三视图投影教具在《机械制图》教学中的应用及其设计

符耀民　敖克勇　王利

摘 要：《机械制图》是高职教育中机械类专业的专业基础课程，学生对该课程知识的掌握情况会直接影响到其他一些专业课的学习。本文以《机械制图》教学内容以及教学过程中所用的教具为研究对象，首先分析了《机械制图》课程的特点以及教学重点;其次对常用教具在《机械制图》教学中的应用情况进行了对比分析;最后针对投影相关知识，利用Creo软件设计了一种能让学生参与投影知识探索的适用于点、线和面的三视图投影教具。该教具的合理使用能有效培养学生的空间想象能力，可以把学生由被动学习型变成主动学习型，从而提升教学效果与教学质量。

关键词：机械制图 投影 三视图 教具

1 引言

图样是传递技术信息的工具，是各领域工程交流的技术语言以及进行加工制造或施工的重要依据[1，2]。《机械制图》课是高职教育中机械类和机电类专业的一门专业基础课，一般在新生一年级的第一学期开设，目的在于培养学生的读图和绘图等能力[3]。因高职学生一般具有“两强两弱”的特点，即动手能力稍强，动脑能力稍弱，感性认识稍强，理性认识稍弱[4]，所以要让高职学生能学好这门较为抽象且需要较好空间想象能力的《机械制图》课程，对学生有着一定的难度，对老师有着更高的教学要求。

学者们对如何设计好的教具并将其正确有效的应用于课程中从而提高教学质量的相关研究有很多，穆鹏[5]针对高职类电学课程设计了一种创新型的三维教具，该教具共含有8个模块，其特点在于8个模块即可以单独使用，也可以相互组合使用，该三维教具的应用弥补了普通教具无法具备实践功能的空缺，也大大提高了学生的自主学习以及实操能力。谭伟林，张洪等人[6]就形位公差的检测设计了一款专用的演示教具，该教具可以应用于铣工、钳工以及车工等实训中，解决了学生对形位公差的含义难以理解和掌握的难题。

针对课程具体的知识点选用或设计实用的教学教具应用于课堂之中，通过引导学生观察和思考，能将原本抽象的书本知识具象化，从而变成能够看见、可以触摸且方便研究的知识，以便于强化学生的理解和记忆。

2 《机械制图》课程特点及教学方法探索

部分高职学生在初、高中时只接触过一些二维平面图，对三维立体较为陌生，因此他们的空间思维能力和形体思维能力较弱，以致于一些学生对纯理论知识毫无兴趣，这些因素都严重影响着学生学好《机械制图》课程[3]。传统的教学模式过于强调课程的理论性和逻辑性，上课时学生感觉很深奥，但到实际做作业或者应用时却束手无策。所以，如何培养学生的抽象思维能力和逻辑思维能力成为了教师教学的重点。

2.1 《机械制图》课程的特点

《机械制图》是一门专业性较强，具有很高理论性和实践性要求的专业基础课程。学生对该课程知识点的掌握情况会影响后续专业课的学习，因此要求学生具有一定的抽象空间想象力和图形分析能力，以及运用计算机软件（如AutoCAD、Creo、UG等）和徒手绘图的能力。

2.2 《机械制图》课程教学方法探索

《机械制图》课程具有其特殊性，其教学方法也不能完全借鉴于其他课程，如何教好这门课程，让学生能将“几何物体转换为平面投影”，“平面投影转换为几何物体”，是值得老师深思的问题。

1）合理使用多媒体。由于学生开始并没有如何将空间物体和视图对应起来的概念，所以可以将多媒体运用于制图教学课堂中，用多媒体动画来演示，可以激发学生的视觉和听觉，以帮助学生强化印象和记忆。

2）合理使用软件工具。在《机械制图》课程中，能用到的软件工具有很多，如：AutoCAD、Creo、UG等。教学过程中引入新的教学工具，本身就可以提高学生的学习兴趣。通过使用工具软件在课堂上建立三维立体模型或二维平面图，学生可以直接看到几何物体及其三视图是如何形成得到的，有助于加深学生对知识点理解。

3）合理使用教具。灵活运用教具于《机械制图》课堂中，可以实现将抽象物体进行具象化，让学生更容易接受并掌握教学内容。

3 教具在《机械制图》教学中的应用分析

3.1 教具运用的意义

教具是为特定教学内容而专门设计的一种教学工具，它能直观、明确地反映教学内容[8]，能起到寓教于乐的效果。针对特定的教学内容，选择或设计一种合适的教具运用于教学中，通过引导学生观察和思考，能将原本抽象或枯燥的书本知识具象化，从而变成能够看见、可以触摸，方便研究的知识，以便于强化学生的理解和记忆。

