數(shù)字化技術(shù)在工程圖學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究

王鋼 王盼 楊圣虎 于亞君

[摘要]隨著現(xiàn)代化數(shù)字信息技術(shù)的發(fā)展，教育學(xué)領(lǐng)域?qū)φn程教學(xué)改革也逐步加強(qiáng)，教育也要跟隨時(shí)代的腳步。工程圖學(xué)進(jìn)行數(shù)字化教學(xué)的要求也尤為迫切。本文從國內(nèi)外數(shù)字化教學(xué)概況、數(shù)字化教學(xué)內(nèi)涵、工程圖學(xué)數(shù)字化教學(xué)具體應(yīng)用等角度做了較為詳細(xì)的探究，并對(duì)工程圖學(xué)數(shù)字化教學(xué)的發(fā)展做了展望。

[關(guān)鍵詞]數(shù)字信息技術(shù) ?工程圖學(xué) ?教學(xué)改革 ?數(shù)字化教學(xué)

引言：工程圖學(xué)是我國工科院校各工科專業(yè)學(xué)生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，國內(nèi)高校中，傳統(tǒng)的工程圖學(xué)教學(xué)方法是使用尺規(guī)儀器在黑板上繪圖、由教師進(jìn)行課堂授課，因而就會(huì)出現(xiàn)如下的的問題：在上課時(shí)間有限的條件下，教師不可能，也沒有足夠精力把全部立體圖形都呈現(xiàn)在黑板上，難以達(dá)到理想的教學(xué)效果。

信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在20世紀(jì)90年代中后期得到很大發(fā)展和利用，而社會(huì)發(fā)展依靠教育，數(shù)字信息技術(shù)必然應(yīng)當(dāng)服務(wù)于教育領(lǐng)域，國家在新時(shí)期將“教育信息化”、“教學(xué)數(shù)字化”兩個(gè)目標(biāo)同時(shí)提出，以達(dá)到通過科技促進(jìn)教育的發(fā)展和人才培養(yǎng)的目的[1]。

一、數(shù)字化教學(xué)的內(nèi)涵

數(shù)字化教學(xué)的含義一般是教師和學(xué)生在數(shù)字化資源環(huán)境中，把現(xiàn)代教育理論作為指導(dǎo)，運(yùn)用數(shù)字化資源和技術(shù)以數(shù)字化教學(xué)模式對(duì)學(xué)生進(jìn)行培養(yǎng)教導(dǎo)，以達(dá)到培養(yǎng)滿足社會(huì)需求的、具有創(chuàng)新意識(shí)和能力的高素質(zhì)人才的教育教學(xué)活動(dòng)。在目前的文獻(xiàn)中，盡管沒有文字對(duì)數(shù)字化教學(xué)定義進(jìn)行直接表述，但是對(duì)“信息技術(shù)與課程的整合”有所涉及。數(shù)字化技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是整合信息技術(shù)與課程內(nèi)容。這些表述在某些程度上解釋了數(shù)字化教學(xué)的基本內(nèi)涵。

以下是國內(nèi)一些教育界人士對(duì)數(shù)字化教學(xué)的兩種表述。華南師范大學(xué)教育技術(shù)研究所李克東教授認(rèn)為：對(duì)于信息技術(shù)與課程整合，我認(rèn)為它是指在課程教學(xué)過程中把信息技術(shù)、信息資源、信息方法、人力資源和課程內(nèi)容有機(jī)結(jié)合，共同完成課程教學(xué)任務(wù)的一種新型的教學(xué)式。是與傳統(tǒng)的學(xué)科教學(xué)有著密切的聯(lián)系和繼承性，又具有一定相對(duì)獨(dú)立特點(diǎn)的教學(xué)類型。對(duì)它的研究與實(shí)施，將對(duì)發(fā)展學(xué)生主體性、創(chuàng)造性和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力具有重要意義[2]。北京師范大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)研究所何克抗教授認(rèn)為：信息技術(shù)與課程整合的本質(zhì)與內(nèi)涵是要求在先進(jìn)的教育思想、理論的指導(dǎo)下，尤其是主導(dǎo)——主體教學(xué)理論的指導(dǎo)下，把以計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)為核心的信息技術(shù)作為促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的認(rèn)知工具與情感激勵(lì)工具、豐富的教學(xué)環(huán)境的創(chuàng)設(shè)工具，并將這些工具全面地應(yīng)用到各學(xué)科教學(xué)過程中，使各種教學(xué)資源、各個(gè)教學(xué)要素和教學(xué)環(huán)節(jié)，經(jīng)過整理、組合，相互融合，在整體優(yōu)化的基礎(chǔ)上產(chǎn)生聚集效應(yīng)，從而促進(jìn)傳統(tǒng)教學(xué)方式的根本變革，也就是促進(jìn)以教師為中心的教學(xué)結(jié)構(gòu)與教學(xué)模式的變革，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力的目標(biāo)[3]。

