虚实立体模型在高职学生空间想象力培养中的应用探索

赖晓龙 黄丽卿 孙华 李璟艺

(福建林业职业技术学院 交通工程系，福建 南平 353000)

对道路桥梁工程技术等工程领域的高职学生来说，空间想象力是一种比较重要的思维能力。具有良好的空间想象力，不管在专业课程的学习还是在以后的工作实践中，都会起到事半功倍的效果。空间想象力是由三维空间的几何观察能力、空间思维能力和空间构形能力三者构成，它们之间是彼此关联、互为依托的有机整体[1]。在道路桥梁工程技术等专业的人才培养体系中，工程图学课程是培养学生空间想象力的重要课程之一，包括工程制图、工程识图、工程软件CAD和BIM建模等课程。其中，已有部分高职院校把工程制图、工程识图和工程软件CAD课程融合成一门课程——“工程识图与CAD”[2-5]。工程图学课程具有理论严谨、实践性较强的特点，与工程实践联系密切，对培养学生空间想象力、掌握科学思维方法、增强工程和创新意识有重要作用，是重要的技术基础课程。但是在工程图学的教学过程中，空间想象力作为一种重要的素质能力，因其无合理的评价方式，长期以来被教学体系所忽视。因此通过工程图学课程的“三教”改革，探索提高空间想象力的方法和途径，确定想象力的合理评价方式显得十分重要和迫切。

1 工程图学课程在空间想象力培养方面的现状

工程图学课程在培养学生的空间想象力上教学方法单一，一般以PPT讲授辅助图片、绘图示范等相对静态的方式展开教学。在涉及到空间想象时，教师需花费大量的语言进行描述解释，但学生却收获甚微，对三视图的理解只停留在二维图形上，无法将其转化为空间立体图形。针对这种情况，很多学者在学生空间想象力培养方面进行了教学手段的改革，主要集中在3D打印技术和三维仿真建模技术两方面。

董晓倩[6]阐述了3D打印技术的应用对促进课堂教学、提高学生的综合应用能力和素质的重要作用。王莉霞等[7]探讨了3D打印技术在机械制图课程中的创新应用，实践证明该技术可以激发学生学习积极性、主观能动性、实践创造性，对提高机械制图课程的质量和教学效果有很大的帮助。赵明侠[8]分析了高职机械制图与CAD课程测绘实训存在的问题，提出基于3D技术的实训实施方法，提高了课程实训的教学效果。马红亮等[9]借鉴工程领域的O-CDIO理念，采用单组前后测准实验方法，分析3D打印技术对学生空间想象能力发展的影响，其结果表明该技术能显著增强研究生的空间想象能力，特别是较复杂的心理旋转能力。

周媛等[10]分析了土木工程制图课程教学中存在的不足，提出借助BIM的三维可视化模型的技术优势，对课程进行改革实践，取得良好的实践效果。朱珠等[11]、高恒聚[12]将CAD三维建模应用于工程制图教学中，突破了学生想象力不足的学习难点，对提高学生空间想象力起到积极作用，取得了良好的教学效果。崔盟军等[13]提出运用三维建模软件3DSMAX来帮助学生理解投影规律，对提高他们的空间结构想象力非常有效，能解决多媒体教学没有过程生成的问题。

上述诸多研究成果表明，将3D打印实体模型和CAD三维仿真模型引入到工程图学课程，能切实提高学生的空间想象力以及识图与绘图能力，对课程教学效果的提升有很大的帮助。

2 引入虚实立体模型的工程图学课程改革内容

2.1 引入虚实立体模型的工程图学课程知识体系的改革

本校交通工程系工程图学课程早期是由大一上学期的“工程制图”和下学期的“软件CAD”两门课程组成，经过实践和对比分析发现，教学内容有所重叠，教学效果也不太理想。因此，借鉴其他高职院校的做法，将“工程制图”和“软件CAD”课程融合成“工程识图与CAD”课程，形成以识图和绘图能力作为培养重点的课程教学体系。但是经过多年的实践发现，学生的CAD绘图能力虽得到了很大的提升，但在识图和空间想象力的培养上仍有所欠缺，难以适应现在工程领域“三维可视化”发展的趋势。如今，随着BIM课程加入人才培养方案，工程图学课程由大一上学期的“工程识图与CAD”和下学期的“BIM基础应用”课程组成，形成以培养空间想象力和软件绘图技能为主的课程教学体系。“工程识图与CAD”课程根据人才培养方案和路桥施工企业岗位技能的需求，结合课程的“三教”改革，将虚实立体模型引入课程中，构建以空间想象力为重要素质目标和以工程识图、CAD平面绘图与三维仿真建模为主要技能目标的课程知识体系，具体如图1所示。

