依托3D打印技术的《工程制图》立体教学法研究

陈占锋 李绪尧 卢科青

【摘要】《工程制图》是工学类专业学生的一门专业必修课，是研究工程图样的绘制和阅读的一门学科。工程图样的绘制和阅读，对于培养学生的空间想象能力和空间分析能力具有重要的意义。然而经过调研，部分学生认为该课程的内容过于“抽象”，不易理解。在知识理解的过程中学生缺少一种能够表达空间问题的工具，无法将书本知识与自身思维方式联系起来。因此，本文依托3D打印技术，建立立体教学法（包括立体教学、立体构形、立体打印），将抽象的知识以实体的形式表现出来。

【关键词】《工程制图》  工程图样  立体教学法  3D打印

【基金项目】杭州电子科技大学高等教育教学改革研究项目（编号：YBJG202028）。

【中图分类号】G64   【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2021）31-0173-02

工程图样是产品设计表达和技术交流的重要手段，是产品设计及制造部门的一项重要技术文件[1]。《工程制图》作为一门工学类专业必修课，要求工学类学生能够熟悉工程制图的国家标准，理解不同机件在工程图样上的表达方法和技术要求，熟练掌握图样的绘制与阅读方法。并且在该课程的学习过程中，能够让学生一边学习课本中的制图知识，一边能够培养他们的空间想象力以及空间分析能力，形成一个整体的设计构形能力。最后能够影响学生在今后的学习和工作中，养成一丝不苟、严谨的工作态度以及学习作风，树立正确的工程意识，为后续学习其它相关课程及将来从事工程技术工作打下扎实基础[2-3]。本文针对《工程制图》课程内容“抽象”的特点，依托3D打印技术，提出《工程制图》立体教学法，拟以改变课堂教学方式、配套课程辅助软件与工程实践三者结合的方式促进该课程的形象化教学与体验式教学。本文研究内容对促进教学工作、提高教学质量具有重要的作用和意义。

一、《工程制图》课程内容的两个“抽象”

《工程制图》是重要的专业基础课程，但在实际的教学体验中发现，学生对《工程制图》课程的学习热情并不高。学生普遍对该课程不感兴趣，认为该课程难学，究竟是什么原因呢？经过调研发现，大部分的学生认为《工程制图》课程的内容太抽象，虽然自己在努力地学习该课程，但自己的空间想象能力不足，不适应《工程制图》三维立体与二维图样之间的切换思维[4-5]。所以“抽象”是学生学习《工程制图》课程的主要障碍。

学习《工程制图》课程的目的是用图样完整、形象地表达设计者设计的产品或零部件，但课程本身的学习却是“抽象”的，学生认为该课程内容“抽象”，主要表现在以下两个方面[6]。

（1）教师讲授过程抽象。《工程制图》课程的主要对象是图，包括三维图和二维图。目前的《工程制图》课堂与其他课程的课堂没有本质的区别，以教师讲解为主。教师一般用多媒体课件进行讲解，但多媒体课件的内容一般与课本中的内容基本一致，即课件的内容没有充分呈现出多媒体的特性。教师传授知识的过程是将课本中二维式的图形及说明文字转化为一定的思维形式，然后将这种思维形式传递给学生;学生接受知识的过程表现为接受教师思维的过程。所以，目前的《工程制图》课堂上，知识的传递过程是思维与思维的触碰，也即抽象形式与抽象形式之间的触碰。然而由于知识背景的不同，教师和学生的思维结构存在较大差异，从而导致思维与思维的触碰耦合度不高，教师与学生之间形成的有效思维传递通道较少，课堂上随着上课时间的推移学生容易产生思维疲倦。

（2）学生接收过程抽象。《工程制图》课程的授课对象为大学一年级的新生，《工程制图》的知识形式、思维方式、学习方法与高中阶段的课程有较大区别。学生在自主学习过程中，要理解教材中图文的含义，需要结合丰富的空间想象能力和形象思维能力，大一新生可能还未从高中教学的思维模式中转变过来，可能不适应这样种涉及很多空间构型的思维方式。在图学知识的理解过程中学生缺少一种能表达空间问题的工具，缺少一种能连接书本知识与自身思维方式的手段。由于图学知识理解过程的抽象性，很多学生反映《工程制图》课程不合适学生自学。

二、课程的“抽象”对学生的影响

“抽象”的直接结果是学生在《工程制图》的课堂上缺少参与感与体验感，从而难以激发学生学习该课程的积极性与主动性。

（1）学生缺少参与感。目前《工程制图》的课堂教学普遍由教师主导，教学过程中教师和学生的交流与互动较少，教师的教学过程趋于机械化、程式化，教学过程主要求形式的合理性。由于课程知识“抽象”的特点，二维式的PPT课件难以持续牵引学生的注意力。

（2）学生缺少体验感。在课程学习前，学生对《工程制图》课程的期望是体验机械美学，能够通过《工程制图》体验立体的机械世界;能够利用《工程制图》知识展现自己设计的数字化作品;能够触碰到自己所设计产品的实物模型。然而现实的课堂是枯燥的，除了画图还是画图，有时候画了很长时间也没有能够画出正确的图形，体会不到学习该课程的乐趣。

