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關(guān)于自頂向下的解剖式動態(tài)機械結(jié)構(gòu)教學(xué)模式的研究
論文關(guān)鍵詞：解剖式；教學(xué)模式；結(jié)構(gòu)論文摘要：文章根據(jù)機械制造及其自動化專業(yè)基礎(chǔ)課的教學(xué)特點，提出了自頂向下的解剖式動態(tài)教學(xué)模式，解決了學(xué)生在課堂上對原理結(jié)構(gòu)圖及實物結(jié)構(gòu)圖的三視圖讀圖慢且理解不深的問題。
一、引言
機械類專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)課是奠定學(xué)生將來從事機械類及相關(guān)工作的理論基礎(chǔ)、分析能力及實踐能力的重要課程。根據(jù)機械類學(xué)生將來從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的特點，為拓寬他們的視野，提高其設(shè)計技能，教材中大量使用了原理結(jié)構(gòu)圖及實例結(jié)構(gòu)圖，導(dǎo)致教材內(nèi)容復(fù)雜，篇幅長，講授難度大。為了提高教學(xué)效果，許多教師進行了大量、廣泛而且深入的教學(xué)方法研究，取得了很好的效果。但對于機械類專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)課中大量出現(xiàn)的原理結(jié)構(gòu)圖及實例結(jié)構(gòu)圖，由于學(xué)生缺乏感性認(rèn)識、實踐知識和基本結(jié)構(gòu)素材，如果僅靠學(xué)生的興趣和教師講授效率的提高，學(xué)生理解速度還不能適應(yīng)課堂教學(xué)的需要。針對這個問題，我們提出了解剖式動態(tài)教學(xué)模式。
二、目前的教學(xué)狀況
機械類專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)課中大量出現(xiàn)的原理結(jié)構(gòu)圖及實例結(jié)構(gòu)圖是以線條式的原理簡圖或以平面的三視圖來表現(xiàn)的。對于原理簡圖，學(xué)生只需“看見”就已經(jīng)“理解”這些圖形了；而對于三視圖，根據(jù)學(xué)認(rèn)知理論，學(xué)生要理解這些圖形，在“看見”這些圖形的基礎(chǔ)上，必須在大腦中將其重新組合為熟悉的三維立體圖形，而這需要花費一定的時間。教材編著者也注意到了學(xué)生認(rèn)知的這些特點，盡可能采用軸測圖來表示復(fù)雜的實例結(jié)構(gòu)。從教學(xué)中不難發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對這些軸測圖的理解速度遠(yuǎn)大于對平面圖形尤其是三視圖的。為什么會出現(xiàn)這樣的結(jié)果?從學(xué)生學(xué)習(xí)三視圖的過程中不難發(fā)現(xiàn)答案。
學(xué)生在學(xué)習(xí)《機械制圖》的時候，教師都帶有實物教學(xué)模型，讓學(xué)生從三個方向觀看，并且運用正投影理論把模型輪廓投影到三個相互垂直的平面上，然后按規(guī)定將三個平面展開到同一個平面形成了三視圖。為了加深學(xué)生的理解，教師通常要求學(xué)生親手制作模型。所以三視圖的產(chǎn)生方式是：立體圖一三個面輪廓分解一三視圖。當(dāng)學(xué)生閱圖時，是將三視圖的三個平面圖形讀人大腦，通過空間想像在大腦中拼接成對應(yīng)的立體圖，即三視圖一三個平面圖形合成一立體圖。這個過程看似一個簡單的思維逆轉(zhuǎn)，但其思維的難度卻不是成比例增加的。因為立體圖一三個面輪廓分解一三視圖是正向思維，且三個面形成在思維過程中是可以分解進行的，而三視圖一三個平面圖形合成一立體圖是逆向思維，且立體圖形的形成在思維過程中必須是整體進行的，所以理解難度大大增強，即使對于經(jīng)驗豐富的工程技術(shù)人員，仍會感覺到這兩種思維方式在難度上的差別。
