工程圖學(xué)計算機輔助教學(xué)實踐與思考

王建華， 郝育新， 劉令濤

（北京信息科技大學(xué)機電學(xué)院，北京 100192）

計算機輔助教學(xué)(computer assisted instruction,CAI) 作為一種新型的、先進的教學(xué)手段，已成為影響教育教學(xué)改革的一種新動因、新時尚[1]?，F(xiàn)在各個學(xué)校大多數(shù)課程包括工程圖學(xué)課程都采用了CAI教學(xué)。在近10年的教學(xué)改革和CAI課件開發(fā)、應(yīng)用實踐中體會到，計算機輔助教學(xué)具有許多傳統(tǒng)教學(xué)手段無法比擬的優(yōu)點，但也存在一些不足。在推廣和使用計算機輔助教學(xué)的同時，也需要積極探尋計算機輔助教學(xué)更為科學(xué)的可行之路[2]。

1 工程圖學(xué)計算機輔助教學(xué)的實踐

工程圖學(xué)課程是理工科大學(xué)生重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程之一，也是許多后續(xù)課程的先導(dǎo)課。近年來，由于科技、信息、計算機的飛速發(fā)展，為該課程注入了新的活力，融入了新的知識結(jié)構(gòu)，課程的基本內(nèi)容已成為工程設(shè)計、CAD/CAM 的基礎(chǔ)和重要組成部分[3]。其教學(xué)效果直接關(guān)系到工科主干專業(yè)學(xué)生工程素質(zhì)及工程設(shè)計能力的培養(yǎng)。長期以來，在對教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法進行改革的同時，針對教學(xué)手段改革也進行了大量有益的探索并取得了豐碩的成果。

以北京信息科技大學(xué)為例，隨著教學(xué)環(huán)境的改善，目前教學(xué)手段已由傳統(tǒng)的“粉筆+黑板”、掛圖、模型，發(fā)展為利用計算機、多媒體課件、網(wǎng)絡(luò)等輔助知識傳授。通過形象的動態(tài)仿真介紹課程研究對象及內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；通過精彩的三維動畫介紹各種形體的結(jié)構(gòu)、組成、類型和特點，培養(yǎng)學(xué)生的形象思維能力；通過三維構(gòu)型、創(chuàng)新設(shè)計和人機交互，調(diào)動學(xué)生主動參與學(xué)習(xí)進程，使其成為學(xué)習(xí)的主體；通過發(fā)揮多種媒體的綜合優(yōu)勢，介紹學(xué)科的最新發(fā)展，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識和培養(yǎng)創(chuàng)新能力。為此，經(jīng)過十幾年的教學(xué)改革研究，主要完成了以下工作：

1）制作完成了機械類和非機械類2套教學(xué)型多媒體 CAI課件。課件總體結(jié)構(gòu)以紙質(zhì)教材（《工程制圖》（高等教育出版社），《機械制圖與計算機繪圖》（國防工業(yè)出版社）“十一五”國家級規(guī)劃教材，并分別在 2005、2011年被評為北京市精品教材）為藍(lán)本，結(jié)合計算機技術(shù)，采用PowerPint集成，將多種格式的視頻、動畫、圖形、文字等有機組合在一起。將教材中的主要內(nèi)容一一展示出來，特別是對教材中的重點和難點通過二維、三維動畫及視頻補充紙質(zhì)教材不夠生動形象的不足，從而大大提高了學(xué)生從三維到二維和二維到三維的空間形象思維能力及工程應(yīng)用基礎(chǔ)知識等。課件界面良好，操作方便。教師可以根據(jù)自己的教學(xué)經(jīng)驗和習(xí)慣修改，重組已有的CAI課件，更好地滿足教師教學(xué)的需要，課件也是學(xué)生預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)的好幫手。

