“機(jī)械制圖”信息化教學(xué)軟件的設(shè)計開發(fā)與應(yīng)用研究*

劉蘭蘭

（江西制造職業(yè)技術(shù)學(xué)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(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合。信息化技術(shù)在教育領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，大大豐富了課程教學(xué)設(shè)計手段，提高了教學(xué)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(xué)能力比賽獲獎作品的教學(xué)設(shè)計、教學(xué)資源統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，信息化教學(xué)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(xué)中，90%以上的獲獎作品都應(yīng)用了信息化教學(xué)資源。如教學(xué)設(shè)計全國一等獎作品“增值稅發(fā)票填開”、課堂教學(xué)全國一等獎作品“品牌字體設(shè)計”等，都有信息化教學(xué)軟件加持。信息化教學(xué)軟件因其在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)習(xí)參與度方面的顯著成效，備受大賽教學(xué)專家和各類教學(xué)名師青睞。“機(jī)械制圖”課程是機(jī)械類專業(yè)學(xué)生必修專業(yè)基礎(chǔ)課，繪圖與識圖能力也是機(jī)械類專業(yè)必備核心技能。然而，正如項楊等學(xué)者所述，“機(jī)械制圖”課程知識點繁雜、內(nèi)容枯燥、理論性強(qiáng)，傳統(tǒng)的教學(xué)資源如掛圖、模型、音視頻素材等很難持久激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果欠佳。因此，研究如何設(shè)計并開發(fā)一套適合“機(jī)械制圖”教學(xué)的信息化教學(xué)軟件，并將其應(yīng)用于課程實踐，不僅有助于解決當(dāng)前“機(jī)械制圖”課程教學(xué)的痛點，豐富信息化教學(xué)技術(shù)與資源，也將為其他課程的信息化教學(xué)設(shè)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(jī)械制圖”和“信息化教學(xué)”為主題檢索，共檢索到文獻(xiàn)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(dá)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(xué)者開始將信息化教學(xué)應(yīng)用于“機(jī)械制圖”課程。從發(fā)文類型來看，信息化技術(shù)在“機(jī)械制圖”教學(xué)中的應(yīng)用相關(guān)文獻(xiàn)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(jī)械制圖”教學(xué)改革中的應(yīng)用。信息化教學(xué)設(shè)計相關(guān)文獻(xiàn)25篇，如顧勇等[2]以機(jī)械專業(yè)學(xué)生課程教學(xué)改革為例，探討了“機(jī)械制圖”信息化教學(xué)設(shè)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(xué)設(shè)計。這些研究成果都說明學(xué)者們已經(jīng)開始大量探索將現(xiàn)有的信息化教學(xué)技術(shù)應(yīng)用于“機(jī)械制圖”教學(xué)。但縱觀眾多的研究結(jié)果，多為借助現(xiàn)有的信息化教學(xué)平臺如學(xué)習(xí)通、云班課、“一平三端”等所開展的信息化教學(xué)應(yīng)用，鮮有針對“機(jī)械制圖”課程內(nèi)容設(shè)計的信息化教學(xué)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(jī)械制圖增強(qiáng)圖冊，其有助于培養(yǎng)學(xué)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(xué)功能。其實早在2009年，商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院的郭君霞等[5]就提出了基于Flash開發(fā)“機(jī)械制圖”復(fù)習(xí)平臺的構(gòu)思，可實現(xiàn)找錯、圖形補(bǔ)充、拼圖等功能，來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。2015年吳愛華[6]發(fā)表的關(guān)于“機(jī)械制圖”課程游戲型教學(xué)構(gòu)思，用游戲闖關(guān)答題來調(diào)動學(xué)習(xí)積極性。因此，國內(nèi)目前雖有一些關(guān)于“機(jī)械制圖”的信息化教學(xué)軟件或平臺構(gòu)思，但尚無可應(yīng)用實踐的具有互動教學(xué)功能、能夠顯著調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的“機(jī)械制圖”教學(xué)軟件或教學(xué)平臺成果發(fā)表。

