基于SPOC的組合體構(gòu)型設(shè)計(jì)教學(xué)改革探索

任潔

[摘 要]組合體構(gòu)型設(shè)計(jì)作為機(jī)械制圖與工程制圖課程中的重要內(nèi)容，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力具有重要作用?；赟POC的組合體構(gòu)型設(shè)計(jì)教學(xué)改革，是把講述性知識(shí)點(diǎn)制作為視頻課程，按照學(xué)生的不同專業(yè)設(shè)置不同的構(gòu)型設(shè)計(jì)任務(wù)，要求學(xué)生完成草圖繪制、制作黏土模型或三維軟件建模、繪制工程圖等學(xué)習(xí)任務(wù)，使學(xué)生能夠在小組任務(wù)完成的過程中達(dá)到自主學(xué)習(xí)、獨(dú)立思考、掌握知識(shí)、鍛煉能力的目的。

[關(guān)鍵詞]組合體構(gòu)型;SPOC;制圖;三維建模;教學(xué)改革

[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2021）11-0060-03

一、引言

機(jī)械制圖、工程制圖等課程作為工科專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，開課廣泛，實(shí)用性強(qiáng)[1]。其中的組合體構(gòu)型設(shè)計(jì)內(nèi)容屬于課程的重點(diǎn)內(nèi)容之一，是提升學(xué)生的空間思維能力和閱讀工程圖樣能力的基礎(chǔ)[2-3]。構(gòu)型是指對(duì)形體的結(jié)構(gòu)與形狀進(jìn)行構(gòu)造，或者說是形態(tài)的組合與分解[4]。組合體的構(gòu)型設(shè)計(jì)是指根據(jù)一定的要求，利用已有的知識(shí)和創(chuàng)造性的思維方式，用疊加、切割等形式把基本體構(gòu)造成新的組合體并表達(dá)出工程圖的過程。

制圖類課程的性質(zhì)決定了授課對(duì)象基本上是大學(xué)新生，他們一般缺乏系統(tǒng)的思維訓(xùn)練，也比較缺乏專業(yè)知識(shí)，因此他們在制圖課程的學(xué)習(xí)中，往往因缺乏很好的空間想象力而對(duì)組合體的讀圖理解能力較差，做題往往事倍功半[5]。為了解決這些問題，教師設(shè)計(jì)了基于SPOC（small private online course）的組合體構(gòu)型設(shè)計(jì)教學(xué)。SPOC是一種小規(guī)模限制性在線課程[6]，以學(xué)生作為教學(xué)活動(dòng)的主體，教師起答疑和指導(dǎo)的作用，把課下在線學(xué)習(xí)和課堂教學(xué)討論結(jié)合起來，不僅有助于學(xué)生鞏固制圖類課程中的畫法幾何內(nèi)容，而且有助于培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、空間想象能力、實(shí)際動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)。

二、SPOC與制圖類課程的結(jié)合

SPOC作為一種深度學(xué)習(xí)模式[7]，一般是指幾十人到幾百人借助微課、視頻等教學(xué)資源，通過翻轉(zhuǎn)課堂實(shí)現(xiàn)面對(duì)面課堂教學(xué)與在線學(xué)習(xí)的有機(jī)結(jié)合。MOOC的成本與運(yùn)營費(fèi)用高，而SPOC可以由一個(gè)或多個(gè)模塊構(gòu)成，不需要一整套完整的課程[8]，更適合太原工業(yè)學(xué)院（下文簡稱“我?！保┑膶?shí)際情況。相對(duì)于MOOC學(xué)習(xí)的低完成率[9]，SPOC有助于提高教師對(duì)學(xué)生課程學(xué)習(xí)活動(dòng)參與的掌控程度，把教師單向的知識(shí)傳遞變?yōu)榻處熍c學(xué)生的交互式學(xué)習(xí)，提高學(xué)生課程學(xué)習(xí)完成度[10]。

