“機械制圖”信息化教學軟件的設計開發(fā)與應用研究*

劉蘭蘭

（江西制造職業(yè)技術(shù)學院，江西 南昌 330095）

0 引言

《中國教育現(xiàn)代化2035》明確指出，要充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，豐富并創(chuàng)新課程形式，促進信息技術(shù)與教育教學深度融合。信息化技術(shù)在教育領(lǐng)域的廣泛應用，大大豐富了課程教學設計手段，提高了教學效率。筆者通過對近5年的全國職業(yè)院校技能大賽教師教學能力比賽獲獎作品的教學設計、教學資源統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，信息化教學軟件作為一種新型信息化技術(shù)頻繁出現(xiàn)在各類課程教學中，90%以上的獲獎作品都應用了信息化教學資源。如教學設計全國一等獎作品“增值稅發(fā)票填開”、課堂教學全國一等獎作品“品牌字體設計”等，都有信息化教學軟件加持。信息化教學軟件因其在激發(fā)學生學習興趣、提高學習參與度方面的顯著成效，備受大賽教學專家和各類教學名師青睞?！皺C械制圖”課程是機械類專業(yè)學生必修專業(yè)基礎課，繪圖與識圖能力也是機械類專業(yè)必備核心技能。然而，正如項楊等學者所述，“機械制圖”課程知識點繁雜、內(nèi)容枯燥、理論性強，傳統(tǒng)的教學資源如掛圖、模型、音視頻素材等很難持久激發(fā)學生的學習興趣，教學效果欠佳。因此，研究如何設計并開發(fā)一套適合“機械制圖”教學的信息化教學軟件，并將其應用于課程實踐，不僅有助于解決當前“機械制圖”課程教學的痛點，豐富信息化教學技術(shù)與資源，也將為其他課程的信息化教學設計和資源開發(fā)提供指引。

1 研究概述

1.1 現(xiàn)狀

在中國知網(wǎng)中以“機械制圖”和“信息化教學”為主題檢索，共檢索到文獻記錄89篇。從發(fā)文趨勢來看，2018年以來，年均發(fā)文量開始大量增多，2019年達到第1個頂峰，年發(fā)文量32篇，2020年也有17篇，說明越來越多的專家學者開始將信息化教學應用于“機械制圖”課程。從發(fā)文類型來看，信息化技術(shù)在“機械制圖”教學中的應用相關(guān)文獻有48篇，典型的如韓燕[1]系統(tǒng)研究并總結(jié)了云班課在“機械制圖”教學改革中的應用。信息化教學設計相關(guān)文獻25篇，如顧勇等[2]以機械專業(yè)學生課程教學改革為例，探討了“機械制圖”信息化教學設計與實踐。黃曉萍等[3]以剖視圖的繪制為例，研究了基于信息化的課程教學設計。這些研究成果都說明學者們已經(jīng)開始大量探索將現(xiàn)有的信息化教學技術(shù)應用于“機械制圖”教學。但縱觀眾多的研究結(jié)果，多為借助現(xiàn)有的信息化教學平臺如學習通、云班課、“一平三端”等所開展的信息化教學應用，鮮有針對“機械制圖”課程內(nèi)容設計的信息化教學軟件或資源。僅有2019年葉子城等[4]開發(fā)的基于AR技術(shù)的機械制圖增強圖冊，其有助于培養(yǎng)學生空間想象能力，但不具趣味性和互動性，是一類信息化教育資源但并不具備互動教學功能。其實早在2009年，商丘職業(yè)技術(shù)學院的郭君霞等[5]就提出了基于Flash開發(fā)“機械制圖”復習平臺的構(gòu)思，可實現(xiàn)找錯、圖形補充、拼圖等功能，來激發(fā)學生學習興趣。2015年吳愛華[6]發(fā)表的關(guān)于“機械制圖”課程游戲型教學構(gòu)思，用游戲闖關(guān)答題來調(diào)動學習積極性。因此，國內(nèi)目前雖有一些關(guān)于“機械制圖”的信息化教學軟件或平臺構(gòu)思，但尚無可應用實踐的具有互動教學功能、能夠顯著調(diào)動學生學習積極性的“機械制圖”教學軟件或教學平臺成果發(fā)表。

