基于WWHD“多維”魔方教學(xué)體系的教學(xué)實踐
——以《畫法幾何及工程制圖》為例

羅 雯

吉首大學(xué)張家界學(xué)院，湖南 張家界 427000

一、課程介紹

《畫法幾何及工程制圖》課程為工科院校的學(xué)科基礎(chǔ)課程，包括理論教學(xué)、實踐教學(xué)、創(chuàng)新訓(xùn)練三個維度，旨在要求學(xué)生掌握畫法幾何的基本原理，了解工程制圖的工程應(yīng)用。所以課程需要達(dá)成學(xué)生掌握用尺規(guī)作圖、徒手作圖和計算機(jī)繪圖的基本技能，將立德樹人融入課堂過程中，培養(yǎng)學(xué)生堅定的理想信念、牢固的法治意識、強(qiáng)烈的工程倫理意識以及卓越的大國工匠精神。

將教學(xué)的框架進(jìn)行了重新梳理，教學(xué)內(nèi)容分為了以下四個模塊，分別是投影理論體系、制圖基礎(chǔ)、工程圖樣和計算機(jī)繪圖［1］。其中，投影理論體系和制圖基礎(chǔ)，兩者相互融合、相互滲透，共同作用，支撐起了本門課程的理論基礎(chǔ)。在理論知識講授的過程中，也穿插進(jìn)行技術(shù)前沿的講授，拓寬學(xué)生的知識維度。而在計算機(jī)繪圖部分中，通過對AutoCAD 軟件和Revit 軟件的學(xué)習(xí)，使學(xué)生完成二維工程圖樣的繪制和三維實體模型的構(gòu)建。計算機(jī)繪圖的實踐操作模塊中也加入了當(dāng)下新興的3D 打印技術(shù)，讓學(xué)生在實踐訓(xùn)練的同時能夠近距離接觸到本行業(yè)的前沿技術(shù)和技術(shù)成果。

二、教學(xué)痛點分析

針對傳統(tǒng)教學(xué)過程中學(xué)生抽象思維弱、空間想象力不足，專業(yè)知識多、思政人文少，教師灌輸多、學(xué)生思辨少，基礎(chǔ)理論多、工程實踐少的問題，我們提出了開辟包含“三層次”細(xì)化新結(jié)構(gòu)的第二課堂，運用兩個平臺改革第一課堂，構(gòu)建兩大虛擬仿真平臺激活第三課堂，綜合多層次實踐平臺挖掘第四課堂。從新結(jié)構(gòu)、新模式、新形式進(jìn)行基于“多維”魔方教學(xué)體系的智慧教學(xué)建設(shè)。按照建設(shè)要求，以工程需求為導(dǎo)向，以數(shù)字化設(shè)計為基礎(chǔ)，利用可視化數(shù)字模型替代傳統(tǒng)教具。根據(jù)新工科建設(shè)方案及本校專業(yè)特色，為解決存在問題，本課程提出“分”層施教精準(zhǔn)教學(xué)，“析”解圖學(xué)智慧課堂，“混”合案例資源拓展，“合”作任務(wù)互相激勵的課程設(shè)計思路，整個教學(xué)以問題前導(dǎo)，以任務(wù)驅(qū)動展開，以思政案例貫穿，以多層級路徑開展，以學(xué)生為中心的教與學(xué)。教師全時段、全方位、全層級服務(wù)整個教學(xué)過程。

三、“多維魔方”教學(xué)體系的建設(shè)思路

（一）形成四個課堂

1.魔方體系一面代表著開辟的第二課堂（線上課堂），通過學(xué)習(xí)通網(wǎng)絡(luò)平臺，讓學(xué)生隨時隨地自主學(xué)習(xí)。

2.另一面代表著改革的第一課堂（理論講堂），將傳統(tǒng)的以教師為中心的教師講堂轉(zhuǎn)換為以學(xué)生為中心的翻轉(zhuǎn)課堂。

3.另一面代表著激活的第三課堂（虛擬仿真），強(qiáng)化學(xué)生解決實際問題的能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

4.另一面代表著挖掘的第四課堂（實踐平臺），通過個人作業(yè)、分組活動、項目學(xué)習(xí)等形式，磨煉學(xué)生學(xué)以致用、創(chuàng)新實踐能力［2］。

（二）四個課堂建設(shè)

