機械專業教學中知識可視化應用模式與實踐研究

楊仲文

(中山市中等專業學校，廣東 中山 528458)

0 引言

自改革開放以來，我國的經濟水平不斷提升，機械產業作為支撐國家經濟發展的重要支柱，一直以來都被國家放在十分重要的發展地位。機械專業人才的培養作為向機械產業輸送人才的主要方式，也一直被我國所重視。但是，隨著時代的發展，無論是對人才需求的變化還是教育大環境的變化都對機械專業教學產生了較大沖擊，整個專業教學現狀都面臨著改革與創新的新問題。知識可視化作為在信息時代發展起來的新興研究領域，其目的就是促進人與人之間知識的傳播與創新，而其在教育領域的應用研究一直以來被教育領域以及知識可視化領域的研究者所重視，研究者認為知識可視化能夠在促進知識傳遞和創新的同時，還能夠幫助知識的呈現。不僅如此，知識可視化還能夠作為學習工具幫助學習者更好地進行知識體系的自主構建與創新，它的出現為我們對機械專業教學的改革與創新提供了新的研究視角。

1 研究背景

1.1 信息時代的不斷發展

在這個信息大爆炸的時代，信息化的飛速發展讓知識和信息的隨時隨地共享成為可能，據聯合國教科文組織統計，現有知識每年都在以10%的速度更新。可見，當今信息和知識的增加、更新、換代十分頻繁。面對如此繁多并趨于碎片化的信息與知識量，如何將其不斷梳理、分析和加工最后內化為自己的知識，是適應新的知識經濟和信息社會的需要。

同時，不僅僅是信息和知識量在飛速地增長，隨著社會科技的不斷發展，呈現知識的形式也變得多種多樣。人們不再單一地采用文字的方式來傳遞信息、傳播知識，越來越多的信息被用以圖片、動畫、影像的方式來呈現，各式各樣的畫報、內容豐富的電視電影在我們的生活中隨處可見。這不僅是因為技術的發展為視覺信息的生產與傳播保駕護航，還因為可視訊號最為直觀易感。相較于文字和聲音，通過視覺得到的視覺圖像更加使人記憶深刻，這表現在人們在閱讀信息時，相比起純文字信息人們對圖文并茂的信息更為敏感，而當我們回想起一件事情時，往往腦海中顯現的是一幅視覺畫面而不是一串文字。

1.2 機械專業教學的發展

在上個世紀八十到九十年代，機械工程專業人才的培養呈現兩極化，對于中等職業學校專業的學生的理論學習要求不高，只要求學生從事機械單一的實踐學習活動，出現了“師傅做一步，學生照著做一步”的現象，最終導致這類型的學生在進入實際生產、面對真正的生產實際問題時變得不知所措。運用直觀性的視覺表征進行教學在機械課堂教學中由來已久，翻開任何一本機械專業的課本，我們都不難發現，里面有大量的圖示、圖表等視覺信息，這是機械專業本身的特點，而隨著時代的發展，許多結合了知識可視化的教學方法，能夠創造出直觀的視覺化知識產品，順應了機械專業對直觀教學的需求，并且由于其易于理解和傳播的優點，在機械專業知識的教學中逐漸嶄露頭角，引起了人們的關注。它幫助人們梳理大腦中混亂的、瑣碎的知識，以結構化的形式重構并且表現出來，最終形成一個邏輯性強、條理清晰的知識體系，達到促進知識表達、傳播甚至是創新的目的。這個過程中促進使用者進行有意義的學習，培養了他們的創造性思維能力，方便他們進行知識的再次學習和交流，這里的使用者，可以是教師也可以是學生。

2 機械專業教學現狀及知識可視化對其產生的作用

機械設計制造及其自動化主要任務是運用先進設計制造技術的理論與方法，解決現代工程領域中的復雜技術問題，以實現產品智能化的設計與制造。如何將知識可視化與機械專業進行深度融合，首先應當了解機械專業本身的發展現狀與存在的問題，從中討論知識可視化能夠為它帶來怎樣的影響與改變。