图1 融入虚实立体模型的“工程识图与CAD”课程知识体系

2.2 引入虚实立体模型的空间想象力评价方式的改革

为了检验虚实立体模型在培养空间想象力上的教学效果，空间想象力评价方式采用空间能力量表测试结合教师综合评价、小组互相评价的方式进行。其中空间能力量测试表由心理旋转量表(PSVT:R)测试和空间组合量表(ASVAB-AO)测试两部分组成[9]。在课程开始之前和每一个学习情境结束后，进行空间能力量测试，采用随机抽题组卷的方式进行，并记录测试完成时间；教师的综合评价是通过学生完成课程作业的情况和聊天采访的形式进行定性评价；小组互相评价采用打分制的定量评价方式进行。通过这三种不同的评价对学生的空间想象力作出客观公正的评价，最终计入课程的素质考核成绩中。

3 虚实立体模型在空间想象力培养中的应用举例

教法是“三教”改革的核心，是“三教”改革成功与否的关键。高职教师只有解决好“怎么教”这个问题，才能使得学生“愿意听，愿意学，愿意做”，确保他们在课堂上有所收获，有效地提高第一课堂的教学质量。在图1所示的课程知识体系中，虚实立体模型贯穿于整个教学过程，教师可采用启发探究式和小组讨论式等“以学生为主体，教师为主导”的教学方式，使课堂教学具有更强的趣味性、直观性和体验性，从而激发学生的学习热情，使之积极主动地参与到课堂教学中来。

3.1 3D实体打印模型应用举例

将3D实体模型引入到课程的教学中，可以抓住学生的好奇心，在师生互动交流中，使课堂变得生动有趣。实践中可以创新教学模式，采取项目式教学，以5—6人的小组为单位，倡导“同伴互学”，引导学生互相合作、互相分享，促使学生自主学习，把知识理解内化，从而在互学中加深对知识的记忆和理解，无形中训练学生的沟通表达能力和空间想象力。

在“投影的基本知识”这一学习情境中，教师提供基本体和简单组合体的3D实体模型，学生近距离观察(从左往右看、从前往后看和从上往下看)实体模型，并把它放置到实体的三面投影体系中，通过刻度尺的丈量，完成基本体和简单组合体的三视图手工绘制学习任务。同时通过AutoCAD软件的三维建模环境，引入空间三维坐标概念。对比分析AutoCAD软件的空间坐标系统和3D实体三面投影体系的异同，通过基本体和简单组合体的CAD三维仿真模型和3D实体模型，讲深教透基本体的三视图的形成过程。学生在训练过程中，初步获得了由立体模型变换到三视图的空间思维能力。

在“组合体绘制和桥涵工程图绘制”这一学习情境中，教师提供较复杂组合体的3D实体模型和带有尺寸的轴测图，学生通过观察立体图形，结合轴测图的尺寸，绘制其三视图(如图2所示)。或者只提供复杂组合体的3D实体模型，学生通过观察和尺规测量，自行绘制该模型的三视图和正等轴测图，要求尺寸的估算协调合理，感官上是美的。通过设置开发性题目，增强学生的动手能力，引导学生将3D实体模型转化为三视图，进一步夯实学生的空间想象力，同时也提高了学生的创新能力和美学修养。

(a)3D打印实体模型 (b)实体模型的轴测图 (c)学生成果(三视图)

3.2 CAD三维仿真模型应用举例

AutoCAD是一款常用的工程图纸设计软件，除了在平面绘图上表现优异以外，还可以快速高效地建立简单三维仿真模型，通过渲染和空间旋转等来直观展示和观察三维图形。常用的建模思路有拉伸、放样、旋转和布尔运算等。

在“CAD基础知识”这一学习情境中，学生不仅要学习二维图形的绘制命令和编辑命令，也要学习三维建模的绘制和编辑命令。学生在训练过程中，获得了绘制二维图形和三视图的操作技能，以及基本体和简单组合体的建模技能。