三、《工程制图》立体教学法

《工程制图》立体教学法包括三方面：立体教学、立体构形、立体打印。其中立体由图解教学法实现;立体构形利用“教师—学生—软件”（Teacher—Student—Software TSS）三方互动教学法实现;立体打印利用3D打印技术实现。各种支持方法的具体实现方式如下所述。

（1）图解教学法——立体讲授。图解教学法的目标是尽最大可能将《工程制图》课程中的知识点用图形、图像的方式表达出来，利用图像的形象性，使学生比较容易地理解、接受抽象的图学知识。图形表达方式包括图片、动画与视频，其中图片用于静态地表达知识点，如平面立体的三维形状、滚动轴承的实体照片等。视频能动态地表达知识点，但视频的制作较难，且表达的灵活性不大。另外视频比较独立，在视频的放映过程中教师很难与视频进行协同教学。相对而言动画的可制作性、知识表达的灵活性与可互动性都较好，所以在《工程制图》课程教学过程中拟以动画的形式表达作图步骤，图解整个作图流程。比如以动画的形式表达尺规作图时的每一个动作、平面截切立體形成截交线的过程、立体与立体相交形成相贯线的过程、平面剖切立体形成剖视图的过程、单体零件装配形成部件的过程等。

（2）“教师—学生—软件”三方互动——立体构形。培养、训练《工程制图》三维构型能力的最好方式是实践，然而加工、制造实体零件的成本过高，且学生群体数量较大，全覆盖的加工、制造实践不太现实。但是目前可使用的三维CAD造型软件较多，软件可以有效地将学生的设计思路、构型思维转化为三维数字化模型，且使用成本较低。

目前的《工程制图》课程教学大纲中规定了上机学时，但主要学习AutoCAD二维工程图绘制方法。且上机课与课堂教学相对独立，学生通过4个学时的上机课程一般还不能熟练地掌握软件的使用方法，而课外主动进行计算机绘图实践的学生也较少。

“教师—学生—软件”三方互动教学的目标是充分利用学生现有的智能终端资源，发挥学生喜欢摆弄智能终端的兴致，利用三维造型软件将学生的形象思维、空间想象力、三维构型能力即时地转化为三维数字化模型。

在教学过程中实现“教师—学生—软件” 三方互动教学组织方式的主要思路：①在《工程制图》上机课上，指导学生学习三维建模软件UG;②在《工程制图》课堂上，展示各种由UG软件完成造型的模型，并穿插性地通过UG三维造型进行解题;③在《工程制图》课堂上，鼓励学生使用三维建模软件UG求解课堂问题;④在《工程制图》课后，鼓励使用三维建模软件UG代替手工绘图;⑤为提升三维建模软件UG的使用热情，在课外建立3D建模兴趣QQ群，实时交流，在线交流与《工程制图》课程同步进行。

（3）3D打印技术——立体打印。软件虽然可以较好地表达学生的空间构型能力，但软件形成的是数字化模型，目前数字化模型一般通过二维屏幕显示，所以还是不能以最直观的形式展现三维模型。实践是发现问题、解决问题的最佳途径，实物模型的展现与操作是学习《工程制图》的最好形式。如前所述，实际加工或制造实物模型成本较高，不具实际操作性，但目前流行的3D打印技术可以用较小成本实现实物模型的展现。

3D打印是一种快速成型的技术，它是基于数字模型文件，采用粉末状金属或塑料等粘合材料，最后通过逐层打印的方式来获得目标物体的技术，运用3D打印技术来实现实物模型触碰的主要思路：①以3～4名学生组成一个小組，将班级中的学生分成若干组;②每个小组分配一个三维造型任务;③各小组将设计好的三维模型数据导入3D打印机，由3D打印机加工出所设计模型的三维形状;④各小组对打印出来的模型进行后处理;⑤开展一次“3D建模”作品展，各小组之间相互品评，交流心得体会。

四、总结

本文通过调研与问卷，进一步明确学生对《工程制图》课程的知识需求与学习障碍，即课程学习的三个抽象性。通过对图解教学法的研究，将抽象的理论知识转化为图形图像。将3D打印技术引入课堂，形成“教师—学生—软件”三方互动教学法，使学生在《工程制图》课程理论知识学习的同时，初步具备三维立体造型的能力，使学生的立体思维可视化。

参考文献：

[1]张彤，刘斌，焦永和.工程制图[M].第三版，北京，高等教育出版社，2020.

[2]黄坤城，中职学校“互联网+”3D打印课程改革研究——以厦门市海沧区职业中专学校为例[J].计算机产品与流通，2020（3）

[3]孙英浩，谢慧，新工科理念基本内涵及其特征[J]. 黑龙江教育（理论与实践），2019（Z2）

[4]赵鑫，可丹丹，蔡颖，宋金玲，胡峰.《3D打印材料与技术》课程的教改认识与实践[J].教育教学论坛，2019（18）