數(shù)字化教學(xué)的關(guān)鍵是科技技術(shù)和資源整合，目的是把數(shù)字化信息技術(shù)應(yīng)用到教育教學(xué)中，從而利用新技術(shù)達(dá)到更加理想和完善的教學(xué)效果，讓它們服務(wù)于教師和學(xué)生，促進(jìn)高校教育朝著科技化、信息化發(fā)展。

二、工程圖學(xué)數(shù)字化教學(xué)國內(nèi)外現(xiàn)狀

目前，國外有關(guān)開發(fā)基于web協(xié)作學(xué)習(xí)系統(tǒng)的研究很多，基本上是開發(fā)適應(yīng)遠(yuǎn)程教育模式的教育平臺(tái)，為教學(xué)提供網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的系統(tǒng)支持。在我國由于網(wǎng)絡(luò)在教育中的滲透和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對(duì)學(xué)習(xí)方式的影響，對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)的模式和手段都造成了沖擊， 因此近年來基于數(shù)字化教學(xué)資源的各類課程的教改研究也發(fā)展的很快。如大連理工大學(xué)建設(shè)了內(nèi)容豐富的工程制圖教學(xué)網(wǎng)站，為工程圖學(xué)教學(xué)提供了大量的共享資源。其他一些學(xué)校也做了類似于此的建設(shè)。但對(duì)數(shù)字化教學(xué)資源環(huán)境下“工程圖學(xué)”課程教學(xué)改革研究還十分有限，大都局限在開發(fā)網(wǎng)絡(luò)課件、建立教學(xué)網(wǎng)站等初級(jí)階段。對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源共享環(huán)境下“工程圖學(xué)”課程新的教育模式、教學(xué)方法等的研究還不深入，或很少涉及，尤其是利用網(wǎng)絡(luò)資源及其他數(shù)字化教學(xué)資源指導(dǎo)學(xué)生自主、協(xié)作、探究學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)方式等方面的研究還很薄弱。因此探索和研究在數(shù)字化教學(xué)資源環(huán)境下“工程圖學(xué)”自主式的探究學(xué)習(xí)活動(dòng)和協(xié)作學(xué)習(xí)的最佳方式及其影響因素，創(chuàng)設(shè)交互式學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生的自主探究學(xué)習(xí)興趣和進(jìn)行個(gè)性化協(xié)作學(xué)習(xí)，成為現(xiàn)代工程圖學(xué)教學(xué)改革的重要課題。

三、工程圖學(xué)數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用

工程圖學(xué)具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，基于這個(gè)特點(diǎn)，我們應(yīng)當(dāng)發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)的優(yōu)勢特點(diǎn)，深層改革工程圖學(xué)這門課的教學(xué)模式、教學(xué)方法以及教學(xué)組織架構(gòu)。在高層次上促進(jìn)研究型學(xué)習(xí)的理論與實(shí)踐。憑借數(shù)字化教學(xué)資源為學(xué)生營造一個(gè)交互式學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生自主的、探究的學(xué)習(xí)興趣，提高個(gè)性化協(xié)作學(xué)習(xí)的意識(shí)和能力，從而提高學(xué)生的科研素質(zhì)和教學(xué)質(zhì)量。數(shù)字化教學(xué)資源的優(yōu)質(zhì)、多維、高效的特點(diǎn)為這一目標(biāo)提供了基礎(chǔ)和可行性。