SPOC作為MOOC和翻轉(zhuǎn)課堂的結(jié)合，除了比MOOC更適用于大學(xué)課堂教學(xué)也有翻轉(zhuǎn)課堂不能比擬的優(yōu)點(diǎn)。翻轉(zhuǎn)課堂是教師讓學(xué)生在課前通過多媒體等手段自主學(xué)習(xí)之后在課堂上對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行討論或?qū)嶒?yàn)[11]，是一種自主性非常強(qiáng)的學(xué)習(xí)模式。但在中國的教育實(shí)踐中，翻轉(zhuǎn)課堂卻顯示出“水土不服”的特點(diǎn)[10]，這是由于翻轉(zhuǎn)課堂對(duì)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)依賴程度很高，如果學(xué)生沒有正確的學(xué)習(xí)態(tài)度與效果，那么后續(xù)的課堂討論就難以實(shí)施，就達(dá)不到翻轉(zhuǎn)課堂的預(yù)期效果。SPOC作為小規(guī)模的教學(xué)方法，在學(xué)生的選取過程中具有篩選性[12]，使得學(xué)生的知識(shí)水平和專業(yè)素養(yǎng)差距不大，從而使教師可以更有針對(duì)性地進(jìn)行學(xué)習(xí)引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)不同學(xué)生的個(gè)性化教育。

制圖類課程目前普遍存在內(nèi)容多、學(xué)時(shí)少、課程應(yīng)用性強(qiáng)、機(jī)械專業(yè)和非機(jī)械專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)需求差異大的情況。基于SPOC的制圖類課程構(gòu)建，首先需要針對(duì)不同專業(yè)選擇不同的適合開展SPOC教育的知識(shí)點(diǎn)。制圖類課程中并非所有的知識(shí)點(diǎn)都適用于翻轉(zhuǎn)課堂。比如畫法幾何部分的國家標(biāo)準(zhǔn)的講解，屬于需要嚴(yán)格遵守的標(biāo)準(zhǔn)，很難將其作為學(xué)生討論的內(nèi)容。因此，本文針對(duì)“組合體構(gòu)型設(shè)計(jì)”這一部分內(nèi)容，結(jié)合機(jī)械專業(yè)和非機(jī)械專業(yè)的不同情況，分別介紹基于SPOC的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)改革探索。

三、教學(xué)設(shè)計(jì)

在學(xué)習(xí)完組合體的繪圖讀圖之后，學(xué)生對(duì)組合體有了基本的了解。由于構(gòu)型設(shè)計(jì)多為講述性知識(shí)點(diǎn)，因此適用于建設(shè)視頻課程，以方便學(xué)生自學(xué)和反復(fù)學(xué)習(xí)。針對(duì)組合體構(gòu)型設(shè)計(jì)這部分內(nèi)容，我們通過對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行整理和編排后制作了視頻課程，并在公共平臺(tái)進(jìn)行發(fā)布，要求學(xué)生在課下自學(xué)。由于教學(xué)大綱對(duì)機(jī)械專業(yè)和非機(jī)械專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的要求不同，因此我們在視頻課程中布置了不同的作業(yè)方式。課堂上要求學(xué)生運(yùn)用從視頻課程所學(xué)習(xí)的內(nèi)容，以小組的形式設(shè)計(jì)構(gòu)型一個(gè)符合作業(yè)要求的組合體。教師在小組討論中給予必要的解答和幫助。其教學(xué)具體設(shè)計(jì)如圖1所示。

四、構(gòu)型過程

學(xué)生在學(xué)習(xí)了組合體構(gòu)型設(shè)計(jì)視頻課程之后，就可以開始初步的構(gòu)型設(shè)計(jì)了。本次教學(xué)改革以小組（每組五人左右）為單位進(jìn)行，并針對(duì)機(jī)械專業(yè)和非機(jī)械專業(yè)進(jìn)行了不同的任務(wù)布置。