機械類專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)課教學(xué)的主要目的是讓學(xué)生理解用圖形表示的結(jié)構(gòu)原理，掌握設(shè)計思路及相關(guān)基本概念的應(yīng)用，而不是讓學(xué)生單純地識圖，安排的教學(xué)時間非常短。這樣就難以在規(guī)定的時間內(nèi)達到預(yù)期的教學(xué)效果。
三、解剖式動態(tài)教學(xué)模式
隨著硬件性能價格比的提高及計算機軟件技術(shù)的發(fā)展，使三維實體的結(jié)構(gòu)造型成為可能，這就為直接用三維結(jié)構(gòu)圖進行教學(xué)提供了基礎(chǔ)。根據(jù)教學(xué)要求，我們選擇了具有自頂向下設(shè)計特點的PRO／E軟件進行三維實體的結(jié)構(gòu)造型設(shè)計。其過程為：先構(gòu)造零件毛坯實體，然后采用如機械加工及焊接加工過程的實體去除或添加，最終生成所需的零件實體；PRO／E還可根據(jù)設(shè)計的零件實體自動繪出它的三視圖，并標(biāo)注尺寸，因此從設(shè)計步驟上具有自頂向下的特點；除此以外，PRO／E繪制的零件實體還可以裝配成總裝圖，故用PRO／E軟件來演示結(jié)構(gòu)的制造和安裝過程對學(xué)生理解實例結(jié)構(gòu)圖有非常好的效果。
在實施過程中，我們擬將常用車刀、鉆頭、車床主軸箱、典型夾具制作成三維實體結(jié)構(gòu)圖。完成此工作后，可以使教材中的平面圖形轉(zhuǎn)換為立體圖形，學(xué)生將抽象的空間想像合成閱圖轉(zhuǎn)換為直觀的立體閱圖，教師將靜止的結(jié)構(gòu)形態(tài)展示變?yōu)閯討B(tài)功能信息講解，實驗由被動的觀察轉(zhuǎn)換為主動的裝配實踐，從而提高學(xué)生的理解速度及深度，達到教學(xué)要求。經(jīng)過這樣的轉(zhuǎn)化，使學(xué)生在讀圖的過程中，不但克服了平面圖形及三視圖閱圖弊端，而且彌補了軸測圖的觀察角度單一的不足，還消除了實物模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)無法看清、不能任意拆卸的缺陷。
更重要的是，利用PRO／E提供的強大功能，還可以形成一套獨特的教學(xué)模式——自頂向下的解剖式動態(tài)教學(xué)模式。這種教學(xué)模式是根據(jù)三維實體結(jié)構(gòu)圖，利用學(xué)生已掌握的基本知識及已有的結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品及實際經(jīng)驗，先講解來源于生產(chǎn)實際結(jié)構(gòu)圖的功用，再講解各部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則及運動特點，最后講解其中每個零部件的功用，形成從整體到具體的教學(xué)特點，即自頂向下的教學(xué)模式。實際上，PRO／E軟件還有一個重要的功能——快速裝配，利用這個功能，在教學(xué)中，可以將實體結(jié)構(gòu)中的零件逐個拆下，并可以在任意方位展示，使學(xué)生更容易理解各個零件在產(chǎn)品中的功能及與整體的裝配關(guān)系，顯然，這種方法具有中解剖的特點，所以稱之為解剖式。此外，不僅這種解剖過程是動態(tài)仿真的，而且對于一些結(jié)構(gòu)，還可以實現(xiàn)動態(tài)的運動模擬，所以這種教學(xué)方法具有動態(tài)的特點，因此，稱為自頂向下的解剖式動態(tài)教學(xué)模式。
要達到這種教學(xué)要求，需利用PRO／E軟件制作大量的三維實體零部件圖及裝配圖，為了實現(xiàn)通用性，擬采用參數(shù)化設(shè)計方法，對刀具結(jié)構(gòu)、主軸箱、常用夾具結(jié)構(gòu)、常用標(biāo)準(zhǔn)件、先進設(shè)備的典型機構(gòu)實現(xiàn)三維實體造型，這項工作完成后，不但可以達到上述的教學(xué)要求，還可以得到一個“副產(chǎn)品”，這就是可以讓學(xué)生自己設(shè)計、裝配產(chǎn)品的基本元件庫，從而開發(fā)出《制造技術(shù)基礎(chǔ)》的一個新的實驗——虛擬機械結(jié)構(gòu)拆裝實驗!
