“以图构物” 空间思维能力培养的教学方法创新研究

一、引言

工程制图课程是工科类专业的基础核心课程，其核心目标之一是培养学生 “以图构物” 的空间思维能力，即让学生能够将二维的工程图纸准确转化为三维的实体模型，这一能力是学生开展后续专业学习、参与工程设计与实践的关键。

在实际教学中，学生空间思维能力的强弱直接影响其对制图知识的理解深度和应用广度。然而，当前工程制图教学中，“以图构物” 空间思维能力的培养仍存在诸多不足，导致部分学生在学习过程中遇到瓶颈，难以将所学知识有效应用于实际。因此，创新教学方法，强化 “以图构物” 空间思维能力的培养，对于提高工程制图课程教学质量，培养高素质工程技术人才具有重要的现实意义。

二、现状分析

2.1 教学侧重理论灌输

当前工程制图教学多以教材为中心，将大量时间用于讲解制图的基本规则、投影原理、国家标准等理论知识，对 “以图构物” 这一实践转化过程的关注严重不足。教师在课堂上往往是照本宣科，详细讲解各种视图的绘制方法，却很少引导学生去思考图纸背后所对应的立体形态。

例如，在讲解组合体视图时，教师会着重强调形体分析法和线面分析法的步骤，却没有让学生充分练习如何根据组合体的三视图想象出其立体形状。这就导致学生虽然能够熟练背诵各种理论知识和绘图规范，但在面对一张复杂的零件图纸时，依旧无法在脑海中构建出清晰的立体模型，更难以将其应用到实际的工程问题中。

2.2 教学方法单一固化

教学方法仍停留在传统的 “教师讲、学生听” 模式，教学工具也多局限于板书、教材插图和简单的模型教具。教师在课堂上通过板书绘制各种视图，结合教材上的图片进行讲解，学生则被动地接受信息，缺乏主动参与和互动的机会。

这种单一固化的教学方法难以激发学生的学习兴趣，也无法为学生提供足够的沉浸式体验来培养空间想象能力。比如，在讲解剖视图时，教师仅通过 维的剖视图图纸和简单的语言描述，很难让学生真正理解剖切平面的位置、剖切后的内部结构以及视图中各种线条所代表的含义，学生往往只能死记硬背，无法形成直观的空间认知。

2.3 学生个体差异被忽视

学生由于成长环境、学习经历等不同，空间思维基础存在显著差异。部分学生在入学前就通过各种途径接触过三维建模、机械拆装等活动，具备一定的空间思维能力；而另一部分学生则缺乏相关经验，空间思维能力相对薄弱。

但在实际教学中，教师通常采用统一的教学内容、教学进度和评价标准，没有充分考虑到学生的个体差异。这使得基础薄弱的学生在学习过程中不断遇到困难，逐渐失去学习信心；而基础较好的学生则因教学内容过于简单，学习积极性受到影响，无法获得进一步的提升，最终导致整体教学效果不理想。

三、理论基础

3.1 建构主义理论

建构主义理论认为，学习不是学生被动接受教师传授知识的过程，而是学生在已有知识和经验的基础上，主动建构新的知识意义的过程。在 “以图构物” 空间思维能力的培养中，建构主义理论强调学生的主体地位，认为学生应该是知识建构的主动者，而教师则是教学活动的引导者和辅助者。

根据这一理论，教师在教学过程中应创设合适的教学情境，为学生提供丰富的学习资源和实践机会，引导学生结合自身已有的生活经验和知识储备，通过自主探索、合作交流等方式，将二维图纸上的信息转化为自身的空间认知。例如，在教学中引入实际的工程案例，让学生分组对案例中的图纸进行分析和讨论，鼓励学生主动思考图纸所对应的立体形态，从而在这一过程中逐步构建起自己的空间思维模式。

3.2 认知负荷理论

认知负荷理论指出，人的工作记忆容量是有限的，在学习过程中，如果信息输入的总量超过了学习者的认知负荷上限，就会影响学习效果。因此，在教学过程中，教师应合理安排教学内容的难度和呈现方式，控制学生的认知负荷，以提高学习效率。

