关于自顶向下的解剖式动态机械结构教学模式的研究

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关于自顶向下的解剖式动态机械结构教学模式的研究

　　论文关键词：解剖式；教学模式；机械结构
　　论文摘要：文章根据机械制造及其自动化专业基础课的教学特点，提出了自顶向下的解剖式动态教学模式，解决了学生在课堂上对原理结构图及实物结构图的三视图读图慢且理解不深的问题。 
　  
　　一、引言 
　　机械类专业基础课、专业课是奠定学生将来从事机械类及相关工作的理论基础、分析能力及实践能力的重要课程。根据机械类学生将来从事结构设计工作的特点，为拓宽他们的视野，提高其设计技能，教材中大量使用了原理结构图及实例结构图，导致教材内容复杂，篇幅长，讲授难度大。为了提高教学效果，许多教师进行了大量、广泛而且深入的教学方法研究，取得了很好的效果。但对于机械类专业基础课、专业课中大量出现的原理结构图及实例结构图，由于学生缺乏感性认识、实践知识和基本结构素材，如果仅靠学生的兴趣和教师讲授效率的提高，学生理解速度还不能适应课堂教学的需要。针对这个问题，我们提出了解剖式动态教学模式。 
　　 
　　二、目前的教学状况 
　　机械类专业基础课、专业课中大量出现的原理结构图及实例结构图是以线条式的原理简图或以平面的三视图来表现的。对于原理简图，学生只需“看见”就已经“理解”这些图形了；而对于三视图，根据教育心理学认知理论，学生要理解这些图形，在“看见”这些图形的基础上，必须在大脑中将其重新组合为熟悉的三维立体图形，而这需要花费一定的时间。教材编著者也注意到了学生认知的这些特点，尽可能采用轴测图来表示复杂的实例结构。从教学中不难发现，学生对这些轴测图的理解速度远大于对平面图形尤其是三视图的。为什么会出现这样的结果?从学生学习三视图的过程中不难发现答案。 
　　学生在学习《机械制图》的时候，教师都带有实物教学模型，让学生从三个方向观看，并且运用正投影理论把模型轮廓投影到三个相互垂直的平面上，然后按规定将三个平面展开到同一个平面形成了三视图。为了加深学生的理解，教师通常要求学生亲手制作模型。所以三视图的产生方式是：立体图一三个面轮廓分解一三视图。当学生阅图时，是将三视图的三个平面图形读人大脑，通过空间想像在大脑中拼接成对应的立体图，即三视图一三个平面图形合成一立体图。这个过程看似一个简单的思维逆转，但其思维的难度却不是成比例增加的。因为立体图一三个面轮廓分解一三视图是正向思维，且三个面形成在思维过程中是可以分解进行的，而三视图一三个平面图形合成一立体图是逆向思维，且立体图形的形成在思维过程中必须是整体进行的，所以理解难度大大增强，即使对于经验丰富的工程技术人员，仍会感觉到这两种思维方式在难度上的差别。 
　　机械类专业基础课、专业课教学的主要目的是让学生理解用图形表示的结构原理，掌握设计思路及相关基本概念的应用，而不是让学生单纯地识图，安排的教学时间非常短。这样就难以在规定的时间内达到预期的教学效果。 
　　 
　　三、解剖式动态教学模式 
　　随着计算机硬件性能价格比的提高及计算机软件技术的发展，使三维实体的结构造型成为可能，这就为直接用三维结构图进行教学提供了基础。根据教学要求，我们选择了具有自顶向下设计特点的PRO／E软件进行三维实体的结构造型设计。其过程为：先构造零件毛坯实体，然后采用如机械加工及焊接加工过程的实体去除或添加，最终生成所需的零件实体；PRO／E还可根据设计的零件实体自动绘出它的三视图，并标注尺寸，因此从设计步骤上具有自顶向下的特点；除此以外，PRO／E绘制的零件实体还可以装配成总装图，故用PRO／E软件来演示结构的制造和安装过程对学生理解实例结构图有非常好的效果。 
　　在实施过程中，我们拟将常用车刀、钻头、车床主轴箱、典型夹具制作成三维实体结构图。完成此工作后，可以使教材中的平面图形转换为立体图形，学生将抽象的空间想像合成阅图转换为直观的立体阅图，教师将静止的结构形态展示变为动态功能信息讲解，实验由被动的观察转换为主动的装配实践，从而提高学生的理解速度及深度，达到教学要求。经过这样的转化，使学生在读图的过程中，不但克服了平面图形及三视图阅图弊端，而且弥补了轴测图的观察角度单一的不足，还消除了实物模型的内部结构无法看清、不能任意拆卸的缺陷。




