工程圖學計算機輔助教學實踐與思考

王建華， 郝育新， 劉令濤

（北京信息科技大學機電學院，北京 100192）

計算機輔助教學(computer assisted instruction,CAI) 作為一種新型的、先進的教學手段，已成為影響教育教學改革的一種新動因、新時尚[1]。現在各個學校大多數課程包括工程圖學課程都采用了CAI教學。在近10年的教學改革和CAI課件開發、應用實踐中體會到，計算機輔助教學具有許多傳統教學手段無法比擬的優點，但也存在一些不足。在推廣和使用計算機輔助教學的同時，也需要積極探尋計算機輔助教學更為科學的可行之路[2]。

1 工程圖學計算機輔助教學的實踐

工程圖學課程是理工科大學生重要的技術基礎課程之一，也是許多后續課程的先導課。近年來，由于科技、信息、計算機的飛速發展，為該課程注入了新的活力，融入了新的知識結構，課程的基本內容已成為工程設計、CAD/CAM 的基礎和重要組成部分[3]。其教學效果直接關系到工科主干專業學生工程素質及工程設計能力的培養。長期以來，在對教學體系、教學內容、教學方法進行改革的同時，針對教學手段改革也進行了大量有益的探索并取得了豐碩的成果。

以北京信息科技大學為例，隨著教學環境的改善，目前教學手段已由傳統的“粉筆+黑板”、掛圖、模型，發展為利用計算機、多媒體課件、網絡等輔助知識傳授。通過形象的動態仿真介紹課程研究對象及內容，激發學生學習興趣；通過精彩的三維動畫介紹各種形體的結構、組成、類型和特點，培養學生的形象思維能力；通過三維構型、創新設計和人機交互，調動學生主動參與學習進程，使其成為學習的主體；通過發揮多種媒體的綜合優勢，介紹學科的最新發展，激發學生的創新意識和培養創新能力。為此，經過十幾年的教學改革研究，主要完成了以下工作：

1）制作完成了機械類和非機械類2套教學型多媒體 CAI課件。課件總體結構以紙質教材（《工程制圖》（高等教育出版社），《機械制圖與計算機繪圖》（國防工業出版社）“十一五”國家級規劃教材，并分別在 2005、2011年被評為北京市精品教材）為藍本，結合計算機技術，采用PowerPint集成，將多種格式的視頻、動畫、圖形、文字等有機組合在一起。將教材中的主要內容一一展示出來，特別是對教材中的重點和難點通過二維、三維動畫及視頻補充紙質教材不夠生動形象的不足，從而大大提高了學生從三維到二維和二維到三維的空間形象思維能力及工程應用基礎知識等。課件界面良好，操作方便。教師可以根據自己的教學經驗和習慣修改，重組已有的CAI課件，更好地滿足教師教學的需要，課件也是學生預習和復習的好幫手。

2）研發制作了助學型CAI課件。課件提供了與紙質教材配套使用的2套習題集的三維虛擬模型。利用AutoCAD、Inventor、Pro/E等軟件制作了工程制圖三維模型仿真庫及視頻文件（見圖1）。學生可對每個模型進行互動式旋轉、剖切、拆裝等，從而觀察到物體在各個不同方向上的投影，也可直接觀看模型的視頻文件，就像學生身邊有個模型室一樣，三維模型仿真庫有助于學生理解習題，提高空間想象力。

課件還提供了完整的習題作圖過程和參考答案。習題答案的提供開始是有爭議的，后經實踐證明絕大多數學生會在遇到困難時再去看參考答案，這樣可以幫助學生正確的完成作業。

課件提供了與紙質教材配合的每一章節的學習指導。指出了每一章節的學習要點、題型和解題方法、解題示例和繪圖實例等。幫助學生更好地總結、歸納學習要點，更快地掌握基礎知識和技能，提高分析問題和解決問題的能力。

圖1 工程制圖三維模型仿真庫部分AVI文件

3）開發制作了北京市精品課程“工程制圖”網上輔助教學與學習系統，構建了開放式網絡學習平臺（主界面見圖2）。系統主要由課程概況、課程內容、實踐教學、授課實況、參考資料、練習作業、教學成果、三維模型庫等組成。其中包括了課程簡介、教學團隊、教學大綱、教學課件、課程電子教案及授課實況錄像、使用教材、零部件測繪指導書、工程制圖相關國家標準等內容。學生可以通過校園網了解課程的相關信息，自主學習。可利用網絡、多媒體現代化教學手段拓展學習渠道，拓展學習內容。并且運用留言板和BBS論壇（在規定的時間有老師值班答疑）給學生提供了教學的互動平臺，學生在學習中遇到的問題可以通過留言板或論壇向老師提問或相互討論，有利于教與學的互動和教師對教學內容進行調整，不斷提高教學質量。