2）研發(fā)制作了助學(xué)型CAI課件。課件提供了與紙質(zhì)教材配套使用的2套習(xí)題集的三維虛擬模型。利用AutoCAD、Inventor、Pro/E等軟件制作了工程制圖三維模型仿真庫及視頻文件（見圖1）。學(xué)生可對每個模型進行互動式旋轉(zhuǎn)、剖切、拆裝等，從而觀察到物體在各個不同方向上的投影，也可直接觀看模型的視頻文件，就像學(xué)生身邊有個模型室一樣，三維模型仿真庫有助于學(xué)生理解習(xí)題，提高空間想象力。

課件還提供了完整的習(xí)題作圖過程和參考答案。習(xí)題答案的提供開始是有爭議的，后經(jīng)實踐證明絕大多數(shù)學(xué)生會在遇到困難時再去看參考答案，這樣可以幫助學(xué)生正確的完成作業(yè)。

課件提供了與紙質(zhì)教材配合的每一章節(jié)的學(xué)習(xí)指導(dǎo)。指出了每一章節(jié)的學(xué)習(xí)要點、題型和解題方法、解題示例和繪圖實例等。幫助學(xué)生更好地總結(jié)、歸納學(xué)習(xí)要點，更快地掌握基礎(chǔ)知識和技能，提高分析問題和解決問題的能力。

圖1 工程制圖三維模型仿真庫部分AVI文件

3）開發(fā)制作了北京市精品課程“工程制圖”網(wǎng)上輔助教學(xué)與學(xué)習(xí)系統(tǒng)，構(gòu)建了開放式網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺（主界面見圖2）。系統(tǒng)主要由課程概況、課程內(nèi)容、實踐教學(xué)、授課實況、參考資料、練習(xí)作業(yè)、教學(xué)成果、三維模型庫等組成。其中包括了課程簡介、教學(xué)團隊、教學(xué)大綱、教學(xué)課件、課程電子教案及授課實況錄像、使用教材、零部件測繪指導(dǎo)書、工程制圖相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容。學(xué)生可以通過校園網(wǎng)了解課程的相關(guān)信息，自主學(xué)習(xí)?？衫镁W(wǎng)絡(luò)、多媒體現(xiàn)代化教學(xué)手段拓展學(xué)習(xí)渠道，拓展學(xué)習(xí)內(nèi)容。并且運用留言板和BBS論壇（在規(guī)定的時間有老師值班答疑）給學(xué)生提供了教學(xué)的互動平臺，學(xué)生在學(xué)習(xí)中遇到的問題可以通過留言板或論壇向老師提問或相互討論，有利于教與學(xué)的互動和教師對教學(xué)內(nèi)容進行調(diào)整，不斷提高教學(xué)質(zhì)量。

圖2 工程制圖網(wǎng)絡(luò)平臺主界面

4）建立了工程圖學(xué)試題庫。根據(jù)學(xué)校各專業(yè)的設(shè)置要求，在總結(jié)多年的教學(xué)積累，吸收兄弟院?？荚囶}庫先進素材的基礎(chǔ)上，研發(fā)了考試題庫?？傮w設(shè)計為“制圖基本知識”單項或多項選擇、填空；“投影基礎(chǔ)”、“基本體”、“組合體”、“圖樣畫法”、“標(biāo)準(zhǔn)件和常用件”、“零件圖”等的表達(dá)求解；“技術(shù)要求”的正確標(biāo)注；“裝配圖”的拆畫測試等多個模塊。每個模塊約20余套題，各模塊相對獨立，加以組合，形成試卷。采用計算機繪制，按不同專業(yè)要求自動組卷，方便內(nèi)容更新和維護。

