現代工程制圖課堂教學改革的探索與實踐

熊 巍， 劉 林， 陳錦昌

（華南理工大學設計學院，廣東 廣州 510006）

現代工程制圖課堂教學改革的探索與實踐

熊 巍， 劉 林， 陳錦昌

（華南理工大學設計學院，廣東 廣州 510006）

針對當前多媒體教學存在的問題，對工程制圖課堂教學改革提出一些思路和方法。基于建構主義學習理論，遵循學生的認知心理，設計工程制圖課堂教學過程和教學方法；以傳統教學手段為基礎，創建一種新式的多媒體教學法。通過“粉筆板書”和多媒體技術的完美融合，模擬真實的手工繪圖過程情境；通過手勢動作和課件動畫的巧妙配合，實現組合體的構形過程情境；通過實物模型和繪圖軟件的嫻熟運用，創造師生互動的學習情境。學生的成績和評價證明這種新穎的教學法是對工程制圖課堂教學改革的有益嘗試；另外，通過公開示范課和教學競賽對該教學法進行推廣，也獲得了同行認可和肯定。

工程圖學；教學改革；建構主義學習理論；課堂教學

近年來，各高校對制圖課程展開了全面且深入的教學改革，特別是多媒體技術在課堂教學中的應用取得了卓有成效的效果[1]。由于制圖課堂教學需要大量的圖例及繪圖過程的演示，采用粉筆板書為代表的傳統教學手段往往工作量大、效率低，而且對青年教師的基本功要求高，因此多媒體教學已經成為目前高校制圖課堂教學的主要手段。不可否認，多媒體教學形象生動、信息量大，在提高制圖課堂教學效率方面有著傳統教學手段無法比擬的優勢。但是，由于對多媒體教學手段的認識與應用存在一定的誤區，導致課堂教學的效果往往不盡如人意[2]，例如：

（1）有些年輕教師缺少教學經驗，將多媒體教學變成了機械的放幻燈片、念講稿，照本宣科，缺少變化，學生昏昏欲睡；

（2）教師為操作電腦而偏居一角，學生只見屏幕，難見教師，師生缺乏交流與溝通，課堂氣氛沉悶；

（3）學生普遍反映跟不上教師的講課速度，上課時就像走馬觀花，學生缺乏積極性；

（4）課件設計形式呆板，只是簡單的將教材上的文字和圖片進行堆砌，填鴨式教學。

然而，傳統教學手段注重黑板繪圖過程，一筆一劃，一招一勢，學生清晰明了，樂于接受；同時，教師充分利用聲音、動作等元素來吸引學生的注意力，使課堂教學成為學生全程參與、師生充分互動的過程，課堂氣氛自然、和諧。

深入分析多媒體教學手段存在的問題，其實原因不在于這種現代化教育技術本身，而是未能清晰地認識課堂教學的4個要素，包括教師、學生、教學內容、教學環境之間的關系，未能將課堂教學手段從教師的講授知識的輔助工具，轉變成學生主動學習、協作、探索、完成意義建構的認知工具，在使用先進的教育技術的同時，缺乏更適合的教育理論來指導當前的工程制圖課堂教學的設計和實施。

現代建構主義學習理論為制圖課堂教學改革提供了新的方向。建構主義認為，學習是獲得知識的過程，知識不是通過教師傳授得到的，而是學習者在一定的情境下，借助他人的幫助，利用必要的學習資源，通過意義建構方式獲得的[3]。建構主義理論為我們提供了全新的教學觀，對師生在教學過程中的作用和地位進行了重新界定，真正能從學生的心理生理和認知結構特點出發來改變現有的教學設計和教學方法[4]。

因此，建構主義學習理論指導下的工程制圖課堂教學改革有其理論和現實意義。

1 建構主義學習理論指導下的工程制圖課堂教學設計和策略

根據建構主義理論的要求，教學過程中要創設學習情境、進行教學設計，針對不同的教學內容設計不同的教學方法，促進學生建構良好的認知結構。課堂教學設計不僅要對教學內容全面把握，還要對學生的認知結構和心理過程進行分析，挖掘與學生認知結構有效結合的學習主題，提供符合學生認知心理的外部刺激，使得課堂的教學活動過程適應于學生的心理活動過程，最終實現學生對新知識的同化、順應和意義建構。

1.1 遵循認知心理的教學過程設計

目前多媒體課堂教學存在的問題之一是學生反映跟不上教師的教學進度，上課走馬觀花，課后印象不深。其根本原因在于，課件制作和教學活動沒有充分考慮學生的認知心理，認為教學過程只是為了完成教學任務，而忽視了學生才是教學過程的主體[5-6]。

