工程教育认证背景下工程制图教学中空间思维能力培养

王小章

摘 要 空间思维能力的培养和提升是工程制图课程的重要目标。教学过程发现空间思维能力薄弱的主要原因是抽象思维能力欠缺，导致三维几何重构时空间思维和抽象思维交替过程不顺畅，即无法在二维平面图和三维空间立体之间自如地转换。按照工程教育认证要求和原则，提出了通过课程内容重组、教学方法改进、开展空间思维训练、强化观察等方法来培养学生的空间思维能力。空间思维能力的提高不仅改变对事物的认知和思维方式，更能全面促进创新创造能力的提升。

关键词 空间思维 工程制图 思维培养 抽象思维

中图分类号：G424                                 文献标识码：A  DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.12.030

Abstract The cultivation of spatial thinking ability is an important goal of the engineering drawing course. It was discovered that the main reason for the lack of spatial thinking ability was the lack of abstract thinking ability， which led to the insufficiency of the alternating process of spatial thinking and abstract thinking during 3D geometric reconstruction， that is， the inability to switch freely between 2D plan view and 3D space. Accordance to the requirements and principles of engineering education certification， strategic methods are proposed to cultivate students' spatial thinking ability such as course content reorganization， teaching method improvement， development of spatial thinking training， and intensified observation. The improvement of spatial thinking ability not only changes the cognition and way of thinking about things， but also promotes the improvement of innovation and creativity in an all-round way.

Keywords spatial thinking; engineering drawing; thinking training; abstract thinking

工程教育認证的核心理念是OBE （outcome-based education），即以学生产出为导向的教育理念，贯彻以学生为本、关注学生最终学习成果的教育模式，并注重持续改进原则。[1]OBE已成为发达国家教育改革的主流理念，保证专业教育质量和教育活力。我国高校在进行工程教育认证和实施OBE理念的过程中，仍存在诸多问题和不足，如重理论教学、轻实践训练、课程内容过时、考核方式单一等，亟须进一步的改革和提升。

工程制图是工科学生的一门基础课程，以培养学生的读图、绘图、空间形体的形象思维、构型设计、工程实践和创新能力为主要目标，逐步养成工程意识、严谨的工作态度，并提高创新能力。[2]教学目标要求学生的思维能够在二维平面和三维空间进行顺利转换，完成工程图样的绘制、阅读等任务。然而在教学过程中，部分学生反映课程难度大、作业耗时严重、甚至出现无法完成的情况。究其原因，主要在于部分学生空间思维能力较低而无法跟上教学进度，对课程知识点掌握不全，最终导致学习任务和作业完成困难，甚至出现了畏难心理、厌学、弃学的情况。本文针对工程制图中空间思维能力培养的难点问题进行研究，贯彻工程教育认证的OBE理念，改进教学方式和思维训练方法，探索提高工科学生空间思维能力的策略和方法。

1 工程制图中空间思维能力

1.1 空间思维能力

工程制图中的空间思维是人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。研究表明，空间思维源于形象思维，其处理的对象可以是眼睛直接观察的对象，也可以是人脑思考产生的理性材料。空间思维过程注重三维几何空间的构建，而不关注对象的其他特征（色彩、表面等）。空间思维经常需要抽象思维的引导，并与之交替进行，通过分析、判断、归纳、概括等完成三维几何空间的构建。工程制图采用正投影法来解决空间立体的平面表达问题，要求学生的思维能力顺利地实现从立体到平面、从平面到立体的可逆转换过程，即工程图地准确绘制和正确读图。此可逆转换需要两种不同思维方式的交替来分析和解决问题。[3]以课程中组合体读图章节中补画第三视图题目为例，空间思维能力差的学生的表现大致可分为三类：看不懂画不出、能看懂画不出、能看懂画不全。第一类情况的思维方式仍停留在平面模式上，对投影理论和三视图知识未掌握。第二类状况具有了一定的空间思维能力，能够完成一部分的立体构建，但缺少抽象思维的分析能力。第三类学生不仅能够完成三维立体重构而且能实现二维图样部分转化，但对立体结构投影后的细节仍无法做出准确的判断。由此可见，解决空间思维能力薄弱的关键环节是强化抽象思维中的分析、判断等能力。

