基于多維互動(dòng)的工程制圖課程信息化教學(xué)模式探索

吳黎　唐樂為 　諶霖霖

［摘 要］面向新工科建設(shè)和黨的二十大的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略要求，工程制圖課程需要探索構(gòu)建以信息化資源為支撐的智慧教學(xué)新模式。文章初步探索以多維互動(dòng)為特征的工程制圖課程時(shí)空融合信息化教學(xué)新模式，設(shè)計(jì)融合智慧教室及在線云平臺(tái)的課堂協(xié)作探究教學(xué)路徑，即以促進(jìn)學(xué)生三維空間想象能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的發(fā)展為課程教學(xué)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)，采用多維教學(xué)互動(dòng)方式，強(qiáng)調(diào)并突出學(xué)生探究性和個(gè)性化創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。該信息化教學(xué)新模式可為工程制圖課程信息化教學(xué)改革提供思路與參照，對(duì)新工科其他專業(yè)工科基礎(chǔ)課程信息化建設(shè)有一定的參考意義。

［關(guān)鍵詞］工程制圖；信息化教學(xué)；多維互動(dòng)；協(xié)作探究

［中圖分類號(hào)］ G642 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 2095-3437（2023）09-0054-04

一、課程概述

工程制圖課程是高等學(xué)校工科類專業(yè)本科生的必修課程之一，通過畫法幾何、制圖基礎(chǔ)和工程制圖三個(gè)部分內(nèi)容的教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生三維立體空間思維的培養(yǎng)和發(fā)展。湖南大學(xué)的工程制圖課程面向7個(gè)國家級(jí)一流本科專業(yè)，每學(xué)年平均授課總?cè)藬?shù)上千，從知識(shí)、能力、素質(zhì)和思政[1]四個(gè)維度設(shè)置課程教學(xué)目標(biāo)（見圖1）。

工程制圖課程圍繞著三維空間立體與二維工程圖樣兩個(gè)教學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容，要求學(xué)生掌握工程圖樣繪制和識(shí)圖方法，著重培養(yǎng)學(xué)生的三維立體空間想象能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力。根據(jù)新工科建設(shè)要求，工程制圖課程教學(xué)改革從工程教育和信息化改革角度出發(fā)，提出“新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新體系”五維全覆蓋課程改革思路[2]。為了培育具備新工科背景的工程創(chuàng)新型高端復(fù)合人才，應(yīng)以工程產(chǎn)品需求為導(dǎo)向、以數(shù)字化模型設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，構(gòu)建新工科建設(shè)下工程制圖課程教學(xué)新體系，將傳統(tǒng)的木模和掛圖等教輔工具逐步轉(zhuǎn)換為數(shù)字化模型和工業(yè)化產(chǎn)品[3]。近年，工程制圖課程面臨的主要困境是課程學(xué)時(shí)數(shù)不斷減少和教學(xué)知識(shí)點(diǎn)保持不變的矛盾[4]。結(jié)合工程制圖課程的現(xiàn)狀，基于信息化技術(shù)的工程制圖教學(xué)改革需要著重解決三個(gè)教學(xué)難點(diǎn)問題：（1）根據(jù)黨的二十大的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，結(jié)合授課學(xué)生基數(shù)大、授課專業(yè)范圍廣的工程制圖課程教學(xué)特點(diǎn)，如何設(shè)計(jì)和開展工程制圖課程的個(gè)性化教學(xué)；（2）如何設(shè)計(jì)和實(shí)施工程制圖課程基于時(shí)空融合的信息化教學(xué)模式；（3）如何改善和提升課堂網(wǎng)絡(luò)化互動(dòng)教學(xué)效果。面對(duì)新工科建設(shè)的課程要求，筆者探索并構(gòu)建以多維互動(dòng)為特征的工程制圖課程信息化教學(xué)新模式，以學(xué)生的三維空間想象能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的發(fā)展為課程教學(xué)設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)，培養(yǎng)高校工科專業(yè)本科生的探究式學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力。該教學(xué)新模式能夠?yàn)槠渌盒９こ讨茍D課程信息化教學(xué)改革提供思路與參照，對(duì)新工科其他專業(yè)工科基礎(chǔ)課程信息化建設(shè)有一定參考意義。

二、工程制圖信息化教學(xué)設(shè)計(jì)