（1）主線清晰，結構完整。雖然多媒體課件教學信息量大、面廣，且便于發散和擴充，但操作時每個頁面只是短暫停留，如果一堂課所用的課件頁面較多時，學生很難全面把握教師的教學思路。因此，在教學內容結構的設計上，要有明確的主線，加深學生對重要知識點的印象。另外，教學內容結構也要有整體性。首先設立思考問題，埋下伏筆，引入學習主題，然后對知識點的剖析講解，最后解決問題，前后呼應。

（2）內容細分，層層展開。學生反應難以跟上教師的教學進度，并非多媒體技術本身的問題。教學媒體的呈現方式和節奏須以認知心理學為依據，仔細分析注意、知覺、記憶、概念形成等4種心理活動所具有的特性以及與媒體表現之間的關系，做到教學活動的展開能與學生心理活動一致。在對知識點的講授時，切忌整頁的播放幻燈片，而應按學生的思維過程進行細分，然后動態地表現出來。

（3）從體切入，形圖對照。人是生活在三維世界中，因此學生對立體圖的掌握與理解是直接的。以體為切入點，由三維的立體形到二維的投影圖，在形與圖的轉換和對比過程中，幫助學生快速建立空間概念，培養學生的空間想象能力，這也更符合學生的認知規律和建構主義學習理論的要求。

（4）控制節奏，張弛有度。在以教師為主導的課堂講授過程中，學生很難保持整節課的高度注意力集中。如果教師為了完成教學任務而采用“滿堂灌”的授課方式，反而會適得其反，教學效果大打折扣。因此，在教學過程中，應該控制節奏，恰當“留白”，為學生提供實現意義建構的空間。例如，講完重要知識點后布置課堂練習，為學生嘗試使用新知識提供實踐的機會。

1.2 營造雙向互動的學習情境設計

建構主義學習理論認為，學習總是與一定的情境相聯系的，學生需要一定的情境來同化和順應新知識才能實現知識的意義建構，因此要把創設情境作為意義建構的必要條件和教學設計的重要內容。根據學生原有的知識經驗背景、動機以及情感態度等，通過從現實生活中尋找、挖掘符合學生心智水平、與現實生活相關的真實材料，把學生引入一種與問題有關的情境中。學生要在已知的知識平臺上通過不斷激活原有的經驗，在“平衡-不平衡”的認知活動中展開新的思維活動，獲得自己的意義，建構自己的理解。

（1）學習情境，要真實、自然。首先，學習情境的設計要真實，來自于工程實際的真實素材營造的學習情境，能夠激發學生的學習興趣，而對情境創設的真實性也決定了學生對學習主題認知和意義建構的程度。其次，學習情境的設計要自然，用最符合學生認知心理的外部刺激去促進對知識的理解和應用，完成學習內容的意義建構。

（2）學習情境，體現學生的主體地位。有效的教學是逐步減少外部控制、學生自我實現意義建構的過程。在教學過程中，學生的學是教師教的出發點和歸宿，教師的教是為了學生的學，學生是學習的主體，同時也是知識獲取的主動建構者。制圖課堂的教學設計要解決如何讓學生主動、全面參與教師為學生創設各種情境。一方面，學習情境要具有開放性，促使學生全身心投入，自由發表觀點，讓學習在平等對話中進行，使師生積極互動共同發展；另一方面，學生的自主學習并非教師的放任自流，教師還要適當調控，為學生學習目標導向，靈活控制學習的進程，有效評價學習的成果，真正成為學生意義建構的推手。

2 建構主義學習理論指導下的工程制圖課堂教學方法和實施

有了好的教學設計，接下來就是利用怎樣的教學方法和手段，營造真實的學習情境，組織和諧的教學課堂。而只有充分認識和理解教學四要素中的教師、學生、教學內容和教學環境之間的關系，才能保證生動有效的課堂教學的實施。

2.1 傳統板書教學與多媒體教學手段相融合

對于工程制圖中繪圖方法的講解，多媒體教學和傳統的板書教學都有各自無法替代的優勢，如何保留傳統教學法的課堂互動性好，注重講解過程，師生進行有效溝通等優點，又能充分發揮多媒體的高效、形象、信息量大的特點。已有許多文獻提出了在工程制圖課堂教學中將傳統的教學手段與多媒體教學相結合，但如何有效甚至無縫地結合并沒有深入的探討和實踐。

