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關(guān)于自頂向下的解剖式動(dòng)態(tài)機械結構教學(xué)模式的研究
論文關(guān)鍵詞：解剖式；教學(xué)模式；結構論文摘要：文章根據機械制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)基礎課的教學(xué)特點(diǎn)，提出了自頂向下的解剖式動(dòng)態(tài)教學(xué)模式，解決了學(xué)生在課堂上對原理結構圖及實(shí)物結構圖的三視圖讀圖慢且理解不深的問(wèn)題。
一、引言
機械類(lèi)專(zhuān)業(yè)基礎課、專(zhuān)業(yè)課是奠定學(xué)生將來(lái)從事機械類(lèi)及相關(guān)工作的理論基礎、分析能力及實(shí)踐能力的重要課程。根據機械類(lèi)學(xué)生將來(lái)從事結構設計工作的特點(diǎn)，為拓寬他們的視野，提高其設計技能，教材中大量使用了原理結構圖及實(shí)例結構圖，導致教材內容復雜，篇幅長(cháng)，講授難度大。為了提高教學(xué)效果，許多教師進(jìn)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(lèi)專(zhuān)業(yè)基礎課、專(zhuān)業(yè)課中大量出現的原理結構圖及實(shí)例結構圖，由于學(xué)生缺乏感性認識、實(shí)踐知識和基本結構素材，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課堂教學(xué)的需要。針對這個(gè)問(wèn)題，我們提出了解剖式動(dòng)態(tài)教學(xué)模式。
二、目前的教學(xué)狀況
機械類(lèi)專(zhuān)業(yè)基礎課、專(zhuān)業(yè)課中大量出現的原理結構圖及實(shí)例結構圖是以線(xiàn)條式的原理簡(jiǎn)圖或以平面的三視圖來(lái)表現的。對于原理簡(jiǎn)圖，學(xué)生只需“看見(jiàn)”就已經(jīng)“理解”這些圖形了；而對于三視圖，根據學(xué)認知理論，學(xué)生要理解這些圖形，在“看見(jiàn)”這些圖形的基礎上，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(shí)間。教材編著(zhù)者也注意到了學(xué)生認知的這些特點(diǎn)，盡可能采用軸測圖來(lái)表示復雜的實(shí)例結構。從教學(xué)中不難發(fā)現，學(xué)生對這些軸測圖的理解速度遠大于對平面圖形尤其是三視圖的。為什么會(huì )出現這樣的結果?從學(xué)生學(xué)習三視圖的過(guò)程中不難發(fā)現答案。
學(xué)生在學(xué)習《機械制圖》的時(shí)候，教師都帶有實(shí)物教學(xué)模型，讓學(xué)生從三個(gè)方向觀(guān)看，并且運用正投影理論把模型輪廓投影到三個(gè)相互垂直的平面上，然后按規定將三個(gè)平面展開(kāi)到同一個(gè)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(gè)面輪廓分解一三視圖。當學(xué)生閱圖時(shí)，是將三視圖的三個(gè)平面圖形讀人大腦，通過(guò)空間想像在大腦中拼接成對應的立體圖，即三視圖一三個(gè)平面圖形合成一立體圖。這個(gè)過(guò)程看似一個(gè)簡(jiǎn)單的思維逆轉，但其思維的難度卻不是成比例增加的。因為立體圖一三個(gè)面輪廓分解一三視圖是正向思維，且三個(gè)面形成在思維過(guò)程中是可以分解進(jìn)行的，而三視圖一三個(gè)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(guò)程中必須是整體進(jìn)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(huì )感覺(jué)到這兩種思維方式在難度上的差別。