2.1 機械專業培養目標及知識可視化對其的作用

知識可視化作為可視化領域發展的衍生領域，與可視化有著密不可分的關系，通過將知識可視化整合至機械專業教學，能夠幫助學生更好地梳理和自主構建各類可視化信息與知識，幫助學習者跟上時代發展的腳步，這符合了機械專業培養目標中對學生的可視化信息處理能力的要求。同時，要想達到擁有寬廣的技術理論知識這一培養目標，必須要讓學習者擁有符合自身特點的機械專業知識體系，知識可視化能夠幫助學習者構建出系統的專業知識體系，同時簡單明了的圖示還便于學習者相互之間的交流，幫助學習者更快速有效地完善自身的專業知識體系。最后在知識可視化的應用過程中，對學習者學習能力、創新思維等學習綜合素質的促進作用，也符合了培養目標中對于學生的培養要求，因此，從我國對于機械專業人才的培養目標的角度來看，知識可視化應用于其專業教學中是能夠很好地貼合培養目標來發揮其作用的。

2.2 機械專業的專業特點及知識可視化對其的作用

通過將機械專業特點進行詳細地梳理，不難發現知識可視化能夠在各個方面迎合了機械專業的特點：第一，知識可視化幫助學習者更加直觀和系統地學習、梳理機械專業中的設計知識，使其更全面地掌握設計方法、設計思路等，也符合了機械專業中“重設計”的特點。第二，知識內容豐富、涉及面廣等特點導致了課程內容繁多的現象，通過運用知識可視化方法，能夠將繁多的知識梳理成單個的單元，再將這些單元連結成一個大知識系統，細化學生學習專業知識的同時也幫助其產生對專業知識的概覽，順應了機械專業的特點。第三，知識可視化能夠將知識進行適當地可視化處理，將純文字的知識變為更加直觀的、有條理、邏輯性強的圖表圖示。機械專業知識較強的圖示性為知識可視化敞開了一扇大門，使得將知識進行圖示化的處理變得更為簡單與順暢。

2.3 機械專業教學目前存在的問題及知識可視化對其的作用

首先，課程設置不合理，課程內容繁雜主要屬于教學管理者層面存在的問題，通過合理地選用知識可視化方法，將整個機械專業的課程從縱向、橫向兩個方面進行梳理和構建，能夠形成清晰明了的課程體系，由于知識可視化方法直觀、易于傳播和交流等特點，使得機械專業的課程設置達到最優化。其次，在教育實施者層面，教師通過運用知識可視化方法首先對專業課程體系有一個全面的認識和理解之后，方能更好地開展教學活動。最后，對于學生層面存在的問題，這種學習方法不僅能夠幫助學生構建屬于自己的知識體系，對專業知識有更好的把控和理解，其直觀性的特點還能夠幫助學生更貼近生產實際。

3 基于項目教學法的知識可視化教學模式

3.1 教學模式基本框架的選擇與構建

項目教學模式的基本步驟包括：提出項目任務、分析項目和制定計劃，實施項目計劃、檢查評估、項目歸檔和結果應用等五個步驟。以上為項目教學模式的基本教學過程，而教學前的準備則包括教學分析(教材分析、學生分析、教學目標分析)。根據項目教學模式的基本框架，結合知識可視化圖示的構建思路，能夠形成教學模式的基本框架。

通過教學前的教學分析，能夠幫助知識可視化工具使用者根據具體的教材情況將本節課知識按照知識可視化工具表中的分類進行分類處理，應方便工具表的查閱和工具的選用，根據不同的知識分類，合適地選用知識可視化工具及其繪制思路。當確定需要選擇何種知識可視化繪制思路及工具后即可根據具體的圖示繪制思路來調整具體的教學過程，因此可將知識可視化工具的選擇這一步驟放至教學分析之后，教學過程開始實施之前。知識可視化圖示框架的基本構建需要繪圖者對于知識有一個基本的了解與掌握，在項目教學法中，項目任務的提出、分析項目和制定計劃這兩個步驟能夠讓學習者對所學知識有一個大致的概覽，因此應當將知識可視化圖示框架的基本構建放在復習舊知之后，融入分析項目和制定計劃這一步驟中，幫助學生對所要完成的任務形成一個大致的知識框架，使得后續任務的完成有孔可入。而對于知識可視化圖示的進一步完善則可以在具體的項目實施中進行。因此，可以將這兩個步驟進行融合，形成一個步驟，要求學習者在完成項目的同時豐富自己的知識可視化圖示。項目教學法中的檢查評估，不僅是對學生項目完成程度的檢查，還方便學生在這一環節中對于所形成的知識可視化圖示進行交流，以更進一步地完善自己的知識可視化圖示。項目歸檔和結果應用這一步驟，也能夠與知識可視化圖示的檢視與再應用思維結合。因此，通過將知識可視化圖示的構建步驟與項目教學模式的融合，我們可以得到基于項目教學法的知識可視化教學模式，具體的步驟包括：第一步教學分析，第二步知識可視化工具的選用，第三步(復習舊知)項目任務提出，第四步分析項目、制定計劃以及知識框架的基本形成，第五步實施項目計劃、完善知識框架，第六步檢查評估、交流完善，第七步歸檔與結果應用。