在 “以图构物” 空间思维能力的培养中，复杂的工程图纸包含大量的空间信息，如果教师一次性将所有信息呈现给学生，很容易导致学生的认知负荷过重，无法有效理解和吸收。因此，教师应将复杂的图纸分解为若干简单的部分，按照由易到难、由简到繁的顺序逐步呈现给学生，同时采用直观、形象的教学手段，如三维模型、动画演示等，帮助学生降低对空间信息的认知难度，逐步引导学生构建起完整的空间思维。

四、创新教学方法及案例分析

4.1 BIM 技术融合教学法

BIM（建筑信息模型）技术具有可视化、参数化等特点，将其融合到工程制图教学中，能够为学生提供直观的三维模型，帮助学生更好地理解二维图纸与三维实体之间的对应关系。

在机械零件制图教学中，教师可以先展示零件的二维图纸，然后利用 BIM 软件快速生成对应的三维模型。学生可以通过操作软件，从不同角度观察三维模型的形状、结构和尺寸，清晰地看到零件的各个细节以及它们之间的空间关系。同时，还可以通过 BIM 软件的剖切功能，模拟不同剖切平面下零件的内部结构，让学生直观地理解剖视图的形成原理和表达方法。

某高校在机械专业的工程制图课程中采用了这种教学方法，经过一个学期的实践，学生对复杂零件图纸的理解准确率较之前提升了 40% ，在后续的课程设计中，学生能够更快地根据设计要求绘制出符合规范的图纸，并构建出合理的三维模型。

4.2 任务驱动教学法

任务驱动教学法是一种以任务为导向的教学方法，通过设置具体的、具有挑战性的工程任务，让学生在完成任务的过程中主动学习和应用知识，培养其空间思维能力和解决实际问题的能力。

在教学中，教师可以根据教学内容和学生的实际水平，设计一系列递进式的任务。例如，在组合体视图教学单元，首先给学生布置一个简单的任务：根据给定的立体模型，绘制其三视图；然后逐步提高任务难度，让学生根据三视图想象出组合体的立体形状，并使用橡皮泥或三维建模软件制作出对应的模型；最后，给出一个实际的工程场景任务，如设计一个简单的机械部件，要求学生绘制出零件图和装配图，并说明其工作原理。

某高校在土木工程专业的工程制图课程中实施了任务驱动教学法，学生在完成一系列任务的过程中，需要不断地进行 “图” 与 “物” 之间的转化，空间思维应用能力得到了显著增强。课程结束后的调查显示， 85% 的学生认为这种教学方法提高了他们对工程制图课程的兴趣， 78% 的学生表示自己的空间想象能力有了明显提升。

4.3 分层教学策略

分层教学策略是根据学生的空间思维基础和学习能力，将学生划分为不同的层次，然后针对不同层次的学生制定不同的教学目标、教学内容和评价标准，以满足不同学生的学习需求。

在实施分层教学时，首先通过课前测试和日常观察，将学生分为基础层、进阶层和提高层三个层次。对于基础层的学生，教学目标主要是让他们 图形的 以图构物” 方法，教学内容以简单的几何体和组合体为主，通过大量的实例 建立 步的空间思维；对于进阶层的学生，教学目标是提高他们对复杂图纸的分 杂组合体、零件图和装配图的学习，通过案例分析和小组讨论，培养他 教学目标是培养他们的创新思维和综合应用能力，教学内容可以引入一 例和设计项目，鼓励他们进行自主探究和创新设计。

某高校在一个工科班级中采用了分层教学策略，经过一个学期的教学实践，各层次学生的空间思维能力均有不同程度的提升，班级整体的工程制图课程成绩较上一届提高了 25% ，学生的学习积极性和自信心也得到了明显增强。

五、结论

工程制图课程中 “以图构物” 空间思维能力的培养是提升学生工程素养的关键环节。当前教学中存在的教学侧重理论灌输、方法单一固化以及忽视学生个体差异等问题，严重制约了学生空间思维能力的提升。

基于建构主义和认知负荷理论提出的 BIM 技术融合教学法、任务驱动教学法和分层教学策略，能够有效改善工程制图教学效果。这些方法通过不同的方式激发学生的学习兴趣，引导学生主动参与 “以图构物” 的过程，从而提升其空间思维能力。

在未来的教学中，应进一步优化这些教学方法，结合现代教育技术的发展，不断探索新的教学模式，为学生创造更好的学习环境，全面提升工程制图课程的教学质量，为培养更多高素质的工程技术人才奠定坚实基础。

参考文献

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