（一）機(jī)械專業(yè)的構(gòu)型設(shè)計(jì)過程

機(jī)械專業(yè)學(xué)生所學(xué)習(xí)的機(jī)械制圖課時(shí)較多，基礎(chǔ)知識(shí)掌握較為扎實(shí)，而且同時(shí)開設(shè)的計(jì)算機(jī)繪圖課程，使學(xué)生能夠獲得一定的三維軟件使用經(jīng)驗(yàn)。因此對(duì)其組合體構(gòu)型設(shè)計(jì)的要求為“由給出的基本體：四棱柱、三棱柱、圓球和圓柱，如圖2，以小組為單位，經(jīng)過合理的疊加、切割等構(gòu)型設(shè)計(jì)不同組合體，并且建立三維模型、繪制二維工程圖”。

學(xué)生在自由分組之后按照要求討論、構(gòu)型設(shè)計(jì)組合體，并且通過草圖把組合體的形狀表達(dá)出來。教師發(fā)現(xiàn)大多數(shù)組都是通過軸測圖表達(dá)設(shè)計(jì)想法，這是因?yàn)楦队袄L制出的三視圖相比，軸測圖更能直觀地表達(dá)組合體的形狀。在小組討論的過程中，教師主要起監(jiān)督作用，先不要干涉學(xué)生的討論活動(dòng)，也不要對(duì)學(xué)生構(gòu)型的模型進(jìn)行批判和指正。如果發(fā)現(xiàn)有不對(duì)的地方就先記下來，然后引導(dǎo)學(xué)生在后續(xù)的建模中自行發(fā)現(xiàn)并改正錯(cuò)誤。

學(xué)生在小組討論后通過Solidworks軟件完成組合體三維建模。這個(gè)建模過程本身就是對(duì)組合體的一個(gè)檢驗(yàn)過程，構(gòu)型中的部分錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致建模不成功，因此教師對(duì)機(jī)械專業(yè)學(xué)生應(yīng)以引導(dǎo)為主，減少干涉，讓學(xué)生有個(gè)“發(fā)現(xiàn)問題—重新構(gòu)型—解決問題”的獨(dú)立思考和討論過程，只在學(xué)生尋求幫助時(shí)給予必要的解答和支持。部分機(jī)械專業(yè)學(xué)生的組合體構(gòu)型設(shè)計(jì)作品如圖3所示。

（二）非機(jī)械專業(yè)的構(gòu)型設(shè)計(jì)過程

非機(jī)械專業(yè)學(xué)生因工程制圖課時(shí)少而缺少空間思維能力，也沒有學(xué)習(xí)過二維、三維繪圖軟件。因此對(duì)非機(jī)械專業(yè)學(xué)生的組合體構(gòu)型設(shè)計(jì)要求為“以小組為單位，由不少于三個(gè)基本體，經(jīng)過合理的疊加、切割等，構(gòu)型設(shè)計(jì)不同組合體。小組間隨機(jī)交換草圖，根據(jù)草圖制作黏土模型，并采取合理的表達(dá)方法，繪制組合體的工程圖”。

非機(jī)械專業(yè)學(xué)生由于工程制圖課時(shí)有限，平時(shí)繪圖練習(xí)機(jī)會(huì)不多，因此其所構(gòu)型的草圖出現(xiàn)的錯(cuò)誤較多。這時(shí)教師就不能像對(duì)待機(jī)械專業(yè)學(xué)生那樣以監(jiān)督為主，而要對(duì)每組的草圖進(jìn)行檢查和糾正。如圖4（a）中所示，這組學(xué)生構(gòu)型的草圖以三視圖來表達(dá)，但其中缺少定位尺寸。圖4（b）中草圖尺寸缺少直徑符號(hào)，缺少剖視后方的輪廓線，而且再設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)了點(diǎn)接觸。

教師對(duì)學(xué)生的草圖進(jìn)行批改和修正之后，小組之間隨機(jī)交換草圖，由不同的組通過黏土制作模型，校驗(yàn)構(gòu)型設(shè)計(jì)的正確性。之所以小組之間要進(jìn)行交換，一是因?yàn)閷W(xué)生存在思維定式，不容易發(fā)現(xiàn)自己的錯(cuò)誤;二是防止學(xué)生為了方便完成黏土制作和畫工程圖，故意構(gòu)型設(shè)計(jì)簡單的組合體。構(gòu)型設(shè)計(jì)不合理或者尺寸標(biāo)注不全面的草圖，就會(huì)影響?zhàn)ね聊Ｐ偷闹谱?。模型制作組的學(xué)生可以對(duì)草圖不正確的地方進(jìn)行更改和記錄并在后續(xù)答辯時(shí)指出。

