虛擬云桌面在計算機輔助設計CAD教學中的應用

于沛鑫，劉靜娜

(1.天津農學院 園藝園林學院，天津；2.天津理工大學 天津市先進機電系統設計與智能控制重點實驗室，天津；3.天津理工大學 機電工程國家級實驗教學示范中心，天津)

一 引言

《計算機輔助設計CAD》作為環境設計專業的核心專業課之一，在本科培養方案中占有重要的地位。本門課程的主要培養目標是使學生具備基本的制圖理論知識，掌握制圖規范與標準，以及掌握城市環境景觀設計、室內設計、居住空間設計、商業空間設計、城市綠地規劃設計、社區環境改造、鄉鎮環境景觀設計的制圖技法[1-3]。本門課程的授課形式為教室面授結合機房上機實踐。隨著移動互聯網+、虛擬云桌面等先進技術不斷地引入到教學過程中，計算機輔助設計CAD的教學質量將會顯著提高，培養出更多能夠解決復雜環境設計問題的應用技術人才。

二 《計算機輔助設計CAD》課程存在的問題

《計算機輔助設計CAD》這門課程在當前的培養方案中排在第2學期授課，主要目的是為了后續的設計類專業課《室內空間設計》《建筑設計方法》《景觀設計方法》打下基礎。為了讓學生能夠在學習過程中熟練應用AutoCAD軟件表達設計思想與創意，本門課要求學生必須掌握AutoCAD軟件中與室內裝飾設計、家具設計、景觀設計相關的功能。然而由于藝術類本科生不具備工程圖學基礎知識，計算機基礎應用技能也參差不齊，所以不同學生對AutoCAD制圖技法的理解程度有較大的差距[4-5]。通過調查問卷與隨機訪談發現，在有限的教學課時內仍有部分學生表示很難熟練掌握AutoCAD制圖技法。總結調查問卷與隨機訪談結果發現問題主要體現在如下幾個方面：

首先，學生抽象思維較差。學生根據設計尺寸要求可以繪制設計圖紙，但是無法主動將設計意圖在圖紙上表達出來。在課堂上實例講解過程中學生普遍可以理解線條的含義并繪制出準確的圖紙。但是在自行設計圖紙時沒有抽象思維概念，將三維實物轉換成二維線條繪制時不符合制圖標準規范。

其次，實驗課時有限。本門課總學時為48學時，其中理論講授12學時，上機實驗36學時。AutoCAD軟件的使用需要學生反復操作，深入領會每個功能的深刻含義，這樣才能達到熟練運用軟件表達設計意圖的目的。而每次實驗課均為新的實驗教學內容，課時內無法完全消化實驗的內容。另外實驗課內學生遇到的問題較為分散，實驗指導教師無法解答所有學生的問題，更無法掌握每位學生的學習進度，難以實現形成性評價。

再次，機房實驗用計算機不便于制圖創作。實驗機房針對所有專業開放，學生只能在固定的課時內進行實驗。下課后實驗思路被打亂，絕大多數學生表示課后自行實驗會重新開始創作浪費了大量寶貴的時間。

本門課的教學重點熟練運用AutoCAD軟件進行環境設計創作。針對以上問題，我們引入了虛擬云桌面教學平臺并開展線上線下混合式教學模式。以形成性評價作為部分考核標準，最終實現所有學生均能達成畢業要求的目標。

三 基于虛擬云桌面的線上線下混合式教學方案

（一） 虛擬云桌面系統硬件架構

虛擬云桌面系統擁有1臺雙路云桌面服務器共20個CPU核心，96GB內存，可以滿足一個教學班30名同學的實驗需要。另有一臺雙路云桌面管理服務器，負責云桌面系統的通信，負載平衡，用戶管理，互聯網接入等工作。指導教師可以通過VCSA服務器實時查詢在線同學的實驗時間、實驗內容以及實驗歷史得分，真正做到了持續跟蹤學習進度。本專業擁有獨立的自習教室，可以保證每天開放14個小時，學生可以充分利用自己的課余時間。另外，學生除了可以用筆記本電腦登入云桌面系統以外，還可以借助平板電腦、手機等移動終端接入進行操作。本門課所使用的虛擬云桌面系統架構如圖1所示。

圖1 虛擬云桌面系統網絡拓撲圖

（二） 理論教學方面

由于理論教學時長有限，《計算機輔助設計CAD》這門課程涉及到的先修課程及制圖注意事項又比較多，如果學生先修課程基礎薄弱的話那么課堂理論教學內容很難在課內完全消化。線上、線下混合教學能夠充分利用起來學生的課前、課后的業余時間。在課前，學生通過回顧先修課程的內容達到鞏固基礎的目的，然后觀看中國MOOC網站上《AUTOCAD建筑室內制圖》對應章節的視頻講解完成課前預習。課堂上，在理論課教學中，指導教師根據重點、難點以及學生在觀看視頻時反饋的普遍問題進行深入地、有針對性地講解，同時拓展相關知識點到真實的應用案例中。課后學生根據自己的學習進度再次反復觀看教學視頻并自行查找相關資料，鞏固所學知識點，拓展實戰需求。教學的重點是借助計算機輔助設計手段實現設計工作，而不是讓學生掌握軟件的操作技能[6-7]。