1.三層次細(xì)化新結(jié)構(gòu)的第二課堂

（1）多媒體課件庫。①智慧教學(xué)電子教材建設(shè)，建設(shè)了包含答案解析的12 套課前學(xué)習(xí)檢測和3 套階段測試的課堂試題庫，制作了面向混合式教學(xué)的課前、課堂、課后的全時段課件。②我們收集了1000 余張高清圖片，剪輯100 多個高清動畫視頻。將抽象化的概念具象化呈現(xiàn)出來，生動的信息化資源，展現(xiàn)幾何形狀特征，建筑結(jié)構(gòu)組成、最新制圖科技發(fā)展，達(dá)到情境化教學(xué)效果。大大增加了同學(xué)們對抽象的知識的記憶和理解。自主繪制了覆蓋各章節(jié)內(nèi)容的思維導(dǎo)圖，實施頭腦風(fēng)暴，建立發(fā)散思維。

（2）3D 模型庫。由點到面的提升，我們采用了3D 模型庫。化靜為動，化繁為簡，充分調(diào)動學(xué)生的多種學(xué)習(xí)感官。

（3）思政案例庫。我們以短片、圖片和案例講解的形式，向同學(xué)們介紹本學(xué)科院士和本學(xué)科的優(yōu)秀工程師的案例。同時向?qū)W生介紹學(xué)科前沿、學(xué)科背景的發(fā)展。在此基礎(chǔ)上，以同學(xué)們身邊的優(yōu)秀國家名師為例，在激發(fā)同學(xué)們奮勇向前的同時，也對大一的新生進(jìn)行了課程專業(yè)知識的背景介紹，提升了同學(xué)們的專業(yè)認(rèn)可度，在激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情的同時，也使大一的新生加深了對大國工匠精神的領(lǐng)悟。

2.改革第一課堂

（1）信息化在線測試平臺。借助與制圖學(xué)科相關(guān)的學(xué)訓(xùn)軟件，引導(dǎo)學(xué)生任務(wù)驅(qū)動下的學(xué)習(xí)。學(xué)生在系統(tǒng)引導(dǎo)下自主構(gòu)建圖形幾何知識，探尋制圖的規(guī)律，實現(xiàn)平面立面的耦合，計算學(xué)習(xí)深度層層遞進(jìn)，完成對知識的內(nèi)化。

（2）超新泛雅學(xué)習(xí)通平臺。借助學(xué)習(xí)通進(jìn)行簽到、點名、討論、搶答、案例庫、視頻庫。提高課堂互動，實現(xiàn)教師的智慧教。學(xué)習(xí)通平臺建設(shè)了“非典型問題”講解微課視頻庫，實現(xiàn)個性化精細(xì)學(xué)習(xí)指導(dǎo)；積累了與課程緊密相關(guān)的優(yōu)質(zhì)的公眾號科普文章、科技新聞與熱點、名人介紹、動漫片視頻、工程實用案例等知識點超鏈接庫。

3.激活了第三課堂

為了有效提高學(xué)生的實踐能力，構(gòu)筑了兩大虛擬仿真平臺。突破教學(xué)場地局限，教會學(xué)生完成制圖等系列實驗，提高其創(chuàng)新能力。學(xué)生還可以通過虛擬仿真的動手操作，大大提高了學(xué)習(xí)的趣味性。通過VR 實景演練及線上端操作，避免了傳統(tǒng)施工過程中威脅、惡劣的環(huán)境，完成課本知識到工程實踐的牽引。

4.挖掘了第四課堂

在實踐教學(xué)模塊中，運用實踐的平臺，在繪圖模型室等進(jìn)行模型項目化的教學(xué)實踐。線下教學(xué)的開展和順利進(jìn)行，有效提升了學(xué)生的師生互動和生生互動。綜合運用多層次的實踐平臺來加強(qiáng)學(xué)生的實踐教學(xué)能力。譬如我們綜合運用基建模型室、尺規(guī)繪圖室、計算機(jī)繪圖室、3D 打印室、校企合作平臺等加強(qiáng)學(xué)生的綜合實踐能力，從而讓學(xué)生做到在學(xué)中做，在做中學(xué)。

（三）“四位一體”復(fù)合式課程體系

1.“四位一體”復(fù)合式課程體系

混合式教學(xué)后，課堂的難度、深度、廣度和效率都大大增加了，學(xué)生在主動參與討論和提問的情況下弄明白要點后，可以相對順利完成實踐操作部分。依據(jù)課想設(shè)計思路，形成了在線學(xué)習(xí)空間、課堂學(xué)習(xí)空間、虛擬仿真拓展空間、實踐模型制作空間“四位一體”復(fù)合式課程體系［3-4］。