1.2 發(fā)展趨勢

上述成果從信息化教學軟件設計開發(fā)和實踐應用等方面，奠定了信息化教學軟件設計與開發(fā)的理論基礎和實踐樣本。但當前信息化教學相關(guān)成果多集中在信息化教學技術(shù)的使用或可視化教學資源的開發(fā)上，針對專業(yè)課程專門開發(fā)的具備互動功能、能夠顯著激發(fā)學生學習興趣的信息化教學軟件或平臺很少。究其原因，專業(yè)課教學軟件或平臺開發(fā)不僅需要開發(fā)團隊精通教育軟件開發(fā)的理論和技術(shù)，了解互動教學的激勵方法，還需熟悉專業(yè)課程內(nèi)容和教育教學方法，開發(fā)難度大。因此，目前發(fā)表的與專業(yè)課程教學相關(guān)的教學軟件或平臺研究成果很少，能用于專業(yè)課程的具備互動功能、能夠顯著激發(fā)學生學習興趣的信息化教學軟件只在如全國教師教學能力比賽（原全國信息化教學大賽）、全國大學生科創(chuàng)大賽等賽事中出現(xiàn)較多。因此，如何基于具體的專業(yè)課程，設計和開發(fā)與專業(yè)教學緊密相關(guān)、與課程標準協(xié)調(diào)一致、具備教學互動功能、能夠明顯激發(fā)學生學習興趣的信息化教學軟件，不僅將是信息化教學的重要發(fā)展領(lǐng)域，也將為未來的專業(yè)課程資源建設指引新的方向。

2 “機械制圖”信息化教學軟件設計

2.1 軟件開發(fā)工具選擇

當前能夠開發(fā)具備互動功能的信息化教學軟件的工具主要有Flash、3DMax、Maya、AuthorWare等。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)、增強現(xiàn)實技術(shù)、體感技術(shù)等也逐漸在教育游戲中得到應用。其中，F(xiàn)lash動畫制作軟件不僅可以實現(xiàn)鼠標、鍵盤、麥克風等交互，還可以讀取后臺服務器數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)計分析，且能通過簡單的“遮罩+繪圖與編輯圖形+補間動畫”與元件的組合，創(chuàng)建出千變?nèi)f化的效果，便于播放和交流。設計和開發(fā)周期短，制作成本低，更適合一線專業(yè)教師這類教學軟件設計或軟件開發(fā)經(jīng)驗較少的人員。“機械制圖”課程在教學中也有大量的讀圖與作圖任務，圖形形狀千變?nèi)f化，因此，“機械制圖”信息化教學軟件將基于Flash開發(fā)。

2.2 教學內(nèi)容設計

具有互動教學功能的信息化教學軟件是指專門針對“機械制圖”教學內(nèi)容而開發(fā)的教學軟件。鑒于信息化資源開發(fā)的成本和效益，在教學內(nèi)容選擇上，重點選擇各模塊難點內(nèi)容進行開發(fā)，以提高信息化資源在改善整體教學效果方面的成效。各模塊難點內(nèi)容可根據(jù)課程標準、學生學情、往屆學習數(shù)據(jù)等綜合確定。