（一）多媒體技術(shù)在工程圖學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

1.多媒體技術(shù)概述

多媒體課件教學(xué)是數(shù)字化教學(xué)中使用普遍并且易于學(xué)習(xí)和操作的一種數(shù)字化教學(xué)方式。與傳統(tǒng)板書相比，因?yàn)槎嗝襟w融合了圖片、聲音、動(dòng)畫等多種信息技術(shù)，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。多媒體教學(xué)課件信息充實(shí)、直觀性強(qiáng)、操作靈活，具有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生興趣、理解方便、實(shí)時(shí)互動(dòng)、節(jié)約空間和時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)。 可見使用多媒體教學(xué)，對(duì)于提高教學(xué)質(zhì)量、學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，具有重要作用。

2.多媒體軟件的應(yīng)用

在制作工程圖學(xué)媒體課件時(shí)，通常使用專門軟件制作工程圖形、實(shí)體、動(dòng)畫，再通過多媒體平臺(tái)軟件進(jìn)行素材整合，形成一個(gè)關(guān)聯(lián)的整體。軟件選擇首先要考慮能否完成課程內(nèi)容的需要，其次要考慮制作工作量。在教學(xué)中通常選用以下二種軟件作平臺(tái)。

（1）Powerpoint

使用Powerpoint作為課件制作編輯軟件，能比較容易地制作出內(nèi)容豐富且?guī)в卸喾N特效的幻燈片。一些提綱性和概念性的文字內(nèi)容可應(yīng)用其文字編輯功能進(jìn)行常規(guī)編輯;利用繪圖工具對(duì)點(diǎn)、線、面的投影等圖形內(nèi)容進(jìn)行繪制，并通過自定義動(dòng)畫設(shè)置來演示作圖過程。對(duì)于復(fù)雜的圖形（如三維實(shí)體模型），可利用其它軟件制作，然后將其插入到頁面中并與其它內(nèi)容組成完整的教學(xué)課件。

如下圖1為機(jī)械制圖教學(xué)Powerpoint媒體課件展示。

圖1：工程圖學(xué)Powerpoint課件

（2）Authorware

Authorware是一種以圖標(biāo)為基礎(chǔ)的多媒體制作軟件。Authorware課件可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互有，易于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性。它不僅能夠進(jìn)行信息控制、組織、傳遞，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信息內(nèi)容和形式的分解、加工、改造等操作，創(chuàng)造出一種新的信息表現(xiàn)形式。在該環(huán)境下用交互、導(dǎo)航、轉(zhuǎn)換等實(shí)現(xiàn)交互，其流程圖的設(shè)計(jì)制作方式能清晰地表達(dá)多媒體作品的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。有很多功能是Powerpoint難以做到的。

如下圖2為工程圖學(xué)教學(xué)Authorware媒體課件展示

圖2：工程圖學(xué)Authorware課件

（二）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工程圖學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

1.工程圖學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)概述

當(dāng)今社會(huì)計(jì)算機(jī)在人們的生活、學(xué)習(xí)和工作中起著舉足輕重的作用，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有著信息資源量大、信息捕捉傳遞快捷、利于資源共享的特點(diǎn)。在數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化迅速發(fā)展的知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)形式的教學(xué)是工程圖學(xué)課程發(fā)展的必然趨勢。

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的主導(dǎo)是老師，主體為學(xué)生。把網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為載體，把學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)作為首要目標(biāo)，是一種先進(jìn)的教、學(xué)互動(dòng)的教學(xué)方法。應(yīng)用先進(jìn)的教學(xué)手段，對(duì)學(xué)生的感知力、認(rèn)知程度都會(huì)有積極的促進(jìn)作用，對(duì)提高教學(xué)效率和質(zhì)量有著不可低估的作用。