圖2 工程制圖網絡平臺主界面

4）建立了工程圖學試題庫。根據學校各專業的設置要求，在總結多年的教學積累，吸收兄弟院校考試題庫先進素材的基礎上，研發了考試題庫。總體設計為“制圖基本知識”單項或多項選擇、填空；“投影基礎”、“基本體”、“組合體”、“圖樣畫法”、“標準件和常用件”、“零件圖”等的表達求解；“技術要求”的正確標注；“裝配圖”的拆畫測試等多個模塊。每個模塊約20余套題，各模塊相對獨立，加以組合，形成試卷。采用計算機繪制，按不同專業要求自動組卷，方便內容更新和維護。

5）建立了功能齊全的多媒體工程圖學“CAD實驗室”。目前已配備計算機 80臺，計算機中安裝有CAI課件、工程制圖三維模型仿真庫、AutoCAD、Pro/Engine、Inventor、3DSMAX、Flash等軟件。還制作完成了工程制圖常見結構工藝及機械加工基礎認知（見圖3、圖 4）和零部件拆裝實驗2個模塊化軟件。包括用Flash制作完成的繪圖工具使用方法、平面圖形繪制方法、投影制圖原理演示；攝入了適量的機械加工基礎知識范例，如鑄造、鍛造、車、銑、刨、磨、鉆、鏜等工藝方法，各種基本形狀表面的加工及檢驗；測量工具的使用方法；典型部件的工作原理及拆裝等（見圖5）。這對沒有任何機械加工實踐經驗的大學新生來說，有助于對工程圖樣相關結構要素的理解。這使得以三維CAD軟件為平臺的教學與實踐成功展開，深受學生的歡迎。

圖3 鑄造工藝過程及結構

圖4 軸上各結構的機加工過程

圖5 齒輪泵工作原理和拆裝過程的動畫演示

2 工程圖學計算機輔助教學的特點及優越性

工程圖學課程一般都開設在大學一年級階段，正處于學生適應大學學習的環境，并且這門課程與工程實踐結合緊密，學生缺乏這方面的知識，因而難以適應。而工程圖學CAI將計算機特有的功能用于教學，把教學內容、教學經驗、計算機有機融合，通過教師、學生與計算機的交互活動，進行更有效的學習，從而達到教學目的。由于現代多媒體技術集動畫、文字、圖像、聲音等為一體，具有超強的綜合處理能力，集中了幻燈、投影、錄像等教學媒體的優點，引起了教學方法和手段的新變革。與傳統教學手段相比，它在課堂教學中具有如下特點及優越性[2]：

1）形象直觀。將一些抽象、枯燥的原理概念、復雜的變換過程和運動形式，以內容生動、圖像逼真的教學信息展現在學生面前，使講課變得生動、易于理解。工程圖學課程的特點是培養學生的空間想象能力和物體的表達能力，教師利用多媒體可組合教學內容，展示教學模型，演示作圖過程及實用背景，結合電子教案邊講解，邊操作，令學生一目了然。可方便地演示用語言難以表達的“空間思維”的過程，使學生盡快建立空間概念。這種直觀新穎的知識表達技術是常規教學手段無法企及的，有利于調動學生學習的興趣和學習積極性，明顯提高教學效果。

2）大信息量和高效率。傳統的板書授課模式，教師約有1/4～1/3的時間應用在寫板書、畫圖上，教學內容講授有限。采用多媒體CAI教學，計算機傳輸信息量大、速度快，也減少了教師上課寫板書和畫圖的時間。可利用這些時間講授一些有關的新知識、新進展，每節課給學生傳授的信息量增多，CAI豐富了課堂教學內容，有利于拓寬學生的視野，提高了課堂教學效率。

3）便于學生課后復習和自學。學生可充分利用多媒體的靈活多變與交互性，自由地操作計算機，根據自己的特點和興趣，選擇學習內容，控制學習進度，檢查學習成果，有利于培養學生獨立學習的能力。

4）可促進教師水平的提高。由于利用多媒體網絡的交互功能，可實現學生與計算機、學生與學生、學生與教師之間的多向交互功能，共同討論問題，培養團隊精神，引導學生深入調研，查閱資料，在知識學習中分清主次，抓住重點，少走彎路。教師可及時了解學生的反饋意見，并與學生展開討論，根據實際情況及時調整多媒體教學方法和節奏。由于開放的網絡資源內容時刻在更新，網上的許多內容可能超出老師的教案，促使老師以“引導”學生學習為主，充分調動學生的主動性，培養了學生的綜合素質。這樣教師每完成一輪教學工作，都要重新備課，完善多媒體課件，并有新的收獲，教學水平和組織能力會大大提高。

5）有利于推動教學改革。計算機輔助教學給教學活動提供了上機練習、查閱資料、交互討論、測評等手段，為教師的講解、演示、演練、觀摩等創造了條件。這樣眾多的手段為教學改革提供了廣闊空間。多媒體教學手段的運用，有利于人們逐漸改變傳統的教學觀念，從單純的重視傳授知識，轉變為既重視知識傳授，又重視自學能力、創新能力的培養。

