认知结构理论视角下的制图教学研究

2018-04-02闫金星李丽萍

科技视界 2018年3期

闫金星李丽萍

（1.中国空间技术研究院西安分院结构技术研究室，陕西西安 710100；2.西安邮电大学理学院，陕西西安 710121）

画法几何及工程制图是工科类大学生的一门重要技术基础课，以研究阅读和绘制机械图样为主要内容，以培养学生工程意识和空间思维能力为主要目标，让学生掌握读图和绘制的基本技能。尽管制图课程教学一直在不断地改革与优化，然而学生的应用能力仍相对较低。心理学家认为，教学实践只有遵循学生认知规律、掌握学习内在机制，才能真正提高学生学习效率和学习效果。对制图教学的实践总结发现，教师对学生认知特点缺乏一定的了解和研究，是导致教学效果不理想的根本原因。本文试图从认知结构理论视角探讨制图教学规律，多角度阐述如何培养学生的工程意识和空间思维能力，进而促成学生构建良好的制图认知结构。

1　关于认知结构理论

1.1　对认知结构的理论梳理与概念认识

对认知结构的阐述，学者们说法不一，常见于心理学理论，尤其是认知心理学理论。为了对认知结构理论有一个完整而全面的认识，从而更好地服务教学，整理文献资料[1-6]并归纳其理论发展如表1所示。

表1　认知结构理论的发展

认知结构理论的形成是一个不断发展和完善的过程，该理论不仅仅指个体的知识结构，还应包括个体以感知和理解客观现实为基础的，在头脑中形成的反应事物间关系的内部认知系统，是人的心理活动机制。

1.2　学科认知结构模型

认知结构是学习理论中的一个重要概念，学习过程也是认知结构不断完善、重新组织的过程。为科学培养学生认知结构，促进有效学习，将学科认知结构模型化，如图1所示。

图1　学科认知结构模型

学科认知结构分为输入层、操作层与输出层，围绕学科信息与学科知识的转化而展开。认知结构的形成和完善是学生接收到学科信息后，在原有学科知识基础上的筛选、匹配、储存、提取，进而同化或顺应，经过头脑对信息的再组织等系列大脑操纵，产生新的学科知识的过程。新的学科知识是对原有学科知识的补充和调整，是对认知结构的优化，是认知结构处于平衡-不平衡-平衡的动态发展过程。

2　关于制图教学

2.1　物体知觉的启示

认知心理学中的物体知觉理论[7]指出，面对许多不同走向的线段，我们往往按照接近、相似、良好连续、闭合等一系列原则将对象组织成单元，若要识别由多条线段构成的图形结构，关键在于分割，可以用分割的概念来描述如何划分更复杂的三维构造。工程制图中的空间思维是大脑对物体或几何元素的空间属性（形状、位置）的直接或间接的反映[8]，多个思维片段的有机组合，形成对工程图样的个体认知。由此受到启示，结合初学者工程制图学习的认知规律，将制图教学内容合理划分，由易到难，明确课程知识体系结构，让个体认知结构渐进式发展。

2.2　制图课程知识体系分析

奥苏贝尔指出，条理化、结构化和整合化的教学内容显得尤为重要。掌握学科的基本结构，理解内容间的内在联系，有利于学生缩小原有知识与目标知识间的距离，便于发展学生认知结构。基于学生认知规律，画法几何及工程制图课程知识体系如图2所示。

图2　工程制图课程知识体系

画法几何及工程制图由两部分构成。“画法几何”部分具体研究空间点、线、面等几何元素的投影特性及在平面的表示，其中，三视图的投影规律及点、线、面的投影特性，是制图课程的基础知识，基本体的投影（包括立体的投影、截交线、相贯线的画法）是学习的重点与难点，画法几何内容的学习过程也是对学生空间思维能力的培养过程。“工程制图”部分具体研究工程图样的绘制，是“画法几何”原理在工程中的具体应用，包括组合体的投影、轴测图与计算机绘图、机件的表达、零件图与装配图的绘制，着重锻炼学生画图、读图和工程应用等能力，此处教学难点是组合体的投影和装配图的绘制。

2.3　学科认知结构模型指导下的制图教学

认知主义认为，教学是帮助学生建构自己知识经验的过程，是促进外部的知识结构内化为学习者内部认知结构的动态过程[9]。学习是学生以原有知识为基础，进行个体意义认知建构的过程。制图中的空间思维过程通常表现为人脑对图样的分析、判断、总结与归纳，是对课程内容的同化、顺应和重新组织，以图纸上的二维图样来表达三维空间几何元素的过程。学生空间思维能力的培养和制图认知结构的优化可从制图教学以下几方面进行。

