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.