1.2 發(fā)展趨勢

上述成果從信息化教學(xué)軟件設(shè)計開發(fā)和實踐應(yīng)用等方面，奠定了信息化教學(xué)軟件設(shè)計與開發(fā)的理論基礎(chǔ)和實踐樣本。但當(dāng)前信息化教學(xué)相關(guān)成果多集中在信息化教學(xué)技術(shù)的使用或可視化教學(xué)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(xué)生學(xué)習(xí)興趣的信息化教學(xué)軟件或平臺很少。究其原因，專業(yè)課教學(xué)軟件或平臺開發(fā)不僅需要開發(fā)團(tuán)隊精通教育軟件開發(fā)的理論和技術(shù)，了解互動教學(xué)的激勵方法，還需熟悉專業(yè)課程內(nèi)容和教育教學(xué)方法，開發(fā)難度大。因此，目前發(fā)表的與專業(yè)課程教學(xué)相關(guān)的教學(xué)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(xué)生學(xué)習(xí)興趣的信息化教學(xué)軟件只在如全國教師教學(xué)能力比賽（原全國信息化教學(xué)大賽）、全國大學(xué)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(shè)計和開發(fā)與專業(yè)教學(xué)緊密相關(guān)、與課程標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)一致、具備教學(xué)互動功能、能夠明顯激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的信息化教學(xué)軟件，不僅將是信息化教學(xué)的重要發(fā)展領(lǐng)域，也將為未來的專業(yè)課程資源建設(shè)指引新的方向。

2 “機(jī)械制圖”信息化教學(xué)軟件設(shè)計

2.1 軟件開發(fā)工具選擇

當(dāng)前能夠開發(fā)具備互動功能的信息化教學(xué)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(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)、體感技術(shù)等也逐漸在教育游戲中得到應(yīng)用。其中，F(xiàn)lash動畫制作軟件不僅可以實現(xiàn)鼠標(biāo)、鍵盤、麥克風(fēng)等交互，還可以讀取后臺服務(wù)器數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計分析，且能通過簡單的“遮罩+繪圖與編輯圖形+補(bǔ)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(shè)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(xué)軟件設(shè)計或軟件開發(fā)經(jīng)驗較少的人員。“機(jī)械制圖”課程在教學(xué)中也有大量的讀圖與作圖任務(wù)，圖形形狀千變?nèi)f化，因此，“機(jī)械制圖”信息化教學(xué)軟件將基于Flash開發(fā)。

2.2 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

具有互動教學(xué)功能的信息化教學(xué)軟件是指專門針對“機(jī)械制圖”教學(xué)內(nèi)容而開發(fā)的教學(xué)軟件。鑒于信息化資源開發(fā)的成本和效益，在教學(xué)內(nèi)容選擇上，重點選擇各模塊難點內(nèi)容進(jìn)行開發(fā)，以提高信息化資源在改善整體教學(xué)效果方面的成效。各模塊難點內(nèi)容可根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)、學(xué)生學(xué)情、往屆學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)等綜合確定。

“機(jī)械制圖”課程教學(xué)分為基礎(chǔ)知識、投影基礎(chǔ)、機(jī)件表達(dá)、標(biāo)準(zhǔn)件和常用件、零件圖、裝配圖6個模塊。根據(jù)“機(jī)械制圖”課程標(biāo)準(zhǔn)，“三視圖”為投影基礎(chǔ)模塊的重點教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生要在掌握物體投影規(guī)律的基礎(chǔ)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(bǔ)全三視圖。該教學(xué)內(nèi)容既是對投影規(guī)律的鞏固應(yīng)用，也將為后續(xù)機(jī)件表達(dá)奠定基礎(chǔ)。但從歷屆學(xué)生的學(xué)習(xí)情況來看，受學(xué)生空間想象能力、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣等因素影響，“三視圖”教學(xué)內(nèi)容已成為學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)分化的“分水嶺”。此部分教學(xué)內(nèi)容參與度高、完成率好、興趣足的同學(xué)在后續(xù)教學(xué)中表現(xiàn)也更好，更能獲得學(xué)習(xí)成就感。此部分內(nèi)容學(xué)習(xí)興趣弱、參與度低、完成率差的同學(xué)自此厭煩情緒將更加嚴(yán)重，學(xué)習(xí)參與度和完成率也越來越差。由此可見，“三視圖”教學(xué)內(nèi)容在“機(jī)械制圖”課程中的重要地位以及難點教學(xué)內(nèi)容對整門課程教學(xué)成效的影響。因此，針對“三視圖”教學(xué)內(nèi)容設(shè)計1款具備互動教學(xué)功能、能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的信息化教學(xué)軟件是必要的。

