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關于自頂向下的解剖式動態機械結構教學模式的研究
論文關鍵詞：解剖式；教學模式；結構論文摘要：文章根據機械制造及其自動化專業基礎課的教學特點，提出了自頂向下的解剖式動態教學模式，解決了學生在課堂上對原理結構圖及實物結構圖的三視圖讀圖慢且理解不深的問題。
一、引言
機械類專業基礎課、專業課是奠定學生將來從事機械類及相關工作的理論基礎、分析能力及實踐能力的重要課程。根據機械類學生將來從事結構設計工作的特點，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例結構圖，導致教材內容復雜，篇幅長，講授難度大。為了提高教學效果，許多教師進行了大量、廣泛而且深入的教學方法研究，取得了很好的效果。但對于機械類專業基礎課、專業課中大量出現的原理結構圖及實例結構圖，由于學生缺乏感性認識、實踐知識和基本結構素材，如果僅靠學生的興趣和教師講授效率的提高，學生理解速度還不能適應課堂教學的需要。針對這個問題，我們提出了解剖式動態教學模式。
二、目前的教學狀況
機械類專業基礎課、專業課中大量出現的原理結構圖及實例結構圖是以線條式的原理簡圖或以平面的三視圖來表現的。對于原理簡圖，學生只需“看見”就已經“理解”這些圖形了；而對于三視圖，根據學認知理論，學生要理解這些圖形，在“看見”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間。教材編著者也注意到了學生認知的這些特點，盡可能采用軸測圖來表示復雜的實例結構。從教學中不難發現，學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。為什么會出現這樣的結果?從學生學習三視圖的過程中不難發現答案。
學生在學習《機械制圖》的時候，教師都帶有實物教學模型，讓學生從三個方向觀看，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。為了加深學生的理解，教師通常要求學生親手制作模型。所以三視圖的產生方式是：立體圖一三個面輪廓分解一三視圖。當學生閱圖時，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，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，即使對于經驗豐富的工程技術人員，仍會感覺到這兩種思維方式在難度上的差別。
機械類專業基礎課、專業課教學的主要目的是讓學生理解用圖形表示的結構原理，掌握設計思路及相關基本概念的應用，而不是讓學生單純地識圖，安排的教學時間非常短。這樣就難以在規定的時間內達到預期的教學效果。
三、解剖式動態教學模式
隨著硬件性能價格比的提高及計算機軟件技術的發展，使三維實體的結構造型成為可能，這就為直接用三維結構圖進行教學提供了基礎。根據教學要求，我們選擇了具有自頂向下設計特點的PRO／E軟件進行三維實體的結構造型設計。其過程為：先構造零件毛坯實體，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還可根據設計的零件實體自動繪出它的三視圖，并標注尺寸，因此從設計步驟上具有自頂向下的特點；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軟件來演示結構的制造和安裝過程對學生理解實例結構圖有非常好的效果。
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，學生將抽象的空間想像合成閱圖轉換為直觀的立體閱圖，教師將靜止的結構形態展示變為動態功能信息講解，實驗由被動的觀察轉換為主動的裝配實踐，從而提高學生的理解速度及深度，達到教學要求。經過這樣的轉化，使學生在讀圖的過程中，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部結構無法看清、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模式——自頂向下的解剖式動態教學模式。這種教學模式是根據三維實體結構圖，利用學生已掌握的基本知識及已有的結構、產品及實際經驗，先講解來源于生產實際結構圖的功用，再講解各部分結構的設計原則及運動特點，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特點，即自頂向下的教學模式。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，在教學中，可以將實體結構中的零件逐個拆下，并可以在任意方位展示，使學生更容易理解各個零件在產品中的功能及與整體的裝配關系，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仿真的，而且對于一些結構，還可以實現動態的運動模擬，所以這種教學方法具有動態的特點，因此，稱為自頂向下的解剖式動態教學模式。
要達到這種教學要求，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、先進設備的典型機構實現三維實體造型，這項工作完成后，不但可以達到上述的教學要求，還可以得到一個“副產品”，這就是可以讓學生自己設計、裝配產品的基本元件庫，從而開發出《制造技術基礎》的一個新的實驗——虛擬機械結構拆裝實驗!
四、解剖式動態教學模式的研究意義
1．以學生在課程學習中遇到的結構三視圖閱圖難點為研究內容，以學生容易理解的三維實體教學方式為突破口，以學生的理解力提高為目標，形成了自頂向下的解剖式動態教學模式，實現了教學研究以人為本的思想。
2．充分利用了軟件及硬件技術帶來的圖形處理及顯示的優勢，將實體造型軟件PRO／E應用于課堂教學及實驗中，使專業知識中涉及到的大量的結構原理圖和實例結構圖更直觀的呈現出來，加快了學生閱圖速度，加深了學生對所學內容的理解，實現了教學手段的與時俱進。
3．著名理論家及建構主義理論的集大成者皮亞杰認為，“理解就是創造，或通過再創造去進行重構”。運用這一認知理論，鑒于PRO／E軟件的特點，創建課程相關圖庫，使結構原理圖和實例結構圖具有實踐性，學生通過動手設計部分結構，理解程度大大加深。實現了教學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，使實例結構圖以三維實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，相關運動機構可以動態顯示，使學生快速理解實例的組成結構、運動原理及包含的基本理論，實現了教學過程的動態直觀。
5．利用PRO／E的快速裝配功能，在教學中，可以將實體結構中的零件逐個拆下，并可以在任意方位展示，使學生更容易理解各個零件在產品中的功能及與整體的裝配關系，這種解剖過程是動態進行的。此外，對于一些結構還可以實現動態的運動模擬，首創了自頂向下的解剖式動態教學模式。
6．利用研究項目形成的三維實體庫及現有的計算機資源，可以開出虛擬結構設計裝配實驗，不僅解決了實驗裝備模型的不足，而且提高了學生的學習積極性，培養了學生的設計能力和創新能力，并擴展了三維實體庫，使該實驗形成了良性循環。此外，利用虛擬造型，可以引進先進設備結構，大大提高實驗的技術水平，因此形成了教學實驗開發的新模式。
五、結論
1．采用自頂向下的解剖式動態教學的新模式，學生對刀具、機床、夾具等結構的課堂理解速度會有很大提高，輕松、形象、動態的三維實體教學會在很大程度上提高學生對機械類課程的學習興趣，這樣的良性循環將會產生很好的教學效果。
2．通過校園網，自創的圖庫能為全院學生提供一個利用課外時間進行創新設計的空間，學生通過實際任務的練習，提高了設計能力，形成了創新意識，這為高素質的人才培養奠定了堅實的基礎。
3．新開設的虛擬結構設計裝配實驗，可以充分發揮學生的積極性和創造力，培養學生的設計能力，同時學生的作品擴展了三維實體庫，使該實驗形成了良性循環。
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