“機械制圖”課程教學分為基礎知識、投影基礎、機件表達、標準件和常用件、零件圖、裝配圖6個模塊。根據(jù)“機械制圖”課程標準，“三視圖”為投影基礎模塊的重點教學內(nèi)容，學生要在掌握物體投影規(guī)律的基礎上，能夠根據(jù)實物或三維模型、軸測圖，繪制物體的主視圖、俯視圖、左視圖或補全三視圖。該教學內(nèi)容既是對投影規(guī)律的鞏固應用，也將為后續(xù)機件表達奠定基礎。但從歷屆學生的學習情況來看，受學生空間想象能力、學生學習興趣等因素影響，“三視圖”教學內(nèi)容已成為學生學習狀態(tài)分化的“分水嶺”。此部分教學內(nèi)容參與度高、完成率好、興趣足的同學在后續(xù)教學中表現(xiàn)也更好，更能獲得學習成就感。此部分內(nèi)容學習興趣弱、參與度低、完成率差的同學自此厭煩情緒將更加嚴重，學習參與度和完成率也越來越差。由此可見，“三視圖”教學內(nèi)容在“機械制圖”課程中的重要地位以及難點教學內(nèi)容對整門課程教學成效的影響。因此，針對“三視圖”教學內(nèi)容設計1款具備互動教學功能、能夠激發(fā)學生學習興趣的信息化教學軟件是必要的。

3 軟件設計

3.1 設計方法

市面上很多信息化教學軟件要么是通用的輔助教學平臺而不具備教育性，要么是具有教育性但無法激發(fā)學生學習興趣。能夠?qū)⒔逃院腿の缎越Y(jié)合得非常好的作品很少，這也是當前互動式教學軟件設計上的一大瓶頸。因此，如何增強信息化教學軟件互動性、能否激發(fā)學生學習興趣也成為了信息化教學軟件設計成功與否的關(guān)鍵。

實際上，早在2005年，尚俊杰等[7]就提出了“輕游戲”理論，即將主流游戲應用到教學中來實現(xiàn)教育與游戲的相互融合，激發(fā)學生學習興趣。黃小玉和王相東[8]在尚俊杰等人的基礎上提出了兩者結(jié)合的3種模式：將教育教學的內(nèi)容自然而然地融入游戲；聯(lián)機對戰(zhàn)式的批量知識競答；游戲和教育網(wǎng)站相結(jié)合，來激發(fā)學生的學習興趣。在實踐方面，沈陽師范大學的呂春晨[9]基于Flash開發(fā)了中學數(shù)學中的三視圖投影關(guān)系的教學游戲，并驗證了其在激發(fā)學生學習興趣、提高滿意度和學習成績上的有效性。浙江大學何張雨婷[10]基于Second Life 3D游戲平臺開發(fā)了對外漢語教育游戲。華東師范大學許倩倩[11]開發(fā)了一款基于具身認知的體感型教育游戲來學習初二英語詞匯等。電子科技大學楊鵾等[12]開發(fā)了一款基因工程實驗教學游戲軟件，以游戲闖關(guān)的方式訓練學生調(diào)動高階思維解決問題的能力。

上述成果都是一線教師根據(jù)自己的課堂需求，設計開發(fā)的適合學生學情、與教學過程高度配合的具有“輕游戲”功能的互動教學軟件。皆是以互動闖關(guān)為手段，以教學目標達成為互動設計的支撐，具有教育性和娛樂性并重的特點。因此，借鑒市面上已經(jīng)有的、成熟的電子游戲互動闖關(guān)和激勵功能來設計信息化教學軟件，將教學內(nèi)容作為開發(fā)素材，將知識目標、能力目標和素養(yǎng)目標融入闖關(guān)目標，將是一種適用于一線專業(yè)課教學老師、互動教學設計經(jīng)驗不足情況下信息化教學軟件設計的有效途徑。

3.2 規(guī)則與功能設計

3.2.1 規(guī)則設計

信息化教學軟件不同于教學課件，好的信息化教學軟件不僅要以多媒體形式呈現(xiàn)知識內(nèi)容，還要像游戲一樣實現(xiàn)學習者的“樂學”。其中，規(guī)則就成為了激發(fā)學生“樂學”的關(guān)鍵?！叭晥D”信息化教學軟件以市面上連連看游戲的闖關(guān)和激勵規(guī)則為原型，緊扣教學知識點和教學目標達成，以“物”“圖”為核心素材，以“物”“圖”配對為關(guān)鍵邏輯，以“物”“圖”配對的難易來設計闖關(guān)進程，學習者根據(jù)闖關(guān)規(guī)則，由易到難地完成游戲任務，逐步達成教學目標。闖關(guān)規(guī)則如圖1所示，學習者可在模式選擇中選擇從初級到中級再到高級依次闖關(guān)，也可自主選擇直接進入任一模式開始闖關(guān)。