1.2 学生空间思维能力薄弱原因

根据教学过程观察和分析，学生空间思维能力薄弱原因主要有以下几个方面。[4-5]首先，工程制图课程多在大学第一、二学期开设，此时学生尚未进入专业知识学习阶段，缺乏相应的工程实践知识和体验，只能被动地跟学和练习，导致空间思维能力较差。其次，这一阶段的学生更习惯于理论知识记忆和推导，而对空间立体的知识结构掌握不全，无法开展高一级的抽象思维。再次，按照既往的学习经历，学生们更多地习惯于将立体转化为平面表达，缺少从平面到三维立体拓展的意识和能力。最后，大量学生更将空间思维能力与制图课程错误地关联在一起，仅仅满足于完成学习任务通过考核，忽视了空间思维对自身综合能力发展的影响——没有意识到空间思维能力的提升能够进一步激发人的想象力和创造力。通过形象思维和抽象思维的交替，可将具体事物抽象化，也可将抽象事物具体化，促进认知能力和创新能力在更高层面上拓展。

从以上的分析可知，工科学生空间思维能力薄弱的根本原因是空间思维和抽象思维交替过程不顺畅。其空间思维能力多集中于二维平面模式而无法顺利切换至三维空间模式。在学习过程中，虽然能够掌握简单几何体的三视图投影，但对各类组合立体中基本几何体的空间相对位置、连接关系、布尔操作等方面仍缺乏正确的理解。无法通过抽象思维的假设、推理、判断的方法完成立体的建模和视图投影。因此，对工科学生进行立体空间抽象思维训练是提升其空间思维能力的有效手段。

2 工程制图中空间思维能力的培养

工程教育认证OBE体系要求以学生为中心、教学效果输出为目标。工程制图课程的一个重要目标就是对学生空间思维能力的培养，通过对几何体的形象思维认知和抽象思维重构，思维活动能在二维平面和三维空间自如地切换。要实现此培养目标，就需要开展课程教学内容、教学方法改革，适当加入辅助性的思维训练实践、提高工程体验等措施。

2.1 教学内容重组

按照认知理论，人对事物的认知是从形象思维开始进而展开抽象思维，直至形成完整的知识体系。课程教学也应遵循此规律，以取得高效的教学输出。然而，现有的制图课程部分教学安排并未按此规律进行。例如：教学中通常以“点—线—面—体”的次序讲授立体的投影知识。此种方式初看由简入繁便于理解，但（除顶点、棱线外）一般的点、线知识都属于从立体中抽象出来的对象，缺少立体本身的形象和直观特点，容易造成学生理解困难，教学效果也较差。相反的，如果采用“体—面—线—点”的顺序，即先建立立体投影概念，再推导出面、线、点的投影特点则更符合认知规律，也更易于被学生理解和接受。授课时先利用体的三视图推导出各种面的投影特性，再通过不同位置面的投影引出线的投影特点。最后利用平面与直线的空间几何关系和画法，得出点与线、面的投影关系和面内取点的方法。由此可见，在教材编写和教学内容组织时需要遵照认知规律进行调整、改变知识点权重比例，以满足教学目标的要求。

此外，在教学中增加三维立体建模知识也是提高学生空间思维能力的有效方式。通过讲授立体建模知识，可让学生理解不同几何体的构造方式、形成过程，以及各部分间的组合操作。特别是对基本几何体组合时相互间的定位方式、连接关系，以及布尔操作过程的理解，更能促进抽象思维能力的提升。

2.2  教学方式改变

为增强学生对空间立体和投影的认识，课堂教学中使用了大量的实体模型和三维设计软件。在初学阶段，这种辅助方式在投影理论和建立三视图概念上的确帮助巨大。然而后期学习时，这种辅助对抽象思维能力的训练则贡献甚小，直至成为空间思维能力提升的障碍。主要表现为，学生对立体模型产生了过度依赖：不给出立体模型就无法完成视图投影。在组合体读图练习时，必须先草绘出所谓的“立体图”（非标准轴测图）才能进行三视图投影。若没有立体模型，就无法完成三视图的绘制。其中深层的原因还是抽象思维能力的缺失。在已知了基本几何立体后仍无法通过假设、分析、判断等思维活动，正确地重构几何体结构，更无法进一步转化展开为三视图。此时，立体模型已经丧失自身的辅助功能，而成为阻碍学生空间抽象思维能力进一步提升的桎梏。所导致直接结果就是，思维过程无法重构正确的立体结构转而求助于“立体图”。