2.教學(xué)活動

將多個教學(xué)活動的開展分配到線上、線下和課上、課下。利用漸進(jìn)式、多層級的教學(xué)活動加強(qiáng)學(xué)生深度學(xué)習(xí)。本課程在“互聯(lián)網(wǎng)+”教育大背景下，針對工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)及學(xué)生需求，提出“四位一體”混合式課程體系，實現(xiàn)了有“分”有“析”、有“混”有“合”的教學(xué)創(chuàng)新，達(dá)成了精細(xì)教學(xué)、智慧互動、課外拓展、主動思辨等教學(xué)效果提升，形成具有新工科基礎(chǔ)課程特色的創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系。通過以“學(xué)”促“教”，以“教”導(dǎo)“學(xué)”，實現(xiàn)“教”“學(xué)”統(tǒng)一，可形成合力。

（1）課前。基于線上平臺的導(dǎo)入和目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)。教師通過手機(jī)端和課程中心同步推送，學(xué)生在第一課堂提出疑問（Why）。

（2）課堂。教師在第二課堂以問題驅(qū)動式與實例結(jié)合形式進(jìn)行理論知識學(xué)習(xí)（What）。學(xué)生在第三課堂研討挑戰(zhàn)性任務(wù)、深于感悟、培養(yǎng)創(chuàng)新能力（How）。學(xué)生在第四課堂進(jìn)行模型的項目化實踐（Do）。課程從線上預(yù)習(xí)、課堂疏導(dǎo)、虛擬仿真演練、課后實踐，做到以資源為載體，以數(shù)據(jù)為導(dǎo)向，完成了基于WWHD 模式的云空間智慧學(xué)習(xí)的閉環(huán)設(shè)計。

四、信息化教學(xué)案例分析

（一）曲面立體相貫

曲面立體相貫采用對比、演繹的方法，引導(dǎo)學(xué)生從一般（實實相貫）到特殊（實虛、虛虛相貫）的思維方法，提升學(xué)生分析解決問題的能力，注重科學(xué)方法訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生探索未知的好奇心和學(xué)習(xí)興趣。

（二）教學(xué)設(shè)計

1.四個教學(xué)環(huán)節(jié)

按照“問題導(dǎo)入（Why 疑：什么是輔助平面法求相貫線）—概念關(guān)聯(lián)（What 融：分層構(gòu)建的3D 打印技術(shù)）—知識進(jìn)階（What 融：一般到特殊相貫線分析）—理論應(yīng)用（How 悟：根據(jù)已知視圖，求解真確相貫線投影圖）—價值引領(lǐng)（How 悟：特殊相貫體魯班鎖所體現(xiàn)的一榫一卯見中深、一轉(zhuǎn)一折皆匠心）—能力提升（How 悟：小組任務(wù)，完成魯班鎖拼裝，感受它易拆難裝原理）—應(yīng)用拓展（Do 行：完成相貫立體虛擬仿真實驗）”四個教學(xué)環(huán)節(jié)開展，課程思政元素與課程知識點如鹽入水，有味無痕。相對于輔助平面法求相貫線（知識點）解決分析特殊相貫線（能力點），激發(fā)學(xué)生的內(nèi)生動力與質(zhì)疑分析（共情點），實現(xiàn)價值引領(lǐng)與科學(xué)精神的培養(yǎng)（思政點）［5］。

2.教學(xué)內(nèi)容融入思政元素

通過教學(xué)內(nèi)容的精髓提煉，領(lǐng)略相貫線由一般到特殊分析的哲學(xué)思考。由現(xiàn)象到本質(zhì)是哲學(xué)的思維方法，學(xué)生在相關(guān)的思政課上已經(jīng)學(xué)過，但很少有學(xué)生將哲學(xué)方法與工程科學(xué)聯(lián)系起來。在課堂教學(xué)中，教師以太空空間站、3D 打印案例為基礎(chǔ)，通過科學(xué)的方法，引導(dǎo)學(xué)生探究事物本質(zhì)，既培養(yǎng)了科學(xué)素養(yǎng)，又加深了學(xué)生對哲學(xué)方法的理解，培養(yǎng)了工科類學(xué)生在實際工作中的責(zé)任與擔(dān)當(dāng)。