機械類(lèi)專(zhuān)業(yè)基礎課、專(zhuān)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構原理，掌握設計思路及相關(guān)基本概念的應用，而不是讓學(xué)生單純地識圖，安排的教學(xué)時(shí)間非常短。這樣就難以在規定的時(shí)間內達到預期的教學(xué)效果。
三、解剖式動(dòng)態(tài)教學(xué)模式
隨著(zhù)硬件性能價(jià)格比的提高及計算機軟件技術(shù)的發(fā)展，使三維實(shí)體的結構造型成為可能，這就為直接用三維結構圖進(jìn)行教學(xué)提供了基礎。根據教學(xué)要求，我們選擇了具有自頂向下設計特點(diǎn)的PRO／E軟件進(jìn)行三維實(shí)體的結構造型設計。其過(guò)程為：先構造零件毛坯實(shí)體，然后采用如機械加工及焊接加工過(guò)程的實(shí)體去除或添加，最終生成所需的零件實(shí)體；PRO／E還可根據設計的零件實(shí)體自動(dòng)繪出它的三視圖，并標注尺寸，因此從設計步驟上具有自頂向下的特點(diǎn)；除此以外，PRO／E繪制的零件實(shí)體還可以裝配成總裝圖，故用PRO／E軟件來(lái)演示結構的制造和安裝過(guò)程對學(xué)生理解實(shí)例結構圖有非常好的效果。
在實(shí)施過(guò)程中，我們擬將常用車(chē)刀、鉆頭、車(chē)床主軸箱、典型夾具制作成三維實(shí)體結構圖。完成此工作后，可以使教材中的平面圖形轉換為立體圖形，學(xué)生將抽象的空間想像合成閱圖轉換為直觀(guān)的立體閱圖，教師將靜止的結構形態(tài)展示變?yōu)閯?dòng)態(tài)功能信息講解，實(shí)驗由被動(dòng)的觀(guān)察轉換為主動(dòng)的裝配實(shí)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(guò)這樣的轉化，使學(xué)生在讀圖的過(guò)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(guān)察角度單一的不足，還消除了實(shí)物模型的內部結構無(wú)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(dòng)態(tài)教學(xué)模式。這種教學(xué)模式是根據三維實(shí)體結構圖，利用學(xué)生已掌握的基本知識及已有的結構、產(chǎn)品及實(shí)際經(jīng)驗，先講解來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)際結構圖的功用，再講解各部分結構的設計原則及運動(dòng)特點(diǎn)，最后講解其中每個(gè)零部件的功用，形成從整體到具體的教學(xué)特點(diǎn)，即自頂向下的教學(xué)模式。實(shí)際上，PRO／E軟件還有一個(gè)重要的功能——快速裝配，利用這個(gè)功能，在教學(xué)中，可以將實(shí)體結構中的零件逐個(gè)拆下，并可以在任意方位展示，使學(xué)生更容易理解各個(gè)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(diǎn)，所以稱(chēng)之為解剖式。此外，不僅這種解剖過(guò)程是動(dòng)態(tài)仿真的，而且對于一些結構，還可以實(shí)現動(dòng)態(tài)的運動(dòng)模擬，所以這種教學(xué)方法具有動(dòng)態(tài)的特點(diǎn)，因此，稱(chēng)為自頂向下的解剖式動(dòng)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(shí)體零部件圖及裝配圖，為了實(shí)現通用性，擬采用參數化設計方法，對刀具結構、主軸箱、常用夾具結構、常用標準件、先進(jìn)設備的典型機構實(shí)現三維實(shí)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(gè)“副產(chǎn)品”，這就是可以讓學(xué)生自己設計、裝配產(chǎn)品的基本元件庫，從而開(kāi)發(fā)出《制造技術(shù)基礎》的一個(gè)新的實(shí)驗——虛擬機械結構拆裝實(shí)驗!