　　更重要的是，利用PRO／E提供的强大功能，还可以形成一套独特的教学模式——自顶向下的解剖式动态教学模式。这种教学模式是根据三维实体结构图，利用学生已掌握的基本知识及已有的结构、产品及实际经验，先讲解来源于生产实际结构图的功用，再讲解各部分结构的设计原则及运动特点，最后讲解其中每个零部件的功用，形成从整体到具体的教学特点，即自顶向下的教学模式。实际上，PRO／E软件还有一个重要的功能——快速装配，利用这个功能，在教学中，可以将实体结构中的零件逐个拆下，并可以在任意方位展示，使学生更容易理解各个零件在产品中的功能及与整体的装配关系，显然，这种方法具有医学中解剖的特点，所以称之为解剖式。此外，不仅这种解剖过程是动态仿真的，而且对于一些结构，还可以实现动态的运动模拟，所以这种教学方法具有动态的特点，因此，称为自顶向下的解剖式动态教学模式。

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　　要达到这种教学要求，需利用PRO／E软件制作大量的三维实体零部件图及装配图，为了实现通用性，拟采用参数化设计方法，对刀具结构、主轴箱、常用夹具结构、常用标准件、先进设备的典型机构实现三维实体造型，这项工作完成后，不但可以达到上述的教学要求，还可以得到一个“副产品”，这就是可以让学生自己设计、装配产品的基本元件库，从而开发出《机械制造技术基础》的一个新的实验——虚拟机械结构拆装实验!
　　
　　四、解剖式动态教学模式的研究意义
　　1．以学生在课程学习中遇到的结构三视图阅图难点为研究内容，以学生容易理解的三维实体教学方式为突破口，以学生的理解力提高为目标，形成了自顶向下的解剖式动态教学模式，实现了教学研究以人为本的思想。
　　2．充分利用了计算机软件及硬件技术带来的图形处理及显示的优势，将实体造型软件PRO／E应用于课堂教学及实验中，使专业知识中涉及到的大量的结构原理图和实例结构图更直观的呈现出来，加快了学生阅图速度，加深了学生对所学内容的理解，实现了教学手段的与时俱进。
　　3．著名教育理论家及建构主义理论的集大成者皮亚杰认为，“理解就是创造，或通过再创造去进行重构”。运用这一认知理论，鉴于PRO／E软件的特点，创建课程相关图库，使结构原理图和实例结构图具有实践性，学生通过动手设计部分结构，理解程度大大加深。实现了教学方法改革与提高认知能力的有机统一。
　　4．充分利用PRO／E软件强大的功能，使实例结构图以三维实体造型的形式全方位展现，组成零件可以任意拆装、移位、隐藏，相关运动机构可以动态显示，使学生快速理解实例的组成结构、运动原理及包含的基本理论，实现了教学过程的动态直观。
　　5．利用PRO／E的快速装配功能，在教学中，可以将实体结构中的零件逐个拆下，并可以在任意方位展示，使学生更容易理解各个零件在产品中的功能及与整体的装配关系，这种解剖过程是动态进行的。此外，对于一些结构还可以实现动态的运动模拟，首创了自顶向下的解剖式动态教学模式。
　　6．利用研究项目形成的三维实体库及现有的计算机资源，可以开出虚拟结构设计装配实验，不仅解决了实验装备模型的不足，而且提高了学生的学习积极性，培养了学生的设计能力和创新能力，并扩展了三维实体库，使该实验形成了良性循环。此外，利用虚拟造型，可以引进先进设备结构，大大提高实验的技术水平，因此形成了教学实验开发的新模式。
　　
　　五、结论
　　1．采用自顶向下的解剖式动态教学的新模式，学生对刀具、机床、夹具等结构的课堂理解速度会有很大提高，轻松、形象、动态的三维实体教学会在很大程度上提高学生对机械类课程的学习兴趣，这样的良性循环将会产生很好的教学效果。
　　2．通过校园网，自创的图库能为全院学生提供一个利用课外时间进行创新设计的空间，学生通过实际任务的练习，提高了设计能力，形成了创新意识，这为高素质的人才培养奠定了坚实的基础。
　　3．新开设的虚拟结构设计装配实验，可以充分发挥学生的积极性和创造力，培养学生的设计能力，同时学生的作品扩展了三维实体库，使该实验形成了良性循环。