2.3.1注重绪论课的讲授

工程制图是大学生入校后接触的第一门技术类基础课，学生在此之前虽然没有系统学习过相关内容，但有研究指出[7]，以识别物体在三维空间的位置和形状的能力为基础的视觉加工很大程度上是与生俱来的。婴幼儿似乎就已经能够识别物体及其形状并且能意识到物体在三维空间中的位置。如能借助第一节绪论课，从学生当前认知状态出发，寓教于乐，从什么是制图，为什么要学习制图，制图课学什么，制图课与其他专业课程有什么关联等系列问题着手，让学生对制图课程有一个初步的认识。随后可结合当前制图发展趋势，引入计算机绘图、三维建模技术等，激发学生学习兴趣。最后让学生了解制图课程知识体系与学习目标，从我们将如何学习制图课程入手，对今后的制图学习做一规划，让学生建立起学好该课程的信心和决心。

2.3.2注重课堂授课方法

制图教学中，让学生掌握正确的分析方法是引导空间思维活动进行的有效途径。

（1）对比法教学：对比教学法在制图教学中是以多个立体作比较，让立体几何元素的差异在学生头脑中思维、确定的教学方法。对比教学能有效降低学生对图样的理解难度。以半球体截切为例，有两个半球体，分别被三个平面所截切，已知截切后的主视图，要求补画俯视图和左视图，如图3所示。

图3　半球体截切正投影图与立体图

球体截切的难点在于纬圆半径的确定，倘若如图3所示将相似的立体作对比，通过特殊点A、B的位置分析，图样所表达的半球体构造很容易被学生所接受。

（2）归纳引申法：不仅是对各章节内容知识点的总结凝练，也包括同类题型做题方法的归类和在此基础上的延伸，是学生“举一反三”能力训练和认知结构完善的有效途径。如图4所示，平面截切圆柱体所形成的截交线的形状随截平面与圆柱体轴线的位置变化和变化[10]，类似此类知识点的归纳总结，能让学生提纲挈领，掌握制图知识的精髓，做题时，只需判别截平面与圆柱体轴线的位置关系，再依据形状进行投影，即可解决问题。

图4　平面截切圆柱体

学生作为课程初学者，实际所具有的认知结构与教师认为学生应有的认知结构不一定匹配[1]。因此，教师应对学生原有认知结构进行了解，确定新知识与学生已具备知识间的差异，制造认知冲突，通过差异的消除，达到新旧知识整合而优化原有认知结构。

2.3.3合理使用多媒体

制图教学中三维模型全方位展示、立体截切过程演示、组合体拆装演示等形象生动的图片、动画资源，能有效激发学生学习兴趣，对学生快速建立空间概念能起到很好的作用。但多媒体教学只是传统教学方式的辅助与补充，其运用要适度，要根据制图教学特点合理选择教学内容。如立体表面上点的投影，可在幻灯片上展示立体图片，让学生直观地感受点的位置，但三视图的作图步骤采用黑板板书的方式则更利于初学者对九字投影规律的掌握。

2.3.4讲究习题课策略

习题课是以学生作业、平时测验为基础，掌握学生当前学习效果为前提，对日常授课的有效补充。习题课不应是纯粹的习题讲解，还应包括对已学知识的梳理、辨析和应用，目的在于巩固学生所学知识的“薄弱”环节，加深学生对知识的理解及知识间内在联系的把握。制图习题课要注重学生基础和认知水平的差异，采取分层教学法，帮助学习吃力的学生重新理解知识点和做题方法，同时可设计拔高练习，满足学有余力的学生需求。还可采取学生上讲台代替教师讲习题的方式来促进学生学习主动性。

2.3.5结合Auto CAD实训、金工实习

Auto CAD等软件具有丰富的视图生成功能，实训过程中，学生不仅能体验三维造型过程，还能利用软件将三维模型转换成二维工程图样，这对提高学生空间思维能力帮助很大。金工实习能让学生进一步了解图样与生产加工之间的关系，让学生在三维空间中直接感受三维实体，是发展空间思维和创造力，锻炼学生动手能力，培养学生工程意识不可或缺的实践教学。