黏土模型制作成功后繪制組合體的工程圖。部分學(xué)生作品如圖4所示。從圖中可以看到，學(xué)生在繪制工程圖時(shí)很容易重復(fù)草圖中的錯(cuò)誤，如圖4（b）。這是因?yàn)閷W(xué)生認(rèn)為老師已經(jīng)批改過草圖，所以就不再進(jìn)行獨(dú)立思考，直接抄圖。學(xué)生缺乏獨(dú)立思考習(xí)慣與質(zhì)疑精神，這也是現(xiàn)在大學(xué)教學(xué)需要探討解決的問題。因此在之后的班級(jí)構(gòu)型設(shè)計(jì)時(shí)，筆者都要求學(xué)生用軸測圖進(jìn)行表達(dá)，如圖4（c）所示。進(jìn)行工程圖繪制的學(xué)生需要自行思考，采取合適的表達(dá)方式進(jìn)行繪圖。

五、學(xué)生互評(píng)

學(xué)生完成對(duì)組合體構(gòu)型的設(shè)計(jì)后還需要教師對(duì)各個(gè)作品進(jìn)行整理、分析、講解。

對(duì)于機(jī)械專業(yè)學(xué)生，每組學(xué)生自己制作PPT，并推薦一名學(xué)生在課堂上通過PPT講解構(gòu)型方法以及展示三維模型和二維工程圖。學(xué)生講解之后由教師點(diǎn)評(píng)，指出草圖、模型和工程圖存在的錯(cuò)誤，比如圖3的工程圖缺少中心線。此外，教師可以針對(duì)構(gòu)型設(shè)計(jì)的組合體拓展知識(shí)面。如圖3（a）中，三棱柱和圓柱相交，圖3（b）中三棱柱和半球相切，教師在點(diǎn)評(píng)作品之后可以針對(duì)三棱柱的相交和相切中交點(diǎn)和切點(diǎn)的不同畫法進(jìn)行講解，鞏固課程中“組合體繪圖”的知識(shí)點(diǎn)。

對(duì)于非機(jī)械專業(yè)學(xué)生，教師對(duì)草圖、模型和工程圖進(jìn)行拍攝并制作PPT，在課堂上首先由構(gòu)型草圖組的學(xué)生上臺(tái)講解構(gòu)型思路，然后由模型制作組的學(xué)生指出在模型制作過程中發(fā)現(xiàn)的草圖所存在的不合理處。通常情況下都是草圖缺少必要的尺寸，使得模型無法準(zhǔn)確制作，也有些點(diǎn)接觸、面接觸等不合理處，最后由教師講解工程圖的繪圖錯(cuò)誤。

上述講解之后，教師針對(duì)構(gòu)型設(shè)計(jì)要求以及作品的難易程度，通過多媒體教室的“雨課堂”，由學(xué)生通過手機(jī)對(duì)每個(gè)小組的構(gòu)型設(shè)計(jì)作品進(jìn)行實(shí)時(shí)匿名投票。要求每個(gè)學(xué)生選擇三組進(jìn)行投票。之所以要求選擇三組，是因?yàn)閺男睦韺W(xué)上考慮，大部分學(xué)生在除了給自己組的草圖和自己模型組投票后一般會(huì)選擇構(gòu)型設(shè)計(jì)真正好的作品。

教師通過對(duì)組合體構(gòu)型設(shè)計(jì)這一內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)改革，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)新教學(xué)模式普遍持積極參與的態(tài)度。從兩個(gè)合堂班級(jí)的投票結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相較于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，82%的學(xué)生更認(rèn)可SPOC的教學(xué)模式。這也給其他內(nèi)容和課程的教學(xué)改革提供了參考。

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[責(zé)任編輯：龐丹丹]