制图课程教育中空间思维的培养

2022-09-10

工程制图的教学一个主要任务是培养学生的读图能力。读图能力的培养, 在教学中既是重点, 又是难点, 而且是很多学生学习工程制图的关键和瓶颈所在。学生的空间想象能力, 或者称作空间思维, 对于读图能力的掌握几乎是起决定作用。虽然我们在教学中很强调空间思维, 但在实际的教学操作和教材中, 都没有足够的培养学生空间思维的环节。笔者认为有必要在教学时间和教学方法上加大对学生空间思维培养的投入。

1 学生的思维习惯

人的思维可分为逻辑思维、形象思维和灵感思维。[1]其中逻辑思维和形象思维是能在教育活动中学习掌握的。学生从中学毕业后, 沿袭的学习思维主要是平面思维和逻辑思维。其中平面思维属于形象思维的一种。

中学时期, 能让普通学生以图形方式思考问题的课程主要是两门数学:平面解析几何和立体几何。在这两门课程中空间思维只是一个观察问题的手段并未上升到成为解决问题的手段。因此绝大部分学生中学毕业后, 学生的思维方式主要还是平面思维和逻辑思维。

在工程图学中, 与逻辑思维相比, 更重要的是形象思维, 尤其是以空间想象能力为基础的空间思维。[2]因此, 加强学生的空间思维能力, 使学生空间思维和原有的逻辑思维顺利对接, 是工程图学教育中一项主要任务。

2 目前培养空间思维的教学方法

目前很多学校的教学顺序是制图基本知识, 点线面的投影, 立体的投影, 组合体的视图, 轴测图, 机件表达方法, 标准件与常用件, 零件图, 装配图。其中制图基本知识一章为总体介绍, 点线面的投影一章主要还是运用逻辑思维。到立体投影一章开始要求学生以空间思维为主去分析和求解问题。目前在教学中的空间思维培养的方法或环节有:

2.1 让学生在绘图时自行摸索空间思维的思考习惯

空间思维是一种发散性思维。由于无固定的思维模式, 因此学生不可能通过教师讲解某一个实例的思路而完全掌握其他。一般教师会布置多题刺激空间思维的题目 (如“二求三”的题目) 让学生练习, 让学生在作业中逐渐摸索和适应空间思维的方法。

2.2 课堂上以模型 (实物或课件中的三维模型) 配合教师的讲解

有一个实体模型给学生观看, 能够理顺学生的思路。实体模型制作的成本大, 而且携带不便, 更好的方法是在教学多媒体课件中制作模型的立体图片或者动画。

2.3 以形体分析法和线面分析法作为思路法则

但目前在形体分析法教学中, 缺乏一种方法让学生记录思维过程。而在线面分析法中, 如何使空间思维和逻辑思维更好地结合, 也是一个值得探讨的问题。

2.4 构形设计方法的简介

构形设计就是根据信息不完全的平面视图, 通过发散性的空间思维构想出多种三维形体。这种发散性就是空间思维的特点, 构形能力其实就是空间思维的主要部分。事实上, 解题的一个非常有效的方法就是根据已知视图中某些信息, 发散性地构想出多种可能的形体, 然后再根据视图中的其他信息, 去排除和验证, 确定哪个形体为正确答案。或者简单地说, 就是一个“猜想-验证”的循环过程。但在目前教学安排中, 我们只有专门的一节课讲述形体的构形设计。

2.5 轴测图教学

轴测图对于培养学生的空间思维、实现学生的逻辑思维和空间思维对接过渡有很重要的作用。但由于实际生产设计中, 轴测图用得较少, 所以我们在实际教学中有轻视轴测图的现象, 往往只略提一下正等测, 斜二测经常不讲。我认为这对学生空间思维的培养是不利的。

总的来说, 我们教学方法在空间思维培养方面存在以下问题:未能有一种较固定的方法引导学生空间思维的成长。在学生做作业之前, 教师应有一种操作方法引导学生作业的完成, 减少学生盲目摸索的时间;需要有一种方法能帮助学生“记录”他们的想象过程;构形设计方法的讲授时间和深度需要加大, 需明确培养“猜想-验证”的思维方法。

3 空间思维的培养方法

对于加强学生空间思维培养, 和解决上面提到的教学问题, 我认为需从以下几方面着手:

3.1 强调空间思维

对学生强调空间思维, 说明空间思维与逻辑思维的区别, 让学生有意识地促进空间思维的形成。这步工作在开始讲立体投影的时候需要插入。对于很多题目, 例如“二求三”的题目, 要及时纠正有些学生想用平面推理解题的想法, 引导他们用“猜想-验证”的思维方法解题。

鼓励学生自觉地做一些画画的简单练习。例如鼓励他们有空的时候画一画自己的笔盒和铅笔的外形, 或者画一画身边常见的简单物体, 如课桌、水瓶等。画得好不好不要紧, 主要是让他们认识以三维空间的形式思考问题。

3.2 用实物模型帮助学生的思维方式向空间思维转变

很多学生由于以前为接受过相关训练, 一开始对空间思维的方法很不习惯。教师可以在课堂上用实物模型做示范, 并且在课件中适当做多一些三维模型, 这样讲解起来学生就容易理解一些。但是更加有效的方法是在学生独立思考时 (如做作业时) 有一个实物模型帮助思考。所以我建议给学生买一套橡皮泥的玩具。学生在独立思考时, 可以用小刀切削出基本形体, 可以在形体上切削、穿孔, 可以把他们粘在一起形成组合体, 甚至可以切断形体研究剖视图。有实物对照, 学生就不会感到抽象。要求学生把眼睛看到的东西 (沿一定视图方向) 画下来, 则工程制图的很多概念和方法就会很形象地掌握。开始时, 鼓励他们用橡皮泥, 渐渐再要求他们把橡皮泥的立体形状画出来, 再要求他们不再用橡皮泥, 直接通过画立体草图在纸面上思考。这样有顺序, 分阶段地锻炼, 学生就会更容易向空间思维转变。

3.3 徒手轴测图的练习

轴测图的理论和画法, 每本工程图学的课本都有一章去介绍。但实际上由于实际生产设计中轴测图用得较少, 所以我们在实际教学中有轻视轴测图的现象, 往往只花一节课去学习。我认为这对学生的空间思维的培养是不利的。前面说过, 学生在进行空间想象的时候, 缺少一种方法去“记录”他们的想象过程。而轴测图正是可以在纸面上记录和推理的一种方法。学生也反映, 如果一个题目先给出轴测图, 问题就会变得容易。这种方法的操作难点在于学生未经足够的训练, 往往画不出轴测草图。所以我认为教学中应把徒手画轴测草图作为一个能力培养的重点。虽然生产设计中轴测图用得较少, 但它却是培养学生空间思维的一个桥梁。徒手轴测图的画法和尺规画法原理一样, 只是不用尺规, 开始可以让学生在格子纸上绘制, 练习多次以后, 在要求学生在白纸上作图, 在没有格子量度的情况下使学生学会保证平行, 控制比例, 从而保证作图的准确性。