圖1 闖關(guān)規(guī)則

3.2.2 功能設計

軟件中設置了大量物體及其三視圖圖形，涵蓋基本體、平面立體切割體、疊加型物體和回轉(zhuǎn)體切割體，各物體隨機出現(xiàn)，軟件可選擇初級、中級和高級3種模式，分別適用于物體學習的早期、中期和后期。學習者根據(jù)出現(xiàn)的物體和三視圖圖形，從待選區(qū)域中為其選擇缺失的三視圖并拖拽至正確的視圖區(qū)域方能得分。初級模式中，軟件會隨機出現(xiàn)1個物體和其對應的任意2個視圖，學習者需從待選區(qū)域中為其選擇正確的第3個視圖。中級模式中，軟件會隨機出現(xiàn)1個物體和其對應的任意1個視圖，學習者需從待選區(qū)域中為其選擇正確的另外2個視圖。高級模式中，軟件只會出現(xiàn)1個物體，學習者需要根據(jù)物體視圖畫法從待選區(qū)域中為其選擇正確的3個視圖，即主視圖、俯視圖和左視圖。三種模式由易到難，具有很強的引導性。軟件的主要功能還包括：1）都能智能評判拖拽至主、俯、左視圖圖框中的視圖是否是該物體的主、俯、左視圖，并能提示對錯，拖錯將自動放回。2）能對三個視圖按照“長對正、高平齊、寬相等”的投影規(guī)律自動對正，幫助學生養(yǎng)成規(guī)范布圖的習慣，訓練其看物知圖的空間想象能力。3）三種模式下都能記錄物圖配對的時間、得分和進度，便于教師查看學生學情。4）教師可隨時查看學生學習數(shù)據(jù)。

3.3 界面設計

軟件界面共包括4個區(qū)域，如圖2所示。其中區(qū)域1為統(tǒng)計區(qū)，顯示計時、計分和進度狀態(tài)。區(qū)域2為待選擇區(qū)，此區(qū)域每次隨機顯示12張待選圖形供拖拽。區(qū)域3為配對區(qū)，該區(qū)域會根據(jù)學習者選擇的模式變化。區(qū)域4為復位區(qū)，學習者可以根據(jù)游戲需要點擊“返回”回到首頁或點擊“重置”重置當前頁。區(qū)域3中箭頭指明了該物體的看圖方向，學習者需將該物體的主視圖、左視圖、俯視圖從區(qū)域2中拖拽到正確的視圖框方能得分，并出現(xiàn)下一個物體。

圖2 軟件界面

4 “機械制圖”信息化教學軟件關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)

4.1 計分功能

計分功能是當前信息化教學軟件的常見功能，在“三視圖”物圖配對信息化教學軟件中，軟件要根據(jù)三視圖配對情況實時計分，配對正確計1分，并以圖像、聲音方式進行提示；配對錯誤分數(shù)不變，同時圖像、聲音提示。計分功能的實現(xiàn)需要完成6部分技術(shù)操作：1）繪制動態(tài)文本框并對其命名，用于在軟件界面反饋當前得分；2）偵聽鼠標點擊和拖拽事件，用于判斷用戶拖拽的圖形及去向是否正確；3）根據(jù)對錯判定增加分數(shù)變量值的函數(shù)，用于增加分值；4）根據(jù)對錯判定，判斷要出現(xiàn)在界面的相應圖像提示和播放音提示；5）根據(jù)對錯判定，正確者啟用自動對正函數(shù)，保證圖片在三視圖中自動對正，錯誤者啟用復位函數(shù)，圖形自動退回原位；6）根據(jù)總分是否合格作為判斷進入成功或失敗界面分支的函數(shù)。