工程制圖課程以圖形系統(tǒng)（包含點(diǎn)、線、面和立體等幾何元素以及文字、符號(hào)等）為載體，表達(dá)工程對(duì)象客體屬性信息[5]，能夠?yàn)楹罄m(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)和實(shí)踐工作提供基礎(chǔ)理論和實(shí)踐知識(shí)儲(chǔ)備[6]，通過教授工程制圖相關(guān)知識(shí)，培養(yǎng)工科類專業(yè)學(xué)生工程制圖投影理論應(yīng)用和工程圖樣繪制能力，推動(dòng)學(xué)生三維立體空間想象能力的形成和發(fā)展。經(jīng)過60多年的發(fā)展，湖南大學(xué)工程制圖課程教研組根據(jù)課程教學(xué)需求創(chuàng)建了一系列信息化教學(xué)平臺(tái)，包含立體化教材體系、校級(jí)課程中心、超星學(xué)習(xí)通教學(xué)平臺(tái)和愛課程慕課教學(xué)平臺(tái)，為工程制圖課程信息化教學(xué)改革提供了豐富的信息化平臺(tái)基礎(chǔ)資源。面向課程信息化教學(xué)的改革難點(diǎn)和新工科建設(shè)的發(fā)展方向，下面從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和教學(xué)互動(dòng)三個(gè)方面進(jìn)行工程制圖課程的信息化教學(xué)設(shè)計(jì)。

（一）工程制圖教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

針對(duì)前述難點(diǎn)問題（1），為了滿足學(xué)生分類分層次的個(gè)性化學(xué)習(xí)需求，采用課程實(shí)踐、綜合作業(yè)、專業(yè)競賽和拓展項(xiàng)目四個(gè)漸進(jìn)式階段，構(gòu)建工程制圖課程的進(jìn)階式實(shí)踐教學(xué)體系（見圖2），最終實(shí)現(xiàn)知行合一的工程制圖課程個(gè)性化實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)。在第一階段，課程實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容包含線段分析、二維圖繪制、三維建模和部件測繪，分別對(duì)應(yīng)課程理論知識(shí)點(diǎn)，屬于學(xué)生必須完成的課程實(shí)踐內(nèi)容。在第二階段，綜合作業(yè)采用項(xiàng)目式教學(xué)方式進(jìn)行開放式選題，讓學(xué)生以小組形式協(xié)作完成三維建模、應(yīng)力分析、拓?fù)鋬?yōu)化、優(yōu)化構(gòu)型、3D打印和項(xiàng)目報(bào)告六部分教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容。學(xué)生可以根據(jù)個(gè)人興趣參加先進(jìn)成圖創(chuàng)新大賽和拓展項(xiàng)目等課程選修教學(xué)實(shí)踐項(xiàng)目，探索課程高階學(xué)習(xí)內(nèi)容。此外，引入了個(gè)性化前沿內(nèi)容，提高工程制圖課程的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，持續(xù)激發(fā)學(xué)生的探究式學(xué)習(xí)熱情。融入課程思政教學(xué)，與專業(yè)內(nèi)容教學(xué)同向同行，不斷挖掘現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容的課程思政元素，將知識(shí)傳授和價(jià)值引領(lǐng)相互融合，實(shí)現(xiàn)工程制圖課程的全員、全方位、全過程“三全育人”教育新格局。

（二）工程制圖教學(xué)模式設(shè)計(jì)

針對(duì)前述難點(diǎn)問題（2），根據(jù)已建成可擴(kuò)展的交互式數(shù)字化三維立體模型庫，構(gòu)建以信息化資源為支撐的智慧教學(xué)模式（見圖3）。為達(dá)成預(yù)定的四維教學(xué)目標(biāo)，組織課程教學(xué)邏輯設(shè)計(jì)，選用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)或合作式學(xué)習(xí)等教學(xué)方式設(shè)計(jì)課程學(xué)習(xí)任務(wù)；通過教學(xué)路徑設(shè)計(jì)，促使學(xué)生參與師生、生生多維互動(dòng)，利用豐富的信息化資源（信息化平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)化資源、交互式數(shù)字化模型和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等），通過技術(shù)賦能實(shí)現(xiàn)教學(xué)重點(diǎn)動(dòng)態(tài)調(diào)整、教學(xué)組織形式重構(gòu)和精準(zhǔn)評(píng)價(jià)及優(yōu)化，助力工程制圖課程智慧教學(xué)水平的提升。通過分析提取測試、討論、作業(yè)和考試中的教與學(xué)大數(shù)據(jù)信息，在超星學(xué)習(xí)通平臺(tái)中構(gòu)建基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工程制圖課程知識(shí)圖譜，精準(zhǔn)評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，持續(xù)優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)過程。針對(duì)課前、課中和課后教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)相應(yīng)的教學(xué)路徑，結(jié)合在線課程慕課/學(xué)習(xí)通教學(xué)資源和信息化教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)（虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)），進(jìn)一步提出工程制圖課程的協(xié)作探究式課堂教學(xué)模式（見圖4），構(gòu)建師生、生生互動(dòng)新形態(tài)。