線上線下混合式理論教學流程圖如圖2所示：

（三） 實驗教學方面

實驗教學是計算機輔助設計這門課程的重中之重，是衡量學生畢業達成度的關鍵教學環節。學生在完成實驗后教師可以即時通過手機、計算機登入云桌面系統并進行打分。學生可以根據評語反復練習修正自己出錯的地方并改正，直到完全領會教學內容，而不是通過一次實驗的得分就區分學生的學習效果[8-10]。以第2章室內設計CAD為例，制圖規范及標準是本實驗的重點與難點，也是在實際應用中的重點與難點。在本次實驗中，具體要求學生掌握的知識點有：

1.圖紙幅面與標題欄。

2.圖線、字體的確定。

3.比例、尺寸的標注。

4.平面圖、立面圖、頂棚圖繪制。

其中標題欄、比例尺的確定很容易出現錯誤，一次實驗的結果并不能持續反映出學生掌握的程度，必須要反復練習才能形成標準的制圖習慣。云桌面系統記錄每位學生每次實驗的時長、重復出錯的次數、實驗得分以及達到及格時的實驗次數，以此推斷該名同學對知識點的領悟能力以及實驗操作能力。

基于虛擬云桌面系統的實驗課開展方案圖3所示。

四 教學執行過程

指導教師在實驗課前一天群發推送消息，指明重點和難點，學生就可以嘗試在虛擬云桌面下進行實驗。在實驗過程中，教師著重講解學生普遍出錯的地方，學生根據實驗指導書進行操作，并提交到評分軟件通知指導教師進行評分。評分系統中學生提交實驗結果界面如圖4所示。軟件會記錄每次提交實驗結果的所有的信息，并最終生成統計數據。由于基于虛擬云桌面的操作進度不受課時影響，課堂上完不成的內容只能在課余進行解決，下課后學生依然可以在其他接入點進入云桌面并繼續完成實驗。除此之外，在課余實驗中學生還可以加入分組討論，根據設計思路討論制圖方案，使學生充分領會實驗設計的內涵。

圖4 計算機輔助設計CAD評分軟件學生提交文件界面

五 教學效果

《計算機輔助設計》這門課為專業必修課，選課對象為環境設計專業本科生，一次開課人數為60人左右，分兩班進行分班教學。我們自行搭建的虛擬云桌面系統可以同時流暢運行30臺虛擬客戶機，完全可以滿足一個教學班的學生同時在線實驗。課余時間較為分散，目前并沒有形成超過30人同時在線進行課后實驗的服務器過載現象。

在教學效果跟蹤方面可以發現，如果學生在完成實驗作業后的短時間內得到批閱報告，趁著對知識點短期記憶還很清晰的情況下不斷修改實驗內容，可以更加深入地理解、鞏固知識點。相比而言，傳統情況下班長收集好實驗報告，轉交由指導教師批閱，再返回給學生查看、改進的方法，大量的學生對當時做的實驗沒有深刻印象，甚至是忘記如何操作的。因此，對批語也就不會特別在意，很難產生持續改進的作用，對學生的成長也沒有意義。

從教師端可以檢測到的學生實驗平均持續操作時間和平均重復操作次數。從實驗時間來看其中實驗1較為簡單，但是入門實驗重復次數比較多；實驗3為最困難，持續時間最長，但是隨著操作成功的次數的增加，重復實驗次數屬于中位數。虛擬云桌面可以帶動學生對先修課程進行回顧。以實驗2“建筑室內設計方案繪制”為例，實驗要求進行房型改造，繪制平面布局圖、地面鋪裝圖、吊頂燈具圖以及房屋墻體、柜子等立面的繪制。這個實驗的順利進行需要學生掌握先修課程中室外設計表現技法、透視技法、構成、色彩。這些內容在第1學期進行，經過一學期學生普遍表示對知識點的印象已經很模糊了。如果在課堂上重復講解的話，那課時就會明顯不夠用。如果不回顧，只是照實例進行圖紙的繪制又無法達到掌握計算機輔助室內設計能力訓練的目的。將對應的內容以慕課的形式提前內置于虛擬云桌面系統，鏈接來自中國大學MOOC中西北農林科技大學的《畫法幾何與陰影透視》課程。學生在實驗過程中可以隨時回顧知識點。由此，學生掌握的效率特別高。不僅對本門課程的理解有支撐作用，對先修課程知識點也是良好的鞏固的過程。

六 結語

虛擬云桌面實驗平臺在《計算機輔助設計CAD》課程教學環節中的應用能夠使環境設計專業學生實現了在學習時間和學習空間上的擴展，充分體現出新時代MOOC+SPOC的教學理念：任何人在任何時間、任何地點可以學習任何知識。在校生可通過校園網接入虛擬云實驗平臺，不需要固定的實驗時間，對個別教學重點和難點也可以進行反復學習，深入分析與思維拓展[11-13]。同時學習過程并不需要固定的場所，不必安排實驗人員。這種不限時的實驗平臺能夠極大地利用學生的課余時間，調動學生自主學習的積極性。另外，學生也可以跟蹤自己的學習進度，發現自己的薄弱環節，鞏固夯實基礎知識，帶動知識領悟慢的同學不斷進步，最終滿足畢業達成要求。這是對當前OBE人才培養理念的精準實踐，使每位同學都能夠達成畢業要求，真正做到了關注每位同學進步的過程，為新文科人才培養奠定了堅實的基礎。