整個過程為：通過偵聽鼠標交互事件，判斷選擇是否正確，若正確則給表示分數(shù)的變量增加值，同時觸發(fā)圖像、聲音提示和自動對正功能，實時反饋到動態(tài)文本框中，最后調(diào)用函數(shù)判斷總分是否闖關(guān)成功。

4.2 自動對正功能

自動對正功能是本信息化教學軟件中創(chuàng)新性開發(fā)的，只要學習者在學習過程中將正確的三視圖圖形拖至正確圖形區(qū)域，軟件會根據(jù)“長對正、高平齊、寬相等”的投影規(guī)律讓圖形自動對正，有助于學生養(yǎng)成規(guī)范布圖的制圖習慣，保障教學的嚴謹性。其功能實現(xiàn)需要完成4部分技術(shù)操作：1）繪制三視圖圖框并對其命名；2）對所有素材圖片進行位置約束和命名；3）偵聽鼠標交互時間，判定用戶拖拽的圖形及去向是否正確；4）根據(jù)對錯判定，判斷是否需要啟用位置約束函數(shù)（自動對正功能）。

整個過程為：對所有圖片素材進行位置約束，通過偵聽鼠標交互事件，判斷選擇是否正確，若正確，則啟用位置約束函數(shù)，令圖片在對應位置“對正”布置；若錯誤，啟用復位函數(shù)，圖片回到原位置。

5 “機械制圖”信息化教學軟件應用實踐

該信息化教學軟件在開發(fā)完成后，已搭載進江西制造職業(yè)技術(shù)學院超星學習通在線教學平臺，在該校機械制造及自動化專業(yè)完成對兩屆學生、268名學生進行測試和教學應用。從測試結(jié)果來看，學生和教師普遍反映游戲運行順暢，安裝便捷。從用前調(diào)查數(shù)據(jù)來看，86%的學生表示對該信息化教學軟件充滿興趣，希望使用。從應用班級和傳統(tǒng)教學班級的教學統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，采用了“三視圖”物圖配對信息化教學軟件的班級學生不僅在該教學模塊的課程參與度、任務完成率和測評成績較傳統(tǒng)班級高，其整門課程教學的參與度和最終課程成績都較傳統(tǒng)班級有所提高。該教學游戲也助力筆者教學團隊在江西省職業(yè)院校教學能力比賽中獲三等獎。該信息化教學軟件的實踐應用結(jié)果表明，信息化教學軟件在激發(fā)學生學習興趣、提高課堂參與度和提升學習成績方面是有效的。

6 結(jié)語

具備互動教學功能的信息化教學軟件設計與開發(fā)的關(guān)鍵是如何將教學內(nèi)容和學習過程設計得讓學生“樂學”。本研究成果在系統(tǒng)梳理當前信息化教學軟件設計與開發(fā)研究現(xiàn)狀的基礎上，分析并實踐了一種適合于一線專業(yè)課教師使用的教學軟件開發(fā)工具和設計方法。實踐成果一方面有助于解決傳統(tǒng)“機械制圖”教學痛點，另一方面也驗證了采用“輕游戲”理論開發(fā)的信息化教學軟件在激發(fā)學生學習興趣、提高學習參與度和學習成績方面的有效性，研究結(jié)論也將為其他專業(yè)課信息化教學軟件的設計與開發(fā)提供思路和技術(shù)指引。但教育軟件的開發(fā)是一項系統(tǒng)工程，需要實際教學人員、教學設計人員、軟件開發(fā)人員、美工等通力合作。隨著信息化教學軟件在推動教學改革方面的作用日益凸顯、信息化技術(shù)和資源的日益豐富、娛樂化教學理念的不斷傳播，信息化教學軟件將作為一種新型信息化技術(shù)受到更多研究者和教育工作者關(guān)注，用于專業(yè)課程的信息化教學軟件資源在數(shù)量、種類上都會越來越多。