（三）教學(xué)實施

1.課前導(dǎo)預(yù)習(xí)

（1）學(xué)習(xí)通公布預(yù)習(xí)通知：預(yù)習(xí)相貫線的投影做法。

（2）自學(xué)教學(xué)資源庫平臺的微課視頻：兩立體相貫線。

（3）完成課程系統(tǒng)考核模塊中的章節(jié)作業(yè)。

2.課上導(dǎo)學(xué)習(xí)

引入太空空間站案例，空間站的艙體是由曲面立體相互貫穿，曲面立體表面形成相貫線，說明要繪制艙體結(jié)構(gòu)圖，必須正確繪制相貫線。

3.課上授新課

（1）“輔助平面法”求相貫線“分層構(gòu)建”的思想和方法與現(xiàn)在快速發(fā)展的3D 打印制造技術(shù)相聯(lián)系。

（2）中建二局完成國際首列3D 打印辦公樓。

（3）輔助平面求交點的基本步驟。

①分析確定能夠適用的輔助平面位置，作輔助平面與相貫的兩立體相交；

②分別求出輔助平面與相貫的兩立體表面的交線，判斷與各簡單體相交截交線的形狀；

③最后求出交線的交點（中間點和特殊點）。

（4）輔助平面法選擇的原則。

①使輔助平面與兩轉(zhuǎn)體表面的交線的投影簡單易畫，如直線或圓。

提問：曲面立體相貫，表面相貫線變化趨勢是怎樣的呢？（知識進(jìn)階）

回答：相貫線由空間曲線變成直線，在變化過程當(dāng)中，空間曲線總是彎向直徑比較大的那個立體，那么有沒有相貫線的近似畫法呢？所需求做的相貫線投影呈現(xiàn)在非圓視圖上，相貫線凹向總是沿著小曲面立體軸線向大曲面立體軸線彎曲。

②近似圓弧法繪制兩曲面立體相貫線：公共點中任意一點為圓心，以大圓柱體為半徑；圓與小圓柱的中心線有兩個交點，遠(yuǎn)離大圓柱中心線的交點為圓心，畫圓；刪除、修減即可。

（5）在線測試平臺完成曲面立體相貫測試題。

①實體相貫線形狀由兩立體表面形狀決定（同軸回轉(zhuǎn)體）。

②虛體等徑相貫線形狀是相交直線，非等徑相貫是凸向大直徑孔的曲線。

［思考］在空間站艙體中能找到哪些幾何體的相貫線形狀？

空間站艙體是由大、小柱體和球體相交而成，表面產(chǎn)生的相貫線是由同軸回轉(zhuǎn)體曲面相交而成，屬于平面曲線。

（6）空間站艙體采用中國木建筑結(jié)構(gòu)“化整為零，巧妙分切”的榫卯原理。

①探秘特殊榫卯結(jié)構(gòu)——魯班鎖：介紹榫卯結(jié)構(gòu)根據(jù)開口位置、形狀分為套榫、燕尾榫、抱肩榫。

②學(xué)習(xí)通布置分組任務(wù)，VR 演示魯班鎖所體現(xiàn)的一榫一卯見中深、一轉(zhuǎn)一折皆匠心。學(xué)生完成魯班鎖拼裝，將學(xué)生作品進(jìn)行評選，表揚亮點。

（四）教學(xué)總結(jié)

曲面立體相貫是《畫法幾何及工程制圖》的重點和難點內(nèi)容，從專家聽課、學(xué)生反饋，教學(xué)團(tuán)隊深入挖掘課程中的思政元素，找到師生“共情點”，使學(xué)生想學(xué)、愛學(xué)、會學(xué)，探索實現(xiàn)了知識傳授、能力培養(yǎng)與價值塑造有機(jī)融合，學(xué)生的學(xué)習(xí)成效顯著。通過線上問卷調(diào)查，有90%以上的學(xué)生認(rèn)為課堂上的思政教育聯(lián)系了課程內(nèi)容，引申恰當(dāng)。學(xué)生普遍反映：老師上課講得非常仔細(xì)，課件做的好，而且課下作業(yè)也有很高的練習(xí)價值，同時一直灌輸自我學(xué)習(xí)的思維和方法，能夠真正學(xué)到更多知識，增強(qiáng)自己的學(xué)習(xí)能力，能在枯燥晦澀的識圖中品嘗到新鮮感，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。