四、解剖式動態(tài)教學(xué)模式的研究意義
1．以學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中遇到的結(jié)構(gòu)三視圖閱圖難點為研究內(nèi)容，以學(xué)生容易理解的三維實體教學(xué)方式為突破口，以學(xué)生的理解力提高為目標(biāo)，形成了自頂向下的解剖式動態(tài)教學(xué)模式，實現(xiàn)了教學(xué)研究以人為本的思想。
2．充分利用了軟件及硬件技術(shù)帶來的圖形處理及顯示的優(yōu)勢，將實體造型軟件PRO／E應(yīng)用于課堂教學(xué)及實驗中，使專業(yè)知識中涉及到的大量的結(jié)構(gòu)原理圖和實例結(jié)構(gòu)圖更直觀的呈現(xiàn)出來，加快了學(xué)生閱圖速度，加深了學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的理解，實現(xiàn)了教學(xué)手段的與時俱進。
3．著名理論家及建構(gòu)主義理論的集大成者皮亞杰認(rèn)為，“理解就是創(chuàng)造，或通過再創(chuàng)造去進行重構(gòu)”。運用這一認(rèn)知理論，鑒于PRO／E軟件的特點，創(chuàng)建課程相關(guān)圖庫，使結(jié)構(gòu)原理圖和實例結(jié)構(gòu)圖具有實踐性，學(xué)生通過動手設(shè)計部分結(jié)構(gòu)，理解程度大大加深。實現(xiàn)了教學(xué)方法改革與提高認(rèn)知能力的有機統(tǒng)一。
4．充分利用PRO／E軟件強大的功能，使實例結(jié)構(gòu)圖以三維實體造型的形式全方位展現(xiàn)，組成零件可以任意拆裝、移位、隱藏，相關(guān)運動機構(gòu)可以動態(tài)顯示，使學(xué)生快速理解實例的組成結(jié)構(gòu)、運動原理及包含的基本理論，實現(xiàn)了教學(xué)過程的動態(tài)直觀。
5．利用PRO／E的快速裝配功能，在教學(xué)中，可以將實體結(jié)構(gòu)中的零件逐個拆下，并可以在任意方位展示，使學(xué)生更容易理解各個零件在產(chǎn)品中的功能及與整體的裝配關(guān)系，這種解剖過程是動態(tài)進行的。此外，對于一些結(jié)構(gòu)還可以實現(xiàn)動態(tài)的運動模擬，首創(chuàng)了自頂向下的解剖式動態(tài)教學(xué)模式。
6．利用研究項目形成的三維實體庫及現(xiàn)有的計算機資源，可以開出虛擬結(jié)構(gòu)設(shè)計裝配實驗，不僅解決了實驗裝備模型的不足，而且提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)了學(xué)生的設(shè)計能力和創(chuàng)新能力，并擴展了三維實體庫，使該實驗形成了良性循環(huán)。此外，利用虛擬造型，可以引進先進設(shè)備結(jié)構(gòu)，大大提高實驗的技術(shù)水平，因此形成了教學(xué)實驗開發(fā)的新模式。
五、結(jié)論
1．采用自頂向下的解剖式動態(tài)教學(xué)的新模式，學(xué)生對刀具、機床、夾具等結(jié)構(gòu)的課堂理解速度會有很大提高，輕松、形象、動態(tài)的三維實體教學(xué)會在很大程度上提高學(xué)生對機械類課程的學(xué)習(xí)興趣，這樣的良性循環(huán)將會產(chǎn)生很好的教學(xué)效果。
2．通過校園網(wǎng)，自創(chuàng)的圖庫能為全院學(xué)生提供一個利用課外時間進行創(chuàng)新設(shè)計的空間，學(xué)生通過實際任務(wù)的練習(xí)，提高了設(shè)計能力，形成了創(chuàng)新意識，這為高素質(zhì)的人才培養(yǎng)奠定了堅實的基礎(chǔ)。
3．新開設(shè)的虛擬結(jié)構(gòu)設(shè)計裝配實驗，可以充分發(fā)揮學(xué)生的積極性和創(chuàng)造力，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計能力，同時學(xué)生的作品擴展了三維實體庫，使該實驗形成了良性循環(huán)。
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