2.工程圖學(xué)網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)教學(xué)模式探究

工程圖學(xué)教學(xué)方式與其他課程有很多不同的地方，在教學(xué)過程中經(jīng)常需要用到三位零件與二維圖形互相轉(zhuǎn)換的空間思維活動(dòng)。通過網(wǎng)頁上的文字和圖形表達(dá)工程圖學(xué)概念，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生空間想象能力的培養(yǎng)，這是工程圖學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)所追求的目的，所以我們應(yīng)該努力完善和拓展網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式，使工程圖學(xué)網(wǎng)絡(luò)課件更具有實(shí)用性，更好地發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的先進(jìn)作用。

工程圖學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式的具體方式思考如下：我們首先考慮的是如何使用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)順利地完成課堂教學(xué)，即怎樣才能最大程度地幫助學(xué)生理解和掌握教師所要傳達(dá)的思想，同時(shí)使教師在進(jìn)行課堂授課時(shí)更加方便、靈活。除此之外還應(yīng)該考慮通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)減輕教師批改作業(yè)的勞動(dòng)量。學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程作業(yè)、提交作業(yè)，同時(shí)教師通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)了解學(xué)生的作業(yè)情況。這就要求工程圖學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)該包含以下的基本功能：用戶登錄、課堂教學(xué)、習(xí)題檢測、反饋交流、資源支持等。

工程圖學(xué)網(wǎng)站系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大致思考如下圖3，各部分功能敘述如下：

（1）用戶登錄認(rèn)證：包括學(xué)生登錄和教師登錄，主要是用來提供建立用戶信息、驗(yàn)證用戶身份的作用，網(wǎng)絡(luò)課件用戶通過用戶名和密碼登錄后就可以在線使用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課件，學(xué)生和老師之間就可以進(jìn)行實(shí)時(shí)交流。

（2）教師應(yīng)用系統(tǒng)子系統(tǒng)：主要包括學(xué)生管理、作業(yè)布置、作業(yè)檢測、課件維護(hù)、資源管理等模塊。教師通過此子系統(tǒng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行認(rèn)證管理、學(xué)習(xí)情況指導(dǎo)記錄等教學(xué)工作，在進(jìn)行每一次網(wǎng)絡(luò)教學(xué)之后教師根據(jù)授課內(nèi)容和學(xué)生的學(xué)習(xí)情況布置相應(yīng)的作業(yè)并可以在線檢測學(xué)生提交的作業(yè)，從而減少了教師批改作業(yè)的工作量。課件維護(hù)功能主要用于教師對(duì)網(wǎng)絡(luò)課件進(jìn)行定期維護(hù)完善以保證其能夠正常使用和運(yùn)行。資源管理則是提供網(wǎng)絡(luò)課件資源比如課堂教學(xué)講解、學(xué)習(xí)資料庫等進(jìn)行更新、替換等管理工作。

（3）學(xué)生應(yīng)用系統(tǒng)子系統(tǒng)：主要包括實(shí)力模型庫、習(xí)題庫、課堂學(xué)習(xí)、互動(dòng)論壇等模塊。學(xué)生可以通過實(shí)力模型庫來對(duì)工程圖學(xué)的實(shí)力模型進(jìn)行觀察學(xué)習(xí)以提高對(duì)工程實(shí)體在工程圖學(xué)表達(dá)的感知能力。習(xí)題庫是為對(duì)那些學(xué)有余力的同學(xué)設(shè)置的學(xué)習(xí)模塊，學(xué)生在完成教師布置的作業(yè)后，可以在習(xí)題庫中找一些自己比較感興趣的習(xí)題進(jìn)行學(xué)習(xí)和鞏固。課堂學(xué)習(xí)模塊主要是用來給學(xué)生提供課堂教學(xué)記錄、回放，對(duì)在課堂學(xué)習(xí)沒有掌握好的學(xué)生可以有一個(gè)再學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，對(duì)于幫助大部分學(xué)生學(xué)習(xí)好這門課程有著很大的作用。

圖3：網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（三）其他一些數(shù)字化技術(shù)在工程圖學(xué)教學(xué)上的應(yīng)用

（1）AutoCAD?？梢杂脕碇谱鞴こ虉D學(xué)教學(xué)課件，它具有特別方便的的繪圖功能，并能可以進(jìn)行3D圖形繪制。教師不但可清晰、準(zhǔn)確地將教學(xué)用圖用它繪制，而且還可用不同的顏色把不同的線標(biāo)示出來，填補(bǔ)了教材上圖形都是黑白圖線的缺陷。將繪制好的圖形應(yīng)用到其它多媒體軟件中，通過技術(shù)處理制作成所需要的媒體課件。