3.2 常用教具对比分析

在《机械制图》课程教学过程中常用的教具有：作图工具类、模型类，挂图类以及多媒体类等教具[3]。

作图工具类教具如图1所示，因其具有绘图准确和方便的特点而被广泛应用于教学之中，是很多制图老师上课的必备教具。对于作图能力强的老师来说，徒手作图比较灵活，且得到的图样与运用工具作出来的效果相差不大。但在课程学习的初期，学生还没达到教学的技能要求，若老师总是徒手作图则不利于培养学生作图、识图的能力。当学生具备一定绘图识图能力后，教师可不拘泥作图方式，适当的徒手作图可提高作图效率，保证教学进度。

模型类教具如图2所示，其具有直观性强，能多角度向学生展示等特点。在课程学习初期使用模型教具，可以使学生注意力得到集中，吸引学生观察，从而起到激发学生的抽象思维和空间想象力的作用。但课程学习后期还大量地使用模型教具，可能导致学生存在依赖性，思维僵化，反而不利于学生识图能力的进一步提高。

挂图类教具可清楚表达物体的图样，还可规避板书作图耗时过长的缺点，在教学过程中运用较为广泛。挂图类教具的局限性在于直接向学生展示效果图，学生并不知晓其作图步骤，在课程学习初期大量使用不利于学生绘图能力及空间想象力的养成。此类教具一般适合在課程学习后期使用，比如在讲授二维平面图的尺寸标注时使用，不但能节约教学辅助时间，还能对学生的识图、读图能力进行训练。

多媒体类教具有图形、音频，视频以及动画等多种表现形式，随着现代化教学的发展，近年来在《机械制图》课程中被越来越多的教师所运用。多媒体教具的正确使用，可以使学生从视觉和听觉来激发学生的记忆，使学生能更加直观的、多角度多方向的理解相关理论知识。比如在讲授空间物体三面投影的基本规律时，则可充分利用动画来形象的演示，使学生直观看见并理解物体上每个点、每条线和三个视图的对应关系。但是不科学的、过多的将多媒体技术运用到课堂，一是会影响教学的效果，二是会弱化对学生知识掌握情况的反馈，最终学生成为了教师所做课件的观赏者，老师成为了多媒体工具的使用者。

4 三视图投影教具的设计及应用

近年来，随着信息化教学的不断发展，PPT的大量运用使得《机械制图》课程的老师们逐渐告别了“一笔一尺”走天下的教学模式，传统教具的应用也被逐渐弱化。对多媒体的过度依赖导致有些老师没有电脑就根本无法进行上课，这样的教学课堂根本培养不出满足现代企业需求的高素质技术技能人才[9]。

4.1 三视图投影教具设计研究的意义

投影按其投影性质的不同可分为中心投影法和平行投影法，平行投影法是高职学生必须掌握的内容。因任何复杂的几何体都是由基本几何体组成，任何的基本几何体又都是由点、线和面等基本元素组成[10]，所以学生对基本图形投影知识的掌握情况直接影响着后续组合体、切割体以及装配图内容的学习。本文设计的三视图投影教具能解决以下难题：一是让学生能快速掌握中心投影法和平行投影法的区别，二是让学生快速掌握平行投影法的投影特性，即真实性、集聚性和类似性;三是让学生参与投影相关知识的探索过程，把学生由被动学习型变成主动学习型。

4.2 三视图投影教具的设计

为了能让学生能掌握物体投影的相关知识，本文设计了一种适用于点、线和面的三视图投影演示教具。

三视图投影教具，如图3所示，其结构主要包括有：正投影板、水平投影板和侧投影板，其中正投影板和侧投影板之间是通过合页铰接的，正投影板和侧投影板可拆卸连接于水平投影板的上方;在水平投影板的中间滑槽处设置有可拆卸连接的透明玻璃材料的支撑杆，如图4所示，此支撑杆可沿着滑槽移动;支撑杆的顶端设有透明玻璃材料的托盘，托盘上设置有直槽和斜槽，如图5所示，托盘上可放置投影演示物（即点、线和面），如图6所示;在俯投影板上还设有灯具（即led灯具和普通灯具），灯具的放置位置不同，则可得到不同投影面上的投影图。