2.1.1 全新的“板書式”多媒體教學法

傳統的制圖課堂教學中，教師在黑板上作圖，邊畫邊講解，學生通過這個過程逐漸理解和消化，實際上這對繪圖能力的培養起到潛移默化的作用；邊講邊畫切合人們的思維過程及作圖過程，非常有利于學生理解吸收并掌握繪圖方法。通過對多媒體教學與傳統教學特點的全面分析，充分挖掘教師的主觀能動性，設計一種全新的課堂教學方法 ——“板書式”多媒體教學法。通過該方法，教師脫離了計算機的束縛，直接在投影屏幕上進行“粉筆板書”教學演示，一筆一劃地示范作圖過程，真正實現多媒體技術和傳統教學的完美融合，如圖1所示。“板書式”多媒體教學法的本質仍然是多媒體教學，但完全模擬手工板書畫圖的教學形式，實現的關鍵在于教師對多媒體技術的嫻熟運用，教師一只手通過遙控翻頁器控制PPT課件中的圖線動畫，另一只手握教鞭跟隨著屏幕上的動畫方向運動，學生看到的則是教師竟然用教鞭“畫出”了一條條線。教師在“畫圖”過程中，伴隨語言講解、眼神交流，創設全真的手工繪圖情境。但是要自如的使用這種教學法，達到以假亂真的效果，對教師提出了更高的要求。一方面，要充分準備，熟悉教學內容，包括課件每個頁面的內容和每個作圖步驟的動畫，因此課件最好親手制作；另一方面，要精確控制，為了能夠使用教鞭模擬出粉筆作圖的效果，就要對所有的圖線動畫的出現順序、時間、位置、方向和速度都進行準確預判，將教鞭成為教師手中的“畫筆”。

2.1.2 多媒體教學中的板書設計

“板書式”多媒體教學法雖然很好的模擬了手工畫圖過程，但板書這種傳統教學手段本身并不能舍棄，在制圖課堂教學中的兩個環節可以很好的利用板書進行精心設計。首先，根據粉筆板書概括性和持久性的特點，隨著教學進程的展開，將重要的知識點按其邏輯關系列舉在黑板上，教學過程的主線清晰可見，如圖2(a)所示；其次，通過板書，提出具有啟發性、開放性的課堂小問題，并鼓勵學生上臺回答，粉筆板書成為師生互動的理想工具，如圖2(b)所示。

圖2 各種教學手段輔助的課堂教學實踐

2.2 直觀教學與計算機技術相結合

工程制圖是一門形象思維很強的課程，要不斷地由物畫圖，由圖想物。空間想象能力和形象思維能力離不開感性認識的積累與形象思維的啟發。

2.2.1 實物模型和肢體語言

實物模型作為工程制圖傳統教學方法的重要手段，看得見，摸得著，帶給學生的感性認識也最為直觀。精心選擇的實物模型，可以串聯起教學內容中的各個知識點，形成明確的教學主線。例如，在講解組合體的構形、形體分析和畫圖時，選擇同一個組合體實物模型貫穿各個教學單元，從引入問題到解決問題，保證了知識建構的連續性，如圖3所示。另外，在課堂的“留白”時間引入組合體小積木組織手工課堂，安排學生分小組討論、拼裝組合體造型并畫圖，營造會話、協作和學生互動的課堂氛圍。

圖3 選擇實物模型，串聯知識

傳統的課堂教學手段有更強的感染力，是因為教師不僅通過語言，還通過豐富的表情和動作全面吸引學生的注意力。其實，在多媒體教學中同樣可以更好地利用動作“抓住”學生，成為師生互動的橋梁。例如，在組合教學時，我設計了各種手勢和動作，虛實結合，通過動作引導，講解構形的過程；用各種手勢，來展示不同的構形方法。圖4所示為使用現實的“切割”手勢配合虛擬的分解動畫，一步一步地營造真實的構形過程情境。

圖4 用手“切割”組合體

2.2.2 計算機繪圖軟件輔助教學

在實際教學中，往往實物模型資源不足，并且實物模型本身難于動態的表現立體的構型過程；而大多數多媒體課件都不是開放性的，難于適應教學方式、教學策略各不相同的廣大教師，更不能適應不同的教學內容、不同教學對象等千變萬化的情況。因此，在制圖課的教學中，對某些抽象難理解的內容，可以使用計算機三維繪圖軟件，作為輔助教學手段，幫助學生快速理解空間形體，建立空間概念。另外，通過繪圖軟件，靈活調整教學內容，按照學生的思路，快速建立三維模型，營造互動的學習情境。