5）建立了功能齊全的多媒體工程圖學(xué)“CAD實驗室”。目前已配備計算機 80臺，計算機中安裝有CAI課件、工程制圖三維模型仿真庫、AutoCAD、Pro/Engine、Inventor、3DSMAX、Flash等軟件。還制作完成了工程制圖常見結(jié)構(gòu)工藝及機械加工基礎(chǔ)認(rèn)知（見圖3、圖 4）和零部件拆裝實驗2個模塊化軟件。包括用Flash制作完成的繪圖工具使用方法、平面圖形繪制方法、投影制圖原理演示；攝入了適量的機械加工基礎(chǔ)知識范例，如鑄造、鍛造、車、銑、刨、磨、鉆、鏜等工藝方法，各種基本形狀表面的加工及檢驗；測量工具的使用方法；典型部件的工作原理及拆裝等（見圖5）。這對沒有任何機械加工實踐經(jīng)驗的大學(xué)新生來說，有助于對工程圖樣相關(guān)結(jié)構(gòu)要素的理解。這使得以三維CAD軟件為平臺的教學(xué)與實踐成功展開，深受學(xué)生的歡迎。

圖3 鑄造工藝過程及結(jié)構(gòu)

圖4 軸上各結(jié)構(gòu)的機加工過程

圖5 齒輪泵工作原理和拆裝過程的動畫演示

2 工程圖學(xué)計算機輔助教學(xué)的特點及優(yōu)越性

工程圖學(xué)課程一般都開設(shè)在大學(xué)一年級階段，正處于學(xué)生適應(yīng)大學(xué)學(xué)習(xí)的環(huán)境，并且這門課程與工程實踐結(jié)合緊密，學(xué)生缺乏這方面的知識，因而難以適應(yīng)。而工程圖學(xué)CAI將計算機特有的功能用于教學(xué)，把教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)經(jīng)驗、計算機有機融合，通過教師、學(xué)生與計算機的交互活動，進行更有效的學(xué)習(xí)，從而達(dá)到教學(xué)目的。由于現(xiàn)代多媒體技術(shù)集動畫、文字、圖像、聲音等為一體，具有超強的綜合處理能力，集中了幻燈、投影、錄像等教學(xué)媒體的優(yōu)點，引起了教學(xué)方法和手段的新變革。與傳統(tǒng)教學(xué)手段相比，它在課堂教學(xué)中具有如下特點及優(yōu)越性[2]：

1）形象直觀。將一些抽象、枯燥的原理概念、復(fù)雜的變換過程和運動形式，以內(nèi)容生動、圖像逼真的教學(xué)信息展現(xiàn)在學(xué)生面前，使講課變得生動、易于理解。工程圖學(xué)課程的特點是培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力和物體的表達(dá)能力，教師利用多媒體可組合教學(xué)內(nèi)容，展示教學(xué)模型，演示作圖過程及實用背景，結(jié)合電子教案邊講解，邊操作，令學(xué)生一目了然。可方便地演示用語言難以表達(dá)的“空間思維”的過程，使學(xué)生盡快建立空間概念。這種直觀新穎的知識表達(dá)技術(shù)是常規(guī)教學(xué)手段無法企及的，有利于調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和學(xué)習(xí)積極性，明顯提高教學(xué)效果。

2）大信息量和高效率。傳統(tǒng)的板書授課模式，教師約有1/4～1/3的時間應(yīng)用在寫板書、畫圖上，教學(xué)內(nèi)容講授有限。采用多媒體CAI教學(xué)，計算機傳輸信息量大、速度快，也減少了教師上課寫板書和畫圖的時間?？衫眠@些時間講授一些有關(guān)的新知識、新進展，每節(jié)課給學(xué)生傳授的信息量增多，CAI豐富了課堂教學(xué)內(nèi)容，有利于拓寬學(xué)生的視野，提高了課堂教學(xué)效率。

3）便于學(xué)生課后復(fù)習(xí)和自學(xué)。學(xué)生可充分利用多媒體的靈活多變與交互性，自由地操作計算機，根據(jù)自己的特點和興趣，選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容，控制學(xué)習(xí)進度，檢查學(xué)習(xí)成果，有利于培養(yǎng)學(xué)生獨立學(xué)習(xí)的能力。