4.3 三视图投影教具的具体应用

如图3所示，无论是led灯具还是普通灯具置于正投影板和侧投影板的上方，不管托盘上放置的投影演示物是点、线还是面，此时在水平投影板上均可以得到其俯视图。

如图7所示，当使用led灯具，且灯具置于灯具安装槽1位置，演示面板放置于托盘直槽中时：1）当演示面板与V面平行时，可以在V面上得到与演示面板实际大小相等的主视图，即该情况下，反映出了平行投影的真实性;2）当把托盘顺时针或逆时针旋转90度，此时演示面板与V面垂直，可以在V面上得到形状为一条直线的主视图，即该情况下，反映出了平行投影的积聚性。同理，当且灯具置于灯具安装槽2位置时，在W面上也可以得到演示面板的左视图，同样可反映出平行投影的真实性和积聚性。

当使用普通灯具，且灯具置于灯具安装槽1位置时，无论演示面板放置于托盘的直槽中还是斜槽中，在V面上均可以得到演示面板的主视图，而且所得主视图的大小能随着支撑杆沿着滑槽的移动而变化，即该情况下，反映出了中心投影法所得投影视图的大小与投射中心、物体、投影面三者之间的相对距离有关的投影特性。

如图8所示，当使用led灯具，且灯具置于灯具安装槽2位置，演示面板放置于托盘斜槽中时：1）当演示面板与V面垂直、与W面相交时，可以在W面上得到与演示面板实际大小不等却形状相似的左视图，即该情况下，反映出了平行投影的类似性;2）当把托盘顺时针或逆时针旋转90度，此时演示面板与W面垂直、与V面相交，可以在W面上得到形状为斜直线的左视图，即该情况下，反映出了平行投影的积聚性。同理，当且灯具置于灯具安装槽1位置时，在V面上也可以得到演示面板的投影图，同样可反映出平行投影的类似性和积聚性。

除了选用“面”作为投影演示物外，选用“线”同样可以体现出中心投影法和平行投影法的区别，以及两种投影法各自的投影特性。

在实际教学过程中，教师可在简要介绍投影相关知识后，对学生进行分组，让每组的学生自主地去对教具进行投影演示物点、线和面的布置，以及灯具的选择和位置切换。在整个过程中，强调学生多观察不同情况下所得视图的变化，并做好记录，最后让学生讨论中心投影法和平行投影法的区别，以及两种投影法各具有什么样的投影特性。

5 总结

本文就高职院校学生如何学好《机械制图》课展开研究，分析了《机械制图》课程的特点以及对比分析了常用教学教具在《机械制图》课程中的使用情况;鉴于投影相关知识是《机械制图》课程的重点和难点，故设计了一种适用于点、线和面三视图投影的演示教具，并对其结构组成进行了介绍，对其在课程中的实际应用进行了举例说明。该三视图投影教具的有效应用能让学生参与投影知识的探索过程，可提高学生的学习兴趣，带动学生的积极性，从而培养学生的空间思维能力，进而为《机械制图》课程后续内容以及其他专业课程的学习打下基础。

基金项目：1.机械制图课程中三视图投影教具的研究（1-ZZYB-202009）;

2.汽车专业教学仪器设备研制团队（遵职科合[2019]）。

参考文献：

[1]唐建成.机械制图基础及CAD[M].北京：北京理工大学出版社，2017.

[2]邵红薇.浅谈中职机械制图中点线面的投影[J].学周刊，2017（24）：18-19.

[3]高琳.传统与多媒体教具在制图课中的完美应用[J].中国教育技术装备，2011（23）：65-67.

[4]韩力军.教具在高职课堂教学中的应用[J].中小企业管理与科技（上旬刊），2016（11）：107-108.

[5]穆鹏.创新型三维教具在电学类高职课堂教学中的设计和应用[J].湖北农机化，2020（08）：118.

[6]谭伟林，张洪，余金伟.便携式形位公差检测演示教具在实训教学中的应用——以湖南铁路科技职业技术学院为例[J].南方农机，2020，51（11）：153+170.

[7]祁燕.对多媒体在《机械制图》教学应用中的几点思考[J].读与写（教育教学刊），2014，11（05）：242.

[8]包小茹.机械制图教学过程与实践[J].职业，2011（18）：178.

[9]胡瑶玫.教具在“机械工程图识读与绘制”课程中的应用[J].黑河学刊，2016（02）：131-132.

[10]楊丽.论《机械制图》课的直观教学法和学生能力的培养[J].才智，2016（23）：140.