工程制圖游戲化學習設計

梁杰

摘要：工程制圖課程需要學生建立二維刻畫三維的表達模式，但這種空間能力的形成對多數學生來說并非易事，而且過程枯燥。針對工程制圖中組合體的學習設計虛擬積木游戲，游戲中的任務激發了學生的挑戰興趣，嘗試—糾錯自學習的游戲過程充分調動了學生的主觀能動性，使學生在完成游戲的成就感中增強了讀圖和畫圖的能力。在課堂中引入虛擬積木游戲，提高了學生的成績，更為學生打開了設計的創意之門。

關鍵詞：工程制圖教育;教育游戲設計;游戲化學習

中圖分類號：G642.41 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）23-0170-02

工程制圖的教學目標之一是培養學生繪制和閱讀工程圖樣的能力，而該能力的獲取需要學生打破原有的立體認知觀念，重新建立二維刻畫三維的表達模式，但這種思維習慣的形成對多數學生來說并非易事。有研究表明，如果教師關注學生帶到學習任務中的已有知識和觀念，將這些知識當作新教學的起點，并在教學過程中監控學生概念的轉化，那么就可以促進學生學習[1]。對學生來講積木游戲并不陌生，擺搭積木的過程中需不停地研究布局、結構，有利于游戲者掌握物體形狀、辨別空間方位、把握二維和三維空間及其轉換，很好地鍛煉了游戲者的想象力、創造力、結構思維和造型能力，而這些也正是工程制圖課程所能賦予學生的能力。然而課堂和游戲相比，顯然后者對學生更具吸引力。如果能將工程制圖的學習內容進行游戲化設計，以游戲作為學習內容的載體，必然能在很大程度上激發學生的求知欲。國外已開始將游戲化學習引入到高等教育中，奧地利的格拉茨工業大學基于土木工程中結構理論的內容開發了內力大師教育游戲軟件，用于靜定系統和靜不定系統的內力計算[2]。米蘭理工大學設計了一款能為學生和實習者提供精益產品開發實踐經驗的游戲[3]。麻省理工學院開發了一款針對系統工程概念教學的多玩家卡牌游戲，用于幫助沒有系統工程經驗的學生理解不確定環境下復雜系統設計和運行的基本概念[4]。本文將針對工程制圖中組合體的學習設計虛擬積木游戲，使學生在輕松、自主的環境下提高讀圖和畫圖的能力。

一、游戲設計

游戲化學習設計的內涵在于做到娛樂性和教育目標的平衡[5]，即寓教于樂。游戲的建構應圍繞抽象化的學習內容、支持游戲的技術工具[6]、游戲規則、學習者的偏愛及背景[6]、學習者的動機和學習者的技能發展等方面開展。為此，虛擬積木游戲將在SolidWorks2014虛擬設計環境中開展，利用零件建模功能開發幾何單元，利用虛擬裝配功能實現幾何單元的組合。基于工程制圖習題集組合體構型的統計，選擇四棱柱和圓柱作為組合體構型的基本幾何單元;同時考慮到游戲的易學性，針對基本幾何單元的擴展建模操作僅限于拉伸和切除拉伸。

二、游戲內容

游戲內容基于組合體視圖的讀和畫開展。組合體視圖的讀和畫決定了學生理解和表達工程圖紙中“形”的能力，這種能力的提高對機械工程后續課程的學習、課程設計及畢業設計都有積極的促進作用。

1.照貓畫虎。“照貓畫虎”游戲是為了學生能熟悉虛擬設計環境下的建模和裝配操作，保證學生將現實中搭積木的過程遷移到虛擬環境中。首先讓學生觀察實體積木單體的結構，引導其思考如何通過平面形狀獲得三維構型，然后在SolidWorks2014虛擬設計環境中實現這一過程，讓學生熟悉虛擬環境中的拉伸和切除拉伸操作。這兩種操作將使得學生可以靈活地構建虛擬積木單體;接下來讓學生運用虛擬積木單體搭建構型，引入重合、距離、同心等概念，并指導學生將這些概念轉變為虛擬裝配中的約束，使學生能在虛擬環境下通過約束操作對虛擬積木單體進行虛擬裝配。

2.堆石成屋。“堆石成屋”游戲是針對幾何單元做疊加操作的游戲，用于提高學生對疊加式組合體的形體分析能力。讓學生參照二維圖樣，把已知的虛擬積木單體裝配起來，還原二維圖樣的三維形貌。游戲過程如圖1所示：圖1（a）為給定的虛擬積木單體，讓學生參照圖1（b），挑選合適的積木單體運用疊加概念還原圖1（b）中二維圖樣的三維形貌（見圖1（c））。

3.鏤月裁云。“鏤月裁云”游戲是針對幾何單元做去除操作的游戲，用于提高學生對挖切式組合體的形體分析能力。讓學生在觀察形體的基礎上，制訂挖切步驟，最后在虛擬環境下通過挖切操作獲得參考形體，游戲過程如圖2所示。

4.化面為體。“化面為體”游戲是讓學生閱讀二維圖樣，通過對幾何單元的疊加或挖切或疊加和挖切還原形體的三維面貌，用于鍛煉學生的讀圖能力。學生們在游戲過程中，通過對二維圖樣的分析，綜合運用拉伸、拉伸切除和裝配操作，完成對形體的三維建模操作，游戲形式如圖3所示。這個游戲難度最高，學生會在虛擬環境中反復進行二維、三維的互逆轉換，在嘗試、分析和歸納中理解和習慣二維刻畫三維的表達模式。這種在游戲中的嘗試—糾錯自學習模式充分調動了學生的主觀能動性，使學生在完成游戲的成就感中掌握了知識和技能。

三、游戲效果

通過在課堂上引入虛擬積木游戲，激發了學生學習工程制圖的興趣，很多學生開始主動學習。圖4展示了引入虛擬積木游戲的某班級和傳統教學某班級的期末考試成績對比。除了成績的提高外，更為重要的是引入虛擬積木游戲的班級的學生學會了更多的軟件操作，主動對身邊的實物進行了虛擬建模，并融入了自己的想法，體驗到了設計的樂趣。圖5展示了學生部分作品。

四、結論

通過將工程制圖的學習內容進行游戲化設計，以游戲作為學習內容的載體，在很大程度上激發學生的求知欲。嘗試—糾錯自學習的游戲過程充分調動了學生的主觀能動性，使學生在完成游戲內容的同時增強了讀圖和畫圖的能力。在課堂中引入虛擬積木游戲，提高了學生的成績，更為學生打開了設計創意之門。

參考文獻：

[1]約翰.D.布蘭思福特，等.人是如何學習的：大腦、心理、經驗及學校（擴展版）[M].程可拉，孫亞玲，王旭卿，譯.上海：華東師范大學出版社，2013.

[2]Ebner M，Holzinger A. Successful implementation of user-centered game based learning in higher education：An example from civil engineering[J].Computers and Education，2007，49：873-890.

[3]Pourabdollahian B，Taisch M，Kerga E. Serious games in manufacturing education：evaluation of learners engagement[J]. Procedia Computer Science，2012，15：256-265.

[4]Ross A M，Fitzgerald M E，Rhodes D H. Game-based learning for systems engineering concepts[J]. Procedia Computer Science，2014，28：430-440.

[5]Prensky M. Digital game-based learning[M]. New York：McGraw-Hill，2007.

[6]Freitas S，Oliver M. How can exploratory learning with games and simulations within the curriculum be most effectively evaluated[J]. Computers and Education，2006，46：249-264.endprint