4）可促進教師水平的提高。由于利用多媒體網(wǎng)絡(luò)的交互功能，可實現(xiàn)學(xué)生與計算機、學(xué)生與學(xué)生、學(xué)生與教師之間的多向交互功能，共同討論問題，培養(yǎng)團隊精神，引導(dǎo)學(xué)生深入調(diào)研，查閱資料，在知識學(xué)習(xí)中分清主次，抓住重點，少走彎路。教師可及時了解學(xué)生的反饋意見，并與學(xué)生展開討論，根據(jù)實際情況及時調(diào)整多媒體教學(xué)方法和節(jié)奏。由于開放的網(wǎng)絡(luò)資源內(nèi)容時刻在更新，網(wǎng)上的許多內(nèi)容可能超出老師的教案，促使老師以“引導(dǎo)”學(xué)生學(xué)習(xí)為主，充分調(diào)動學(xué)生的主動性，培養(yǎng)了學(xué)生的綜合素質(zhì)。這樣教師每完成一輪教學(xué)工作，都要重新備課，完善多媒體課件，并有新的收獲，教學(xué)水平和組織能力會大大提高。

5）有利于推動教學(xué)改革。計算機輔助教學(xué)給教學(xué)活動提供了上機練習(xí)、查閱資料、交互討論、測評等手段，為教師的講解、演示、演練、觀摩等創(chuàng)造了條件。這樣眾多的手段為教學(xué)改革提供了廣闊空間。多媒體教學(xué)手段的運用，有利于人們逐漸改變傳統(tǒng)的教學(xué)觀念，從單純的重視傳授知識，轉(zhuǎn)變?yōu)榧戎匾曋R傳授，又重視自學(xué)能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3 計算機輔助工程圖學(xué)教學(xué)的不足

通過多年的教學(xué)實踐及調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，目前CAI教學(xué)存在以下不足：

1）CAI課件的制作不盡人意。如一些助教型課件多以教師為中心。在傳統(tǒng)教育理論的影響下，CAI課件制作的設(shè)計思想基本上是圍繞如何“教”而展開的，過于注重教師的“教”而忽視學(xué)生的“學(xué)”。有些課件實際上是將書本搬家，將教案圖解化，是任課教師板書的“換代產(chǎn)品”。所以，學(xué)生仍處于被動接受狀態(tài)，參與教學(xué)活動的機會少。助學(xué)型課件固化性強，課件的交互活動只是一種預(yù)先設(shè)定好的、在特定的情況下顯示相應(yīng)內(nèi)容。這就在很大程度上限制了學(xué)習(xí)中的非預(yù)見性的因素，而實際助學(xué)過程恰恰應(yīng)該是教與學(xué)的有機結(jié)合。

2）CAI教學(xué)課件使用不合理。有的教師在運用CAI進行教學(xué)時，由原來單純的“人滿堂灌”模式演化為“機滿堂灌”的模式。CAI貫穿教學(xué)始終，教學(xué)手段單一，結(jié)果學(xué)生從頭到尾見到的都是屏幕上的圖像、動畫、文字等，這種單一的教學(xué)手段并不能產(chǎn)生好的教學(xué)效果。學(xué)生注意力多集中于投影屏幕，而不是教師，教師的主導(dǎo)地位和生動的形體語言較少得到學(xué)生的注意。而且，一些課件片面強調(diào)聲形兼?zhèn)?，往往文字、圖像、聲音并用，這種熱鬧非凡的課件雖然有助于學(xué)生接受信息，但學(xué)生自始至終在這樣的環(huán)境下，容易感到疲勞。由于CAI信息量過大，信息呈現(xiàn)速度較快，畫面停留時間較短，教師操作過快等，使學(xué)生在課堂上基本無法記筆記。所以，學(xué)生接受的信息只能是瞬間記憶，容易遺忘。

4 對合理使用CAI教學(xué)的思考

計算機輔助教學(xué)的設(shè)備和技術(shù)在不斷更新，工程圖學(xué)的教育思想和方法也應(yīng)隨之推陳出新[4-5]。教學(xué)手段和方法的好壞應(yīng)該用教學(xué)效果來評價。多媒體輔助教學(xué)達(dá)到最優(yōu)化關(guān)鍵在教師，教師必須更新教育觀念，對CAI教學(xué)有正確的認(rèn)知并采取相應(yīng)的對策。