为了防止这种情形出现，教学中应在建立主要概念后，逐步减少立体模型（和软件）的使用，更多地引导学生通过观察和空间想象来解决问题。如根据所学到的立体建模知识，采用基本几何体组合出多种不同构型的立体，熟悉不同立体的构建过程和组合特点。这些过程更多的是运用空间想象和抽象思维方式，确定各个组成部分间的定位、连接、拓扑关系。通过一定时间的实践和积累，可显著提高学生对立体结构的空间思维能力（特别是抽象思维），摆脱对实体模型的依赖。

2.3 空间思维训练

在课程教学过程中设立空间思维训练环节，首先通过对基本几何体的空间变换操作，进一步理解其不同空间位置特點和变换过程，逐步提高对空间立体的抽象思维能力。训练的目标是在摆脱实物模型的前提下，通过视图绘制完成对组合体的建模、空间变换、以及三视图投影等过程。[6]进一步的训练则类似搭积木活动，由简到繁构造空间形体，并尝试对形体进行空间位置变换（如对称、旋转、变形等）和多形体的布尔操作（合并、相交、交叉等），直至完成投影和三视图绘制。开展空间思维训练可以帮助学生掌握组合体形成中各部分间的相互定位关系、布尔运算过程，以及各部分间的连接方式，建立起空间思维的基本要素并提供抽象思维经验。在实际教学中开展这种思维训练方式，不仅能够让学生对所学的空间几何、矩阵变换等知识做进一步的融会贯通，更能对学生的创造性思维能力进行培养和提升。

2.4 勤于观察和思考

“格物致知”是中国传统文化的智慧，同样也对空间思维方式的培养有着重要指导意义。工程制图课程教学要求学生做到“多看、多想、多画”。多看即是对生活中所接触到的事物进行细致观察，从家用电器、交通工具、机器设备、建筑造型等不断进行观察和思考，分析各种立体构型中的基本形体和构建方式，探查各基本形体间的相互定位、连接方式。特别是组合立体上存在的截交线和相贯线进行探讨，更能够促进课程知识点的掌握和空间思维能力的提高。通过类似的拆分和组合过程的思维活动，不断地改进和提升空间思维过程和实践体验。这些思维活动过程符合工程教育认证贯彻的持续改进原则。

3 结论

工程教育认证的核心理念是以学生产出为导向，以学生为中心、关注最终学习成果的教育模式。工程制图课程重要目标培养学生的空间思维能力，提高综合素质并全面促进创新能力的培养。学生空间思维能力薄弱的主要表现是无法准确掌握课程内容和完成组合立体的相关习题。分析其主要原因是空间思维过程中抽象思维能力的欠缺，导致空间思维和抽象思维交替过程不顺畅，即无法通过对基本立体的空间组合方式，做出正确的分析和判断，完成空间立体的重构。根据OBE理念，提出了通过对课程内容重组、教学方法改进、开展空间思维训练、强化观察等方法来培养和提高学生的空间思维能力。空间思维能力的培养和提升，不仅在于能够提高工程制图课程的教学效果，更在于能够全面增强学生的思维能力，改变对事物的认知和思维方式，促进自身综合能力提升。

参考文献

[1] 李志义.解析工程教育专业认证的成果导向理念[J].中国高等教育，2014（17）：7-10.

[2] 王建华，郝育新，李晓民.工程制图实验教学研究与建设[J].图学学报，2010，31（5）：138-141.

[3] 刘佳.空间思维与制图教学[J].图学学报，2013，34（4）：146-149.

[4] 陈柯，冯羽.工科学生立体思维能力薄弱的原因分析[J].课程教育研究，2018，43：213-214.

[5] 张碧霞.工程制图教学中立体思维的培养[J].高等建筑教育，2005，14（4）：47-48.

[6] 黄军波，刘富凯，王睿.空间思维训练在机械制图本科教学中的探索[J].天津职业技术师范大学学报，2020，30（2）：51-54.