（2）三維建模軟件如UG/NX、Pro/E、Solidworks等建模軟件技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的非常完善，利用先進(jìn)的三維繪圖軟件建立教材上的教學(xué)模型存在著兩方面的優(yōu)勢：一方面可以隨著教材教學(xué)的變化及時(shí)更新教學(xué)模型且最大程度上降低經(jīng)濟(jì)投入，另一方面在教學(xué)中可以進(jìn)行三維實(shí)體的動(dòng)態(tài)演示，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體模型的旋轉(zhuǎn)放大平移等操作，進(jìn)而不同角度的視圖得到展示，使學(xué)生對(duì)三維實(shí)體有直觀的了解。并且也避免了攜帶實(shí)體模型笨重不便的缺陷。運(yùn)用三維建模軟件可以建立基本幾何體截交線、相貫線、組合體以及標(biāo)準(zhǔn)件視圖剖視圖零件圖等的教學(xué)模型。（如下圖4）

圖4：三維軟件相貫線教學(xué)模型

（3）Flash動(dòng)畫軟件的應(yīng)用，F(xiàn)lash具有豐富的圖形繪制功能，用戶可通過繪圖工具進(jìn)行各種矢量圖形的制作，并能產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)、拉伸、擦除、變形等效果。如對(duì)于工程圖學(xué)中投影理論及視圖的形成過程采用Flash制作，可直觀顯現(xiàn)投影原理和投影方法。在講截交線時(shí)，理解基本體如棱柱、棱錐及回轉(zhuǎn)體被一截面截切需要有一定的想象能力，但用Flash制作的動(dòng)畫演示，學(xué)生會(huì)很快理解這一截切過程和截交線的形狀，有效地克服了學(xué)生空間想象的困難，大大提高學(xué)生的感知效果，縮短認(rèn)知過程。

四、工程圖學(xué)數(shù)字化教學(xué)展望

計(jì)算機(jī)在人們的生活中已經(jīng)越來越普及，在教育學(xué)領(lǐng)域中更應(yīng)該抓住新技術(shù)，使用現(xiàn)代化教學(xué)手段更好地去營造優(yōu)質(zhì)的教學(xué)環(huán)境。只有通過不斷學(xué)習(xí)，善于利用現(xiàn)代科技成果，教師才能在教學(xué)實(shí)踐中找到方向。數(shù)字化教學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，使教學(xué)過程中數(shù)字化技術(shù)的運(yùn)用越來越普遍。教師在學(xué)習(xí)多媒體、計(jì)算機(jī)技術(shù)的同時(shí)，也應(yīng)該關(guān)注教育理論的發(fā)展，隨時(shí)用先進(jìn)的教育理論來指導(dǎo)自己教學(xué)，發(fā)揮數(shù)字化教學(xué)的優(yōu)勢。

數(shù)字化教學(xué)的靈魂是課程體系、內(nèi)容的改革。目前在工程圖學(xué)課程的體系內(nèi)容改革中，出現(xiàn)了多種不同的模式。我們應(yīng)該努力探索適合學(xué)校自身特點(diǎn)的工程圖學(xué)新課程體系與內(nèi)容的安排。一旦有了一個(gè)較好的現(xiàn)代化工程圖學(xué)教學(xué)課程體系和內(nèi)容，就應(yīng)當(dāng)緊緊抓住數(shù)字化教學(xué)的核心，做到課程內(nèi)容與信息技術(shù)的整合，發(fā)揮出數(shù)字化教學(xué)在工程圖學(xué)學(xué)科中的巨大潛力。

基金項(xiàng)目：本課題為黑龍江省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題“工程圖學(xué)數(shù)字化教學(xué)資源與學(xué)習(xí)環(huán)境建設(shè)研究”（編號(hào)：GBB1211019）

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（作者單位：哈爾濱工程大學(xué) 黑龍江省哈爾濱市）