課前教學(xué)主要依托工程制圖在線慕課和超星學(xué)習(xí)通平臺(tái)線上班級(jí)開展在線學(xué)習(xí)和互動(dòng)討論；課中教學(xué)設(shè)計(jì)了融合智慧教室及在線云平臺(tái)的課堂信息化協(xié)作探究教學(xué)路徑；課后教學(xué)利用自主設(shè)計(jì)的信息化資源網(wǎng)站布置個(gè)性化課后作業(yè)，并上傳到校級(jí)課程中心，進(jìn)行師生、生生互評(píng)。

以信息化資源為支撐的課堂協(xié)作探究教學(xué)路徑分為四步。第一步，問題反饋牽引。通過信息化教學(xué)平臺(tái)的在線討論、課前測試和專項(xiàng)訓(xùn)練功能反饋學(xué)生的課前學(xué)習(xí)情況，分析線上學(xué)習(xí)重難點(diǎn)，確定課程教學(xué)目標(biāo)和對(duì)應(yīng)的不同教學(xué)路徑。第二步，測驗(yàn)與分析。教師通過雨課堂發(fā)布課堂測驗(yàn)習(xí)題，實(shí)時(shí)了解學(xué)生的動(dòng)態(tài)學(xué)情，學(xué)生通過手機(jī)或平板移動(dòng)端掃描二維碼實(shí)時(shí)查看交互式三維立體模型并回答課堂測試問題。第三步，協(xié)作探究學(xué)習(xí)。教師通過在線云平臺(tái)講解課程重點(diǎn)內(nèi)容，采用基于云平臺(tái)的線上線下協(xié)作探究教學(xué)新方法，借助希沃品課小程序開展課堂討論，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)讓學(xué)生獲得沉浸式仿真實(shí)踐體驗(yàn)。最后一步是評(píng)價(jià)與總結(jié)。教師通過雨課堂實(shí)時(shí)收集學(xué)生的課中學(xué)習(xí)反饋，整理課堂教學(xué)數(shù)據(jù)，用于學(xué)生的學(xué)習(xí)過程評(píng)價(jià)，并根據(jù)教學(xué)數(shù)據(jù)分析結(jié)果展開教學(xué)反思和總結(jié)。

（三）工程制圖教學(xué)互動(dòng)設(shè)計(jì)

針對(duì)前述難點(diǎn)問題（3），采用師生和生生多維度互動(dòng)教學(xué)方式（見圖5），并創(chuàng)建交互式數(shù)字化教學(xué)資源庫。根據(jù)不同的教學(xué)互動(dòng)對(duì)象，將工程制圖課程互動(dòng)教學(xué)方式分為人機(jī)互動(dòng)、人—平臺(tái)—人互動(dòng)和人際互動(dòng)三個(gè)維度。

通過實(shí)時(shí)查看本地交互式模型和在線數(shù)字化模型、參與虛擬仿真教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)，滿足學(xué)生的個(gè)性化自主學(xué)習(xí)需求，助力學(xué)生三維立體空間想象能力的提升。創(chuàng)建交互式數(shù)字化模型資源庫，通過PDF閱讀器、IE瀏覽器和在線云平臺(tái)，可視化三維呈現(xiàn)零部件的內(nèi)部構(gòu)造和工作原理，提升學(xué)生的三維立體空間想象能力。其中，在線云平臺(tái)通過云圖三維在線建模網(wǎng)站，實(shí)現(xiàn)了云端在線網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同建模、實(shí)時(shí)查看云端數(shù)字化模型的功能，打破了傳統(tǒng)專業(yè)建模軟件的模型類型限制。通過自主開發(fā)的工程制圖課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，創(chuàng)建沉浸式虛擬仿真環(huán)境，考查學(xué)生實(shí)踐應(yīng)用能力，反饋教學(xué)效果，用于教學(xué)設(shè)計(jì)持續(xù)改進(jìn)。

為了適應(yīng)新冠疫情時(shí)期融合線上線下混合式教學(xué)新要求，教研組積極探索基于在線云平臺(tái)的協(xié)作式人際互動(dòng)新方式（見圖6），顯著提高了疫情時(shí)期線上教學(xué)互動(dòng)效果。采用小畫桌協(xié)作式畫圖網(wǎng)站，實(shí)現(xiàn)線上線下生生、師生教學(xué)實(shí)時(shí)互動(dòng)，適用于在工程制圖課程中開展工程圖樣繪制的協(xié)作探究教學(xué)新模式。人際互動(dòng)主要體現(xiàn)在課堂教學(xué)階段，包含提問、分析和討論三個(gè)典型師生和生生互動(dòng)環(huán)節(jié)。