3 計算機輔助工程圖學教學的不足

通過多年的教學實踐及調查后發現，目前CAI教學存在以下不足：

1）CAI課件的制作不盡人意。如一些助教型課件多以教師為中心。在傳統教育理論的影響下，CAI課件制作的設計思想基本上是圍繞如何“教”而展開的，過于注重教師的“教”而忽視學生的“學”。有些課件實際上是將書本搬家，將教案圖解化，是任課教師板書的“換代產品”。所以，學生仍處于被動接受狀態，參與教學活動的機會少。助學型課件固化性強，課件的交互活動只是一種預先設定好的、在特定的情況下顯示相應內容。這就在很大程度上限制了學習中的非預見性的因素，而實際助學過程恰恰應該是教與學的有機結合。

2）CAI教學課件使用不合理。有的教師在運用CAI進行教學時，由原來單純的“人滿堂灌”模式演化為“機滿堂灌”的模式。CAI貫穿教學始終，教學手段單一，結果學生從頭到尾見到的都是屏幕上的圖像、動畫、文字等，這種單一的教學手段并不能產生好的教學效果。學生注意力多集中于投影屏幕，而不是教師，教師的主導地位和生動的形體語言較少得到學生的注意。而且，一些課件片面強調聲形兼備，往往文字、圖像、聲音并用，這種熱鬧非凡的課件雖然有助于學生接受信息，但學生自始至終在這樣的環境下，容易感到疲勞。由于CAI信息量過大，信息呈現速度較快，畫面停留時間較短，教師操作過快等，使學生在課堂上基本無法記筆記。所以，學生接受的信息只能是瞬間記憶，容易遺忘。

4 對合理使用CAI教學的思考

計算機輔助教學的設備和技術在不斷更新，工程圖學的教育思想和方法也應隨之推陳出新[4-5]。教學手段和方法的好壞應該用教學效果來評價。多媒體輔助教學達到最優化關鍵在教師，教師必須更新教育觀念，對CAI教學有正確的認知并采取相應的對策。

1）CAI課件只是教學的輔助手段，而非最終目的。計算機輔助工程圖學教學既有積極的一面，也存在不足。教學手段現代化必須是教學內容與多媒體運用的最佳結合，且不可為了形式而過多地、盲目地使用CAI。如畫法幾何中的換面法，通過屏幕上大量的板書和作圖步驟一版一版地翻過，學生印象不深，遠不如教師在黑板上一邊講解一邊作圖印象深刻。在組合體、剖視圖中，多用一些實物模型配合實物投影儀講解，比用計算機三維模型效果好。在講述零件結構要素時插播機械加工的電視錄像短片，學生很容易理解和認知等。要把握好現代多媒體及其與傳統教學媒體的有機結合，把握現代化教學手段應用的最佳時機和位置，才能不斷提高教學質量。

2）堅持以學生為中心的教育觀念，制作和完善高質量的CAI課件和網絡學習平臺。我們必須克服CAI課件以“教”為中心，書本搬家等現象，提高助學型課件的智能化程度。在建立高質量工程制圖素材庫、零部件測繪實驗、模型制作加工實驗、工程制圖綜合性創新設計等方面，更好地發揮多媒體的優勢，做更深入的研究，使學生在各種教學媒體的使用過程中啟發多向思維，自主學習，做到師生互動，才能達到提高課堂教學效率、培養創新意識和綜合素質的目的。

3）發揮教師的主導作用。雖然多媒體課件的表達能力十分強大，引入課堂后彌補了傳統教學的不足，但它仍然是一種輔助教學手段，不可能取代教師的作用。即使最先進的多媒體輔助教學，仍然需要充分發揮教師的主導作用。教師應當既是教學中的“信息傳授者”，又是學生正確獲取知識的“學習指導者”。

5 結 束 語

計算機輔助工程圖學教學在未來無疑將占據越來越重要的地位，但立足點應是“輔助”，而不是替代，技術手段永遠是為了更好地滿足學科教學內在的需求而存在的。如何改進CAI教學方式，將先進的教育媒體與傳統的教育方法優化組合，強化教學重點，突破教學難點；用先進的圖學教育理論去指導 CAI課件的制作和合理運用，提高學生的學習質量與實施綜合素質培養，將是一個長期而艱巨的任務，有待于進一步深入研究和探討。

[1] 陳彩萍,譚建榮. 工程制圖 CAI課件中學習情境的設計[J]. 工程圖學學報,2011,32(1): 138-142.

[2] 邱亞玲,等. 對計算機輔助教學的思考[C]//機械類課程報告論壇文集,2011: 153-156.

[3] Wang Jianhua,Hao Yuxin. Teaching reform and practice in engineering drawing based on 3D modeling with computer [J]. CADDM,2011,21(1):46-51.

[4] Wang Weichen,Zhu Zhencai,Fang Liang,et al.Slicing 3D CAD model directly with ObjectARX [J].CADDM,2008,18(2): 27-32.

[5] Fang Yongze,Zhong Yifang. Engineering change management adaptive to PLM [J]. CADDM,2008,18(2): 21-26.