SketchUp辅助空间图形教学的探索——以通用技术图样教学为例

许建明

浙江省桐乡市凤鸣高级中学(314500)

空间想象能力是人们对事物的空间形式进行观察分析以及认知的抽象思维能力，在高中理科中占据了非常重要的地位。而通用技术是一门立足实践、注重创造、体现科技与人文相统一的课程，在其学科核心素养中要求学生会识读简单的机械加工图；会用手工或二维、三维设计软件绘制简单的技术图样；能通过图样表达设计构想；会用技术语言实现有形与无形、抽象与具体的思维转换。

1 空间图形教学中的难点

通用技术中的空间图形主要体现在简单的设计草图、三视图以及工艺加工流程3个方面，在历年选考真题中所占比重较大(见图1)。实际教学中也存在许多难题，主要有：①一般设计草图来源于生产生活，其构思和表达都需要一定的空间想象能力；②三视图是由简单图形的切割、组合而来，多而奇，生活中不常见且较难想象；③学生绘图基础薄弱，学习任务重，缺少绘图时间。皮亚杰的儿童思维发展阶段理论也强调了思维从具体到抽象的发展过程，因此教学中如何顺应这个过程是教师必须面对而又亟待解决的问题。

图1 历年技术选考空间图形分值比重图

2 SketchUp在通用技术教学中的应用

2.1 SketchUp的特点

SketchUp是一款界面简洁、操作简单、素材丰富的三维模型设计软件，可在其中像用铅笔一样作图，可画线成面，挤压成型，非常适合学生和通用技术教师使用。通过相应操作可以直观的看到和导出各向视图、剖视图以及效果图等。当然利用其尺寸功能既可快速添加尺寸标注得到机械加工图，在尺寸标注的规范化方面对学生也有很好的引导作用。支持动画导出功能，可轻松方便的将设计方案通过视频方式呈现出来，全方位表达设计者的创作思路。

2.2 SketchUp破解草图设计教学难点

草图设计一直是通用技术教学中的重点与难点。不同于一般的知识点，针对具体问题，它一方面要求学生能根据生活经历或是在经验的基础上提出符合要求的构思方案；另一方面还要能将设计方案用立体图的方式表达出来，对学生的综合能力要求较高。下面以考题为例，简述SketchUp如何突破草图设计教学难点。

张民同学发现结冰的路上有人滑倒，于是用木板制作了如图2所示的警示牌。现在需要用3 mm厚、30 mm宽、长度足够的条钢制作一个警示牌支架(辅助材料不限)，设计要求如下。

图2 警示牌

A.安装支架后的警示牌能稳定地摆在地面上，警示牌总高度不低于500 mm；

B.安装支架后的警示牌能放入内部空间为500 mm×400 mm×30 mm的盒中。

请根据上述设计要求和警示牌的尺寸，完成以下任务：

(1)画出支架结构的设计草图(警示牌可以不画)，必要时可以用文字说明；

(2)在设计草图上标注支架结构的主要尺寸。

对于设计题的解题主要是构思和表达两方面，传统教学中一般是让学生用某些实物类比或是教师随意表达，这种方式不能形象的将构思表达出来，不利于学生绘图能力的提升。但借助SketchUp只需几个步骤就可以很好解决这个难题。

(1)在SketchUp界面中用“矩形”工具画出400 mm×394 mm×100 mm的矩形,如图3(a)所示。

(2)用“推/拉”工具将矩形拉成长方体，如图3(b)所示。

(3)用“直线”工具画出切割线，如图3(c)所示。

(4)用“推/拉”工具去掉多余部分，如图3(d)所示。

(5)用“形状”下拉中的“圆”画圆，并用“推/拉”工具推出形成圆孔，最后用“工具”下拉中的“尺寸”标注必要尺寸，如图3(e)所示。

其他设计方案亦可采用同样的方式：在引导学生构思好方案后，先让学生从不同角度观察立体图形，然后教师示范，再引导学生纸上作图。

图3 设计警示牌支架

2.3 SketchUp作为三视图教学媒介

三视图主要考查正反两个过程，即从立体图能判断出其各角度的三视图，从给定的三视图(一般缺少3条线)能画出对应的立体图。传统教学中一般是用板书的形式，利用投影法、切割法和组合法引导学生得出三视图或立体图，但对于那些空间想象力薄弱的学生来说教学效果很不理想。为此可借助SketchUp采用课堂“直播”或是学生上机实践的方式，让学生对立体图与三视图之间的转换过程有直观的体验，培养其空间想象能力。

例如，从给定的轴测图、主视图和俯视图，判断其左视图。为此可采用以下步骤快速引导学生得出正确左视图。

(1)教师先画出轴测图，用“环绕观察”工具让学生从各个角度观察轴测图，使学生对整体有更加直观的认识，如图4(a)所示。

(2)接着用“相机”工具勾选“平行投影”，点击“视图”中的“边线样式”勾选“后边线”，最后点击“相机”中的“标准视图”分别勾选“前视图”“顶视图”“左视图”即可，如图4(b)所示。

图4 根据轴测主视和俯视图判断左视图

三视图逆过程的考查一直是选考中的难点，它要求学生熟练掌握三视图的投影规律并有较强的空间想象力。解题思路一般是先根据残缺的三视图确定其可能的立体图，并受缺线条数的约束，而后根据立体图将三视图补充完整。教学中借助SketchUp引导学生一步步切割出立体图，可以让学生看到切割过程，为之后的空间想象提供素材；能让学生更好的掌握切割法，为纸上作图打下良好的基础；能激发学生学习兴趣，提高三视图教学效果。

2.4 SketchUp还原工艺流程

课程标准中要求学生知道常用工具、基本设备的使用方法，根据设计方案要求进行材料选择，独立完成模型。由于各方面的原因，学生不太可能有较多的时间进行金工和木工的实践操作，对很多模型的加工流程仅仅停留在理论方面。为此教师可在SketchUp环境中模拟工件的加工过程，让学生直观、形象的理解其加工流程。

如图5所示，为了能用矩形钢加工出(d)图中的零件，

首先教师引导学生在给定长方体上划线；

图5 零件加工流程图

对于半封闭类型，从加工的便利性和精度考虑，一般是先钻孔后锯割，于是教师引导学生先钻出(c)图中的大孔和小孔，接下来就是锯割槽，最后锉削锯割面得到所需零件。在整个演示讲解过程中，每做一道工序都让学生回顾其用到的工具、加工方法及注意事项，而且整个呈现过程是动态的，使学生能够切身感受到加工过程。

3 结束语

当然SketchUp还有很多非常实用的功能，如：①教师可通过它强化学生对知识的理解和运用；②可以优化教学模式，提高教学效率，享受信息技术为教学带来的便利与乐趣；③可以培养学生的空间想象能力和计算机辅助设计能力。

“千言万语说不清，一看实验便分明。”在信息技术高速发展的今天，其实教学中很多抽象的概念、原理、变化过程等都可以用计算机技术形象的表现出来，计算机辅助教学已经成为当代教学模式中重要的组成部分。