3 軟件設(shè)計

3.1 設(shè)計方法

市面上很多信息化教學(xué)軟件要么是通用的輔助教學(xué)平臺而不具備教育性，要么是具有教育性但無法激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)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(dāng)前互動式教學(xué)軟件設(shè)計上的一大瓶頸。因此，如何增強(qiáng)信息化教學(xué)軟件互動性、能否激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣也成為了信息化教學(xué)軟件設(shè)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(yīng)用到教學(xué)中來實現(xiàn)教育與游戲的相互融合，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。黃小玉和王相東[8]在尚俊杰等人的基礎(chǔ)上提出了兩者結(jié)合的3種模式：將教育教學(xué)的內(nèi)容自然而然地融入游戲；聯(lián)機(jī)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(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在實踐方面，沈陽師范大學(xué)的呂春晨[9]基于Flash開發(fā)了中學(xué)數(shù)學(xué)中的三視圖投影關(guān)系的教學(xué)游戲，并驗證了其在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高滿意度和學(xué)習(xí)成績上的有效性。浙江大學(xué)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(xué)許倩倩[11]開發(fā)了一款基于具身認(rèn)知的體感型教育游戲來學(xué)習(xí)初二英語詞匯等。電子科技大學(xué)楊鵾等[12]開發(fā)了一款基因工程實驗教學(xué)游戲軟件，以游戲闖關(guān)的方式訓(xùn)練學(xué)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(shè)計開發(fā)的適合學(xué)生學(xué)情、與教學(xué)過程高度配合的具有“輕游戲”功能的互動教學(xué)軟件。皆是以互動闖關(guān)為手段，以教學(xué)目標(biāo)達(dá)成為互動設(shè)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(shè)計信息化教學(xué)軟件，將教學(xué)內(nèi)容作為開發(fā)素材，將知識目標(biāo)、能力目標(biāo)和素養(yǎng)目標(biāo)融入闖關(guān)目標(biāo)，將是一種適用于一線專業(yè)課教學(xué)老師、互動教學(xué)設(shè)計經(jīng)驗不足情況下信息化教學(xué)軟件設(shè)計的有效途徑。

3.2 規(guī)則與功能設(shè)計

3.2.1 規(guī)則設(shè)計

信息化教學(xué)軟件不同于教學(xué)課件，好的信息化教學(xué)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(xué)習(xí)者的“樂學(xué)”。其中，規(guī)則就成為了激發(fā)學(xué)生“樂學(xué)”的關(guān)鍵。“三視圖”信息化教學(xué)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(xué)知識點和教學(xué)目標(biāo)達(dá)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(shè)計闖關(guān)進(jìn)程，學(xué)習(xí)者根據(jù)闖關(guān)規(guī)則，由易到難地完成游戲任務(wù)，逐步達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。闖關(guān)規(guī)則如圖1所示，學(xué)習(xí)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(jìn)入任一模式開始闖關(guān)。