為了引入組合體的形體分析法，給學生布置了一個“回字形”立體的多解題（如圖2(a)所示），鼓勵學生積極思考。對于學生的答案，教師并不立即指出正確與否，而是根據學生的想法快速建立對應的三維立體來進行驗證，讓學生自己發現錯誤，如圖2(b)所示。在這個“思考-嘗試-驗證”的學習過程中，學生完全成為課堂的主角，教師只是實現學生意愿的幫助者。

立體表面交線中的相貫線，特別是立體形狀變化對于相貫線投影的影響，一直是學生學習制圖課程中的難點。在講解這部分內容時，可以使用CAD軟件的模型動態顯示功能（如SolidWorks軟件的Instant 3D），可隨意拖動來改變立體的形狀大小，而相貫線在空間上和投影圖上也會相應的實時變化，如圖5所示。因此，原本學生難以理解的變形過程，通過計算機繪圖軟件的巧妙展示，變得清晰易懂，一目了然。

圖5 交互式動態展示相貫線的變化

3 建構主義學習理論指導下的工程制圖課堂教學評價和推廣

通過該教學法的實施，取得了非常好的教學效果。學生樂于接受這種新式的教學形式，認為工程制圖課程與眾不同，教師上課就像魔術師，神奇的教鞭可以在屏幕上自由地繪畫。因此，學生的制圖課程成績得到逐年提高，本人的學生評教分數也每年都居于學院的前5%。圖6為對2012級某專業學生采用了該教學法授課與 2011年未采用該方法授課的期末考試成績對比。

圖6 同一專業兩學年學生課程成績對比

本人通過教學研討會和公開示范課對該教學法進行推廣，也獲得了同行和專家的認可和好評，如圖7所示。為了擴大影響，通過參加教學競賽，將這種新穎的教學法向廣東省乃至全國的同行進行介紹。我在 2012年分別參加了學校青年教師課堂教學競賽、廣東省首屆高校教師教學基本功大賽和首屆全國高校青年教師教學競賽，均獲得一等獎。

圖7 為浙江大學等高校演示在線公開課

4 結 論

本人在教學實踐過程中不斷總結創新，設計了一套新穎的教學法。該教學法以建構主義學習理論為基礎，分析學生的認知心理和認知結構進行教學過程和課件制作，營造真實、自然的學習情境；通過分析多媒體教學和傳統教學手段的特點，充分發揮教師和學生的主觀能動性，真正實現了一種能融合多媒體和粉筆板書的教學方法。本教學法實際上是將多種教育技術手段靈活應用到工程制圖課堂教學上的大膽創新，目前在同行中已經取得了一定的認可和影響；接下來，將從技術哲學的層面針對制圖課堂教學的創新和實踐作進一步的研究和探討。

[1] 藍曉民, 王盛智. “工程制圖”課程多媒體教學方法探討[J]. 工程圖學學報, 2013, 34(1): 120-121.

[2] 楊叔子, 王 筠. 要真抓課堂教學質量[J]. 中國高教研究, 2007, (4): 1-3.

[3] 高 文, 徐斌艷, 吳 剛. 建構主義教育研究[M].北京: 教育科學出版社, 2008: 32-40.

[4] 何克抗. 建構主義的教學模式、教學方法和教學設計[J]. 北京師范大學學報(社會科學版), 1997, (5): 74-81.

[5] 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.

[6] PRJ Simons. Constructive learning: The role of the learner [J]. NATO ASI Series, 1993, 105(2): 291-313.

Exploration and Practice of Teaching Reform of Engineering Drawing

Xiong Wei, Liu Lin, Chen Jinchang
(School of Design, South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510006, China)

Some ideas and methods for class teaching reform on current problems of multimedia teaching are proposed. Based on constructivist learning theory, following the students' cognitive psychology, engineering drawing classroom teaching process is designed. Based on traditional teaching, a new multimedia teaching method is established. By the melange of "chalk blackboard" and multimedia technology, a real hand-drawing process context can be simulated. By the cooperation of gesture and animation, a configuration process scenarios can be achieved. By the use of physical models and graphics software, an interactive learning environment can be brought about. The evaluation of students and peers proves that this novel method is a useful attempt to reform classroom teaching on engineering drawing.

engineering graphics; teaching reform; constructivism; class teaching

TB 23

A

2095-302X (2014)02-0296-05

2013-12-10；定稿日期：2014-03-06

2012年度廣東省教育教學改革資助項目；2012年華南理工大學校級教學研究資助項目

熊 巍（1979-），男，江西南昌人，講師，碩士。主要研究方向為工程圖學、虛擬現實技術。E-mail：WeiXiong@scut.edu.cn

劉 林（1960-），男，湖南株洲人，教授，研究生導師。主要研究方向為計算機圖形學、虛擬現實技術。E-mail：liuling@scut.edu.cn