用及意义。

若将上述形体再次变换为如图3所示的空间形体，同样存在图3(e)、(f)两种情况，用三视图不能确定形体的唯一性，理论上可用剖视图表达，除采取全剖视图外还可以采用其他剖切形式，其全剖视图分别如图3(a)、图3(b)所示。在工程图中完全对称的形体，对用于内、外形状需在同一图上兼顾表达的也可以采用半剖视图，如图3(c)、图3(d)分别为形体的半剖视图。在实际应用中到底采用哪种剖视图更简洁、准确表达形体的形状，要据形体复杂程度而异。图3所表达的形体采用全剖视图较半剖视图更简洁、清楚，如果用半剖视图，形体(f )对应半剖视图(d)使形体的理解不太直观，难以将左侧孔与内部实体联系上，半剖视图更多便于表达内部为空心体的形体，可见形体(e)对应半剖视图(c)有利于形体的分析理解，因此，合理选择图形视图要根据具体情况灵活处理，规范的使用要在适合的条件下可以采用不是一定要用，其目的是准确表达形体内部形状。在学习中应该多作形体特征比较分析，有效地锻炼思维能力，应用恰当方法表达形体空间组合关系。

图2 剖面图的表达

图3 对称形体

结合实际应用中图3表现的形体可以深化到机械制造中常见的阀体，建筑制图中的构配件之间的关系等。在工程制图教学中，可以渗入工业设计教学，同时也拓宽了工程制图的研究领域，使工程制图教学在培养复合性设计人才中发挥更大的作用[3]。不管是机械制图还建筑工程制图，剖面图和断面图都是工程图的重要部分。剖面图与断面图在工程制图中的应用，往往是学生在学习过程中的重点和难点，初学者往往不能掌握剖面图类型的应用，以及如何选择剖切位置才能够准确表达形体构形，需要对各种复杂形体进行正确分析辅之应用。

2 处理好形体空间位置关系

同样在此教学案例中，原文另一形体构型的设计：“ 利用虚线不能表达形体的前后关系这一特性（主视图中的两条虚线不能反映圆弧与斜面的前后关系，因此，该三视图对应多个立体构型）进行设计的。”如图4所示。

从投影图看出是学生对形体放置位置不恰当造成的不能表达形体的前后关系，图4三视图无法表达出三棱柱与曲面体的前后关系，在空间上出现的不确定因素源于表达方式不正确。图4(a)、图4(b)两种空间形体完全可以将三视图表达为如图5所示侧视图(a)、(b)相对应，就不会造成投影关系的不确定性，注意图中虚实线变化，区分不同形体。

图4 形体与视图不确定

图5 三视图

不能正确处理形体放置的位置，会影响对空间形体的理解。如果将图4形体再次变换，则三视图位置确定将会因形体的改变而进行形体放置位置的调整，如图6所示形体，此时形体如果还按图6(a)的位置放置，就会出现形体空间位置不确定的因素，原因是侧视图有两个形体均使最右边的曲面体不可见，不能确定四棱柱与三棱柱哪个处于曲面体之前，还是均处于曲面体之前。

图6 形体位置与视图

图6 与图4所表达的实体不同在于四棱柱的空间位置已经发生了变化。因此，在形体位置处理上，采用图6(b)放置形体位置，形体投影关系表达侧视图具有确定性，这也是学生在形体与视图处理中经常处理不好的问题，在教学中多做形体处于各种位置关系进行投影图比较分析，建立形体位置与投影关系的基本思维。投影与空间位置关系的处理，主视图表达中尽量避免和减少虚线，遵循构形应体现平、稳、动、静等造型艺术法则。同时，保证形体空间位置关系投影不能产生歧义。

需要教师从不同位置关系示范投影效果，比较各个方位绘投影图表达内容的差异，通过反复训练培养学生基本思维能力，以增强对形体的认识和理解。一般学生能看懂实体模型，将模型转换成投影图不知从何下手，教师理论上指导学生的学习方法，归结到理论基础在于应该充分理解基础理论直线和平面处于特殊位置和一般位置的深入研究。