三、教學(xué)效果

通過以上信息化教學(xué)設(shè)計(jì)措施，有效解決了工程制圖課程的現(xiàn)有信息化教學(xué)難點(diǎn)問題，并取得了顯著的教學(xué)成效，助力學(xué)生三維立體空間想象能力的提升。首先，采用進(jìn)階式個(gè)性化創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系，顯著增強(qiáng)了工科類專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，指導(dǎo)大學(xué)一年級(jí)本科生參加大學(xué)生A類競賽并斬獲國家級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)共5項(xiàng)。其次，采用基于在線云平臺(tái)的協(xié)作探究教學(xué)新模式，使得工程制圖課程的教學(xué)信息化程度大幅提高。其中，湖南大學(xué)的工程制圖慕課至2023年1月已開課5次，參與學(xué)習(xí)人數(shù)累計(jì)3萬多，并在2020年獲批湖南省省級(jí)精品在線開放課程；教研組獲批教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目2項(xiàng)，積極建設(shè)基于VR教學(xué)云平臺(tái)的工程制圖課程優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，并取得了一定的教學(xué)成果。教研組成員還積極參加國內(nèi)外圖學(xué)會(huì)議，學(xué)習(xí)工程制圖課程前沿信息化教學(xué)方法，不斷提升課程信息化教學(xué)水平。最后，工程制圖課程的信息化教學(xué)改革始終以學(xué)生為中心，經(jīng)過多年建設(shè)，持續(xù)提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情穩(wěn)步提高。

四、總結(jié)

工程制圖課程屬于工科類專業(yè)學(xué)生的入學(xué)必修課程之一，旨在培養(yǎng)學(xué)生的三維立體空間想象能力。根據(jù)新工科建設(shè)需求，教研組將傳統(tǒng)的木模等教學(xué)模型轉(zhuǎn)換為基于在線云平臺(tái)的交互式三維數(shù)字化模型，為學(xué)生個(gè)性化線上學(xué)習(xí)提供了基礎(chǔ)保障條件。為了進(jìn)一步解決工程制圖課程信息化教學(xué)改革難題，本文從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和教學(xué)互動(dòng)三個(gè)方面開展工程制圖課程信息化教學(xué)設(shè)計(jì)。

首先，構(gòu)建了進(jìn)階式實(shí)踐教學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生個(gè)性化實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)，以達(dá)成知行合一的實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)。

其次，創(chuàng)建了以信息化資源為支撐的協(xié)作探究課堂教學(xué)新模式，解決了線上線下混合式教學(xué)模式中線上教學(xué)互動(dòng)不足的難題，顯著提升了疫情時(shí)期課堂線上教學(xué)互動(dòng)效果。

最后，設(shè)計(jì)了多維互動(dòng)教學(xué)方式，構(gòu)建了師生和生生互動(dòng)新形態(tài)，采用在線云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)課堂師生、生生網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)互動(dòng)，大幅提升了時(shí)空融合的信息化教學(xué)新模式下學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性。

上述信息化教學(xué)模式有效解決了工程制圖課程課時(shí)數(shù)減少但教學(xué)知識(shí)點(diǎn)不變的教學(xué)困境，使教師能夠充分利用課堂教學(xué)學(xué)時(shí)開展一系列的探究教學(xué)活動(dòng)，持續(xù)提高學(xué)生的三維立體空間想象能力，對(duì)其他工科基礎(chǔ)課程信息化建設(shè)具有一定的參考意義。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

[1］ 唐樂為，熊嫣，劉桂萍，等. 課程思政在工程制圖課程中的教學(xué)模式探索[J]. 大學(xué)教育， 2021（6）： 58-61.

[2］ 教育部高等教育司.教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知[EB/OL].（2017-02-23）[2023-01-05]. http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/tongzhi/201702/t20170223_297158.html.

[3］ 唐樂為，熊德紅，黃星梅，等. 以工程需求為導(dǎo)向的工程制圖測繪實(shí)踐教學(xué)模式探索[J].大學(xué)教育， 2020（11）： 91-93.

[4］ 張京英，佟獻(xiàn)英，楊薇. “互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代圖學(xué)教育現(xiàn)狀調(diào)查與研究[J].圖學(xué)學(xué)報(bào)， 2017，38（6）： 919-924.

[5］ 毛昕. 工程圖學(xué)教學(xué)思想與方法[M].北京：清華大學(xué)出版社， 2016： 5-6.

[6］ 黃利平，孟明辰.工程制圖課程內(nèi)容和課程體系改革［J］.工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2005（6）： 156-159.

［責(zé)任編輯：周侯辰］