圖1 闖關(guān)規(guī)則

3.2.2 功能設(shè)計

軟件中設(shè)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(jī)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(xué)習(xí)的早期、中期和后期。學(xué)習(xí)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(jī)出現(xiàn)1個物體和其對應(yīng)的任意2個視圖，學(xué)習(xí)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(jī)出現(xiàn)1個物體和其對應(yīng)的任意1個視圖，學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)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(qiáng)的引導(dǎo)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(xué)生養(yǎng)成規(guī)范布圖的習(xí)慣，訓(xùn)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(jìn)度，便于教師查看學(xué)生學(xué)情。4）教師可隨時查看學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)。

3.3 界面設(shè)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(jìn)度狀態(tài)。區(qū)域2為待選擇區(qū)，此區(qū)域每次隨機(jī)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(xué)習(xí)者選擇的模式變化。區(qū)域4為復(fù)位區(qū)，學(xué)習(xí)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(dāng)前頁。區(qū)域3中箭頭指明了該物體的看圖方向，學(xué)習(xí)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(jī)械制圖”信息化教學(xué)軟件關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)

4.1 計分功能

計分功能是當(dāng)前信息化教學(xué)軟件的常見功能，在“三視圖”物圖配對信息化教學(xué)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(jìn)行提示；配對錯誤分?jǐn)?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(dāng)前得分；2）偵聽鼠標(biāo)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?jǐn)?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(yīng)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(fù)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(jìn)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(biāo)交互事件，判斷選擇是否正確，若正確則給表示分?jǐn)?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(xué)軟件中創(chuàng)新性開發(fā)的，只要學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)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(xué)生養(yǎng)成規(guī)范布圖的制圖習(xí)慣，保障教學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)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(jìn)行位置約束和命名；3）偵聽鼠標(biāo)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(jìn)行位置約束，通過偵聽鼠標(biāo)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(yīng)位置“對正”布置；若錯誤，啟用復(fù)位函數(shù)，圖片回到原位置。

5 “機(jī)械制圖”信息化教學(xué)軟件應(yīng)用實踐

該信息化教學(xué)軟件在開發(fā)完成后，已搭載進(jìn)江西制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院超星學(xué)習(xí)通在線教學(xué)平臺，在該校機(jī)械制造及自動化專業(yè)完成對兩屆學(xué)生、268名學(xué)生進(jìn)行測試和教學(xué)應(yīng)用。從測試結(jié)果來看，學(xué)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(xué)生表示對該信息化教學(xué)軟件充滿興趣，希望使用。從應(yīng)用班級和傳統(tǒng)教學(xué)班級的教學(xué)統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，采用了“三視圖”物圖配對信息化教學(xué)軟件的班級學(xué)生不僅在該教學(xué)模塊的課程參與度、任務(wù)完成率和測評成績較傳統(tǒng)班級高，其整門課程教學(xué)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(xué)游戲也助力筆者教學(xué)團(tuán)隊在江西省職業(yè)院校教學(xué)能力比賽中獲三等獎。該信息化教學(xué)軟件的實踐應(yīng)用結(jié)果表明，信息化教學(xué)軟件在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高課堂參與度和提升學(xué)習(xí)成績方面是有效的。

6 結(jié)語

具備互動教學(xué)功能的信息化教學(xué)軟件設(shè)計與開發(fā)的關(guān)鍵是如何將教學(xué)內(nèi)容和學(xué)習(xí)過程設(shè)計得讓學(xué)生“樂學(xué)”。本研究成果在系統(tǒng)梳理當(dāng)前信息化教學(xué)軟件設(shè)計與開發(fā)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)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(xué)軟件開發(fā)工具和設(shè)計方法。實踐成果一方面有助于解決傳統(tǒng)“機(jī)械制圖”教學(xué)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(xué)軟件在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)習(xí)參與度和學(xué)習(xí)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(xué)軟件的設(shè)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(xué)人員、教學(xué)設(shè)計人員、軟件開發(fā)人員、美工等通力合作。隨著信息化教學(xué)軟件在推動教學(xué)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(xué)理念的不斷傳播，信息化教學(xué)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(xué)軟件資源在數(shù)量、種類上都會越來越多。