3 教学分析

在教学中教师仅仅从学生的作业完成程度是不能完全把握学生实际掌握知识的程度，因为相当一部分学生为了获取较好的成绩，完全可以通过仔细模仿他人作业来实现。了解工程制图学习中学生的真实感受，以便在教学中把握难点、重点讲解并正确引导，教学中选择08级和09级2届工程造价专业和工程造价示范高职试点班近150位学生（简称：试点班）以问卷方式进行制图课程教学情况调查，调查要求学生结合专业课程学习反思制图学习的难点与重点，对制图与建筑工程图的识读学习的理解、认识进行综合反映。

3.1 工程图的学习难点调查

制图与工程图的学习难点调查结果如图7所示，反映出在工程图应用中平面图和立面图、详图索引与详图、尺寸关系等主要为工程图中表达方式学生普遍没问题，在投影理论、剖面图、详图和图形空间关系认识上存在学习难点，工程图的学习要求掌握的知识点，同样表现出基本知识是工程图的学习的难点。通过图7发现试点班与普通班在教学中反映存在差距，试点班教学体制是以工作过程为导向，专业教学课程贯穿于教学过程始终，学生在学习工程制图基础知识同时很快进入专业施工图应用，学生对工程图的熟悉与了解程度要先于普通班，从专业角度认识讲解详图，起到耳闻目染的作用，也表现出实践的指导意义，试点班对建筑工程图中详图的理解能力也强于普通班。

图7 工程图学习难点分析

3.2 工程图识读能力调查

工程图识读能力的培养，在多种教学模式下，学生对学习效果的反映各异如图8所示，调查表明所有班级近40%学生认为“多看工程图”是提高学习最有效的方式，实践教学方式分别采取抄绘建筑施工图与测绘房屋建筑的方式，学生认为测绘房屋建筑较抄绘建筑施工图学习效果更好。由此可见，学习中对现有建筑的观察、认识有利于增强学生直观感，缺少实体模型的教学，学生感到难以建立空间概念。实践教学以采用房屋测绘为主，而施工图抄绘作为图线练习与工程图基本表达方式学习放在制图课程教学中完成。

3.3 教学方法与学习方法调查

针对难点再进行细化调查项目，从教学和学习方法两方面进行调查，结果如图9所示，在教学方法上09级与08级学生反映不太一致，分析主要学习的主动性上存在差异，在掌握知识的灵活性上09级学生强于08级学生，但总的来说学生对用黑板作图与用课件教学认可度相差不大，课件所表现出的图形是以一种呈现的方式展示出，虽然配以动画，学生感觉就是一种放影过程；教师在黑板上作图思路和过程清楚，有助于结合投影关系理解。由此可见，实际教学中应该两种方式结合。

图8 施工图识读能力训练方法

图9 工程制图教学与学习方法调查

学习方法问卷调查普遍反映学习制图课程较苦，仍有30%学生（也是学得较好的学生）意识到应多做练习，学生在问卷中回答到：“平常应该多培养学生自我看图的习惯，也可以自己经常去画图，自己亲身去体验，这样不仅能够自我发现问题，而且问题纠正以后记忆也会更深刻。”而40%～50%的学生更倾向用模型教学，利用教学模型教学直观性强，教学中要求学生自行建模辅助学习，问卷调查学生普遍反映制作模型的准确性不高。这实际是一个对形体再认识的过程，从另一个侧面反映在教学中模型制作指导，也是教学中不可忽视的问题。因此，引导学生分组学习讨论、集思广益动手建立形体模型，在教学中起到了积极的作用。

3.4 图形表达能力调查

在应用模型教学中，怎样体现模型教学的特点？教学中通过改变实体模型及模型空间位置让学生完成三视图，初试结果如图10所示，能正确定三视图位置关系，表达正确的学生只占10%左右；知道改变形体位置，但仍然存在视图关系表达不正确的学生占30%左右；完全不知道怎样选择形体空间位置的学生占60%～70%。由此可见，应用模型教学应该着重指导形体投影位置关系是学习中的关键，如何准确把握需要在教学和学习过程中，通过一定的多方案比较练习，使70%的学生能够正确理解形体位置与三视图表达的关系；还有30%的学生仍然存在表达上不准确的问题，对空间形体的认识和平面图形投影关系理解存在个体差异性。让学生建立形体空间概念，具有较强的图形表达能力，通过多方案比较训练，并结合投影特殊位置关系从理论上深入分析、理解是有效的。