四、解剖式動(dòng)態(tài)教學(xué)模式的研究意義
1．以學(xué)生在課程學(xué)習中遇到的結構三視圖閱圖難點(diǎn)為研究?jì)热�，以學(xué)生容易理解的三維實(shí)體教學(xué)方式為突破口，以學(xué)生的理解力提高為目標，形成了自頂向下的解剖式動(dòng)態(tài)教學(xué)模式，實(shí)現了教學(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(lái)的圖形處理及顯示的優(yōu)勢，將實(shí)體造型軟件PRO／E應用于課堂教學(xué)及實(shí)驗中，使專(zhuān)業(yè)知識中涉及到的大量的結構原理圖和實(shí)例結構圖更直觀(guān)的呈現出來(lái)，加快了學(xué)生閱圖速度，加深了學(xué)生對所學(xué)內容的理解，實(shí)現了教學(xué)手段的與時(shí)俱進(jìn)。
3．著(zhù)名理論家及建構主義理論的集大成者皮亞杰認為，“理解就是創(chuàng )造，或通過(guò)再創(chuàng )造去進(jìn)行重構”。運用這一認知理論，鑒于PRO／E軟件的特點(diǎn)，創(chuàng )建課程相關(guān)圖庫，使結構原理圖和實(shí)例結構圖具有實(shí)踐性，學(xué)生通過(guò)動(dòng)手設計部分結構，理解程度大大加深。實(shí)現了教學(xué)方法改革與提高認知能力的有機統一。
4．充分利用PRO／E軟件強大的功能，使實(shí)例結構圖以三維實(shí)體造型的形式全方位展現，組成零件可以任意拆裝、移位、隱藏，相關(guān)運動(dòng)機構可以動(dòng)態(tài)顯示，使學(xué)生快速理解實(shí)例的組成結構、運動(dòng)原理及包含的基本理論，實(shí)現了教學(xué)過(guò)程的動(dòng)態(tài)直觀(guān)。
5．利用PRO／E的快速裝配功能，在教學(xué)中，可以將實(shí)體結構中的零件逐個(gè)拆下，并可以在任意方位展示，使學(xué)生更容易理解各個(gè)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(guò)程是動(dòng)態(tài)進(jìn)行的。此外，對于一些結構還可以實(shí)現動(dòng)態(tài)的運動(dòng)模擬，首創(chuàng )了自頂向下的解剖式動(dòng)態(tài)教學(xué)模式。
6．利用研究項目形成的三維實(shí)體庫及現有的計算機資源，可以開(kāi)出虛擬結構設計裝配實(shí)驗，不僅解決了實(shí)驗裝備模型的不足，而且提高了學(xué)生的學(xué)習積極性，培養了學(xué)生的設計能力和創(chuàng )新能力，并擴展了三維實(shí)體庫，使該實(shí)驗形成了良性循環(huán)。此外，利用虛擬造型，可以引進(jìn)先進(jìn)設備結構，大大提高實(shí)驗的技術(shù)水平，因此形成了教學(xué)實(shí)驗開(kāi)發(fā)的新模式。
五、結論
1．采用自頂向下的解剖式動(dòng)態(tài)教學(xué)的新模式，學(xué)生對刀具、機床、夾具等結構的課堂理解速度會(huì )有很大提高，輕松、形象、動(dòng)態(tài)的三維實(shí)體教學(xué)會(huì )在很大程度上提高學(xué)生對機械類(lèi)課程的學(xué)習興趣，這樣的良性循環(huán)將會(huì )產(chǎn)生很好的教學(xué)效果。
2．通過(guò)校園網(wǎng)，自創(chuàng )的圖庫能為全院學(xué)生提供一個(gè)利用課外時(shí)間進(jìn)行創(chuàng )新設計的空間，學(xué)生通過(guò)實(shí)際任務(wù)的練習，提高了設計能力，形成了創(chuàng )新意識，這為高素質(zhì)的人才培養奠定了堅實(shí)的基礎。
3．新開(kāi)設的虛擬結構設計裝配實(shí)驗，可以充分發(fā)揮學(xué)生的積極性和創(chuàng )造力，培養學(xué)生的設計能力，同時(shí)學(xué)生的作品擴展了三維實(shí)體庫，使該實(shí)驗形成了良性循環(huán)。
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