1）CAI課件只是教學(xué)的輔助手段，而非最終目的。計算機輔助工程圖學(xué)教學(xué)既有積極的一面，也存在不足。教學(xué)手段現(xiàn)代化必須是教學(xué)內(nèi)容與多媒體運用的最佳結(jié)合，且不可為了形式而過多地、盲目地使用CAI。如畫法幾何中的換面法，通過屏幕上大量的板書和作圖步驟一版一版地翻過，學(xué)生印象不深，遠(yuǎn)不如教師在黑板上一邊講解一邊作圖印象深刻。在組合體、剖視圖中，多用一些實物模型配合實物投影儀講解，比用計算機三維模型效果好。在講述零件結(jié)構(gòu)要素時插播機械加工的電視錄像短片，學(xué)生很容易理解和認(rèn)知等。要把握好現(xiàn)代多媒體及其與傳統(tǒng)教學(xué)媒體的有機結(jié)合，把握現(xiàn)代化教學(xué)手段應(yīng)用的最佳時機和位置，才能不斷提高教學(xué)質(zhì)量。

2）堅持以學(xué)生為中心的教育觀念，制作和完善高質(zhì)量的CAI課件和網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺。我們必須克服CAI課件以“教”為中心，書本搬家等現(xiàn)象，提高助學(xué)型課件的智能化程度。在建立高質(zhì)量工程制圖素材庫、零部件測繪實驗、模型制作加工實驗、工程制圖綜合性創(chuàng)新設(shè)計等方面，更好地發(fā)揮多媒體的優(yōu)勢，做更深入的研究，使學(xué)生在各種教學(xué)媒體的使用過程中啟發(fā)多向思維，自主學(xué)習(xí)，做到師生互動，才能達(dá)到提高課堂教學(xué)效率、培養(yǎng)創(chuàng)新意識和綜合素質(zhì)的目的。

3）發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用。雖然多媒體課件的表達(dá)能力十分強大，引入課堂后彌補了傳統(tǒng)教學(xué)的不足，但它仍然是一種輔助教學(xué)手段，不可能取代教師的作用。即使最先進的多媒體輔助教學(xué)，仍然需要充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用。教師應(yīng)當(dāng)既是教學(xué)中的“信息傳授者”，又是學(xué)生正確獲取知識的“學(xué)習(xí)指導(dǎo)者”。

5 結(jié) 束 語

計算機輔助工程圖學(xué)教學(xué)在未來無疑將占據(jù)越來越重要的地位，但立足點應(yīng)是“輔助”，而不是替代，技術(shù)手段永遠(yuǎn)是為了更好地滿足學(xué)科教學(xué)內(nèi)在的需求而存在的。如何改進CAI教學(xué)方式，將先進的教育媒體與傳統(tǒng)的教育方法優(yōu)化組合，強化教學(xué)重點，突破教學(xué)難點；用先進的圖學(xué)教育理論去指導(dǎo) CAI課件的制作和合理運用，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量與實施綜合素質(zhì)培養(yǎng)，將是一個長期而艱巨的任務(wù)，有待于進一步深入研究和探討。

[1] 陳彩萍,譚建榮. 工程制圖 CAI課件中學(xué)習(xí)情境的設(shè)計[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報,2011,32(1): 138-142.

[2] 邱亞玲,等. 對計算機輔助教學(xué)的思考[C]//機械類課程報告論壇文集,2011: 153-156.

[3] Wang Jianhua,Hao Yuxin. Teaching reform and practice in engineering drawing based on 3D modeling with computer [J]. CADDM,2011,21(1):46-51.

[4] Wang Weichen,Zhu Zhencai,Fang Liang,et al.Slicing 3D CAD model directly with ObjectARX [J].CADDM,2008,18(2): 27-32.

[5] Fang Yongze,Zhong Yifang. Engineering change management adaptive to PLM [J]. CADDM,2008,18(2): 21-26.