SolidWorks软件在观察物体教学中的应用

    李洁

    

    

    

    摘? 要 嘗试将产品建模软件SolidWorks系统应用于“观察物体”教学中,通过物体的四视图同步关联表达,帮助学生观察、判断物体空间相对位置关系的特点,有利于提高学生的空间想象能力和推理能力,促进学生全面发展。

    关键词 小学数学;观察物体;SolidWorks;空间推理;信息化教学

    中图分类号:G623.5? ? 文献标识码:B

    文章编号:1671-489X(2020)09-0032-03

    1 引言

    从不同的方向观察物体的形状和位置关系,可以拓展小学生的空间思维能力和空间推理能力。“观察物体”是小学数学的重要内容。第一个层次(二年级下册)是从不同角度观察实物和单个立体图形。第二个层次(四年级下册)是从三个不同的位置观察同一个几何组合体,看到的形状可能不同;从同一位置观察三个不同的几何组合体,看到的形状可能相同。第三个层次(五年级下册)是根据从一个方向看到的形状图拼搭几何组合体;根据从三个方向看到的形状图拼搭几何组合体[1-2]。

    其中,五年级内容是学生从二维到三维空间的转化,由观察到的形状图(平面图形)还原几何组合体(立体图形)的过程,需要学生将抽象的空间想象具体化。一般是要求学生通过动手操作,借助建立的直观表象进行推理,在拼摆小正方体的活动中不断验证、加以完善,探索出拼搭的方法。但是,由于从多个二维空间图形构建三维物体的过程本身存在多解性,基于二维几何轮廓,在思维空间中推理三维几何体,是一项比较复杂的思维推理活动,抽象度高,挑战性大,是教学过程中的难点。

    为了培养学生的空间思维与推理能力,促进学生对三维物体与其二维图形轮廓的认知,笔者尝试借助信息化教学手段,针对五年级的知识点教学,引入计算机产品建模软件SolidWorks,借助软件系统中四视图的关联表达功能,展现二维图形与三维物体之间的关联关系,促进学生空间推理能力的发展。

    2 “观察物体”课程难点分析

    “观察物体”知识点之所以对于小学生来说具有挑战性,难点在于三维物体的立体结构从不同方向看上去有不同的几何轮廓,是一个弱概念知识,很难通过下定义的方式让学生理解。而且空间不同位置上的两个物体之间有明确的相对位置关系,这些位置关系从不同角度观察,有可能会引起物体轮廓形状之间的遮挡,这也是从多个二维空间图形构建三维物体的过程存在多解性的原因。

    从投射线通过物体向特定投影面投射,可以得到确切的图形轮廓,这种投影构图是一门严格的科学。如图1所示,从不同的方向观察一个圆锥体,它的轮廓形状是不一样的,从上往下看是一个圆形,从前向后看、从右向左看均为三角形。但是,在五年级教学中,确切的轮廓绘制不是教学的重点;教学重点是通过观察物体,让学生学会描述简单几何物体的投影轮廓特征,逐步培养学生的空间认知与推理能力。

    在上述过程中,如何通过有效的教学过程,实时再现二维空间和三维空间之间的关联关系,促进学生空间推理认知能力的发展,是对教师专业素养的考验,也是教学方法创新的难点。下面,笔者具体探索SolidWorks在“观察物体”教学中的应用。

    3 SolidWorks软件系统在“观察物体”教学中的应用

    SolidWorks是达索公司的一款产品建模软件,随着创客教育、3D打印技术在基础教育阶段的应用,SolidWorks系统也开始逐渐进入小学课堂 [3]。运用SolidWorks,对于简单的形体,如立方体、长方体等,可以通过“拉伸”特征实体建模;对于圆锥、圆球等,可以通过“扫描”特征实体建模。基本物体模型建好后,可以通过装配关系,完成多个物体之间的空间位置关系的确定,常用的空间装配关系有“重合”“平行”“垂直”“相切”“同轴”等。

    建立好小方块模型,可以通过不同小方块平面之间的“重合”关系,逐步拼接成不同的空间组合几何体,如图2所示。基于图2中的小方块组合体,可以通过引入新的小方块,将其放置在不同的空间位置,观察三维空间关系与二维轮廓图形之间的变化关系。新引入的小方块放置不同的位置,不同视角观察的二维图形轮廓有可能引起变化,也可能存在不变化的视角轮廓。图3是方块组合体的三维模型与不同视角的轮廓图形。

    打开图2中组合体的文件,通过菜单“窗口”→“视口”→“四视图”,进入图4所示界面,出现四个相互独立的视图区域,依次记为“①号区域”“②号区域”“③号区域”“④号区域”。其中,“④号区域”视图是三维视角表达区域,可以形象地看到组合体的构成;“①号区域”是从左侧看到的轮廓图形,即左视图;“②号区域”是从前方看到的轮廓图形,即前视图;“③号区域”是从上方看下去的轮廓图形,即俯视图。

    “四视图”表达的优点是可以实时看到物体空间位置变化引起的投影变化。如图4所示,引入一个新的小方块,将它放置于特定空间位置,如“④号区域”中空间位置关系,放置于右端方块前方,并相互贴合。与图3相比,可以实时看到不同视图中的轮廓图形的变化。其中,“③号区域”视图发生变化,而“①号区域”与“②号区域”的轮廓图形未发生变化。

    借助于“四视图”的关联表达,可以直观地显示“二维图形”与“三维模型”之间的关联关系,有效显示不同物体之间的空间关系,便于学生共同参与拼接活动,促进其空间思维与推理能力的提高。

    4 结语

    本文以SolidWorks软件的应用为新的教学手段,通过“四视图”的关联表达,为学生讲解三维实体空间关系与二维轮廓图形的关联,拓展了信息化教学的途径与手段,有助于学生形成空间投影认知,实现“观察物体”教学目标,突破教学难点。

    参考文献

    [1]小学数学课程教材研究开发中心.教师教学用书:数学(五年级下册)[M].北京:人民教育出版社,2016:9-11.

    [2]赵劲松.不同版本教材“观察物体”内容比较及教学启示[J].小学数学教育,2017(24):13-15.

    [3]彭方新,孙炜,井春鱼.3D打印在基础教育中的创新应用[J].工业技术创新,2018(4):66-69,83.