在“组合体、轴测图与剖断面图”这一学习情境中，教师通过提供大量组合体的三视图，引导学生利用CAD软件进行三维仿真建模。在三维仿真建模的同时，可以通过渲染和空间旋转等方式观察模型；也可通过视图菜单的前视、俯视和左视等视图，来察看所绘模型的三面投影情况。利用CAD软件的优势，从多方位、多角度、多侧面描绘立体图形，解决平面立体图形与真实立体图形在视觉上的差异，培养学生的识图能力和绘图能力。从简单的叠加组合体到切割组合体，再到既有叠加方式又有切割方式的较复杂的组合体，让学生能从简单的建模中感受到学习的快乐，能从复杂的建模中获得成就感。图3为部分CAD三维仿真模型。

(a) 涵洞剖切模型 (b) 桥台模型 (c) 拱桥模型

4 虚实立体模型在空间想象力培养中的效果

对比相对静态演示的以PPT课件为主的理实一体化的授课方式，在“工程识图与CAD”课程中引入虚实立体模型，通过学生亲自触摸和观察3D打印的实体模型，将立体模型转换为三视图，完成由立体图形变换成平面图的空间想象力的培养训练；通过识读三视图，在软件上亲自动手将其转换成CAD三维仿真模型，完成由平面图形变换成空间立体图形的空间想象力的培养训练。利用虚实立体模型，立体可视化地展示组合体和道路桥梁工程构件的细节，容易使学生快速地对二维图纸有一个立体的感受，由简单到复杂，逐步提高，在大量的模型和图纸之间转换，最终完成本课程的空间思维能力锻炼。

4.1 有助于丰富教师的教学手段，提高教学效率

对于一些简单的组合体而言，教师提前利用CAD软件进行三维建模，利用软件的三维动态观察器，对比三视图和三维仿真模型图，会给学生学习带来更高效、更直观的看图感受，更能激发学生的讨论欲望和学习热情。但是在桥梁、涵洞等比较复杂的工程图的识读时，三视图的虚实线条比较多，学生在观看三维仿真模型的时候，很难把三视图的线条和三维仿真模型对应起来，需要教师花大量时间讲解，课堂的教学效率大打折扣。这时，适当地引入3D打印的实体模型，通过将实体模型、CAD三维仿真模型和三视图进行充分的对比分析，更能有效地提高三视图识读的教学效率。

4.2 有助于改变学生的学习方式，使其爱学习、爱思考

高职学生在学习“工程识图与CAD”课程时，最难的是通过想象构建由平面图形表达的空间形体。以往的“工程识图与CAD”课程在突破教学重难点时只能依靠教师的讲授，依靠PPT展示等手段来进行教学，学生的学习难度大，积极性不高，只有少部分学生能达到教学目标，不利于大多数学生空间想象力的培养。在课程中引入虚实立体模型后，学生从自己可以触摸和观察的物体出发来理解三视图的形成过程，较容易入门，学生爱学了，表现出较高的积极性。另外在CAD三维建模时，学生之间可以互相沟通交流。建模快的学生可以借助自己建立的CAD三维仿真模型，利用其可视化的特点，通过交流讲解使后进生更容易读懂三视图，既可锻炼学生解决识读过程中的实际问题，也能促进同班同学的沟通交流，使得班级有融洽活泼的学习氛围，进而提高课堂效率。

4.3 有助于培养学生的设计意识和创新意识

“工程识图与CAD”课程作为道路桥梁工程技术专业接触最早、最为基础的课程之一，对于后续专业核心课程的学习和实践具有重要意义。这一课程最重要的训练就是空间想象力的训练，即空间立体和二维平面(三视图)之间的双向转化分析的能力训练。在强调技能培养的高职人才培养体系中，特别是在如今高度普及的信息化技术下，很多高职院校的工程图学课程已经弱化了点线面的知识讲解和手工制图的能力训练，更加强调工程图样的识读讲解和CAD软件绘图的能力训练。通过引入实际工程案例，在识读二维平面图纸和三维仿真建模的训练过程中，培养工程图样表达能力和创新能力，培养学生的工程意识和设计能力意识，从而更好地适应以BIM技术为代表的第二次建筑信息化革命的时代。

5 结语

在“工程识图与CAD”课程教学中引入虚实立体模型，利用其直观性和可视性，可以使学生较快形成三维空间想象和立体思维。学生利用虚实立体模型，进行由立体的物想象出其三视图，由三视图想到立体的物的思维训练时，其空间想象力，得到了有效锻炼。同时，虚实立体模型的引入，丰富了教师的教学手段，改变了学生的学习方式，促进了学生设计意识和创新意识的培养，课程的教学质量和效率明显提高。