3.2 教學分析

教學分析包括教材分析、學生分析、教學目標分析等。這些都是每一個教師進行教學設計時必須要做的教學準備。教師通過對這些方面的分析，了解該節課程所處的課程地位、學生的知識準備程度、所需實現的教學目標、預想整個課程的教學效果。同時，通過結合教學目標、教材分析，教師可以將本堂課的知識進行一個系統的分類，即什么是事實性知識、概念性知識、程序性知識、動作技能性知識以及元認知知識，方便教師對于知識可視化方法有更準確的選用。

3.3 知識可視化方法的選取

通過教學分析，教師已經對本節課知識進行了分類，接下來對各類知識進行可視化處理。教師根據不同類型的知識，在知識可視化工具表中找到該類知識所對應的分類區域，再根據不同的知識可視化復雜程度，來進行方法的選擇。研究者建議一堂課程當中的知識可視化選取應該難易摻雜，且復雜的知識可視化方法選用最好小于等于兩個，以減少教師和學生的教與學負擔，在提高了教學質量的同時不給教育者和學習者增加額外的學習量。

3.4 教學過程

基于項目教學法的知識可視化教學模式基本可以分為六個步驟，分別是:復習舊知、任務提出、分析項目引入新知、實施項目計劃，檢查評估以及歸檔與結果應用。

首先在復習舊知階段，教師通過利用之前的知識可視化圖示或是具有知識喚起功能的知識可視化方法，將喚醒學生腦海中與本堂課程的知識相關聯的知識，以便于學生更快地適應到本堂課的學習當中去，該步驟可以根據教學的具體情況進行適當安排，如果是連堂課的情況，為節約教學時間該步驟可以省略。第二步為項目教學法中的任務提出，該步驟主要是為學生創設真實的生產實際情境而設置，將學生的學習帶入到現實生活中去能夠幫助學生在畢業之后更快的適應實際工作狀態。第三步為分析項目，引入新知。在此階段教師需利用知識可視化圖示可以不斷拓展、完善的特點，提出包含基本新知識的知識可視化圖示基本框架，在基本框架的形成過程中結合項目對新知識進行講解。主要目的首先是增加學生的知識儲備，降低學生完成項目的難度。其次通過構建知識圖示的基本框架，引導學生進一步補充、完善圖示，降低了學生選擇和使用知識可視化工具的難度，減少了學生的學習負擔。但這里值得指出的是，教師在課程準備階段應當構建出完整的知識可視化圖示框架，而在上課階段只展示基本框架。第四步是項目的實施，學生在教師的引導下完善知識可視化圖示的基本框架，形成自己的知識儲備，再結合圖示完成實際項目，達到理論結合實踐的目的。本階段根據教學內容的不同可以讓學生分組或獨立完成。第五部分為項目檢查與評估，該階段學生需要將自己生成的項目結果以及完成的知識可視化圖示進行展示和交流。通過展示和交流讓學生發現自身圖示的不足之處，以進一步完善知識圖示，以便于復習時使用。

3.5 歸檔與結果應用

最后一步為歸檔與結果應用，在這一階段教師和學生都需要對在本堂課生成的學習資料進行歸檔與審閱。學生在上課過程中形成的知識可視化圖示最為直觀地表述了學生對于本節課程知識的掌握情況，而項目作業則體現出學生的學習結果。通過分析這些生成的資料能夠及時地了解到學生對于本節課知識的掌握程度，所得到的分析結果對于教師和學生來說都是非常重要的。首先，對于教師而言，及時的反饋便于教師進一步地完善整個教學設計，進而提升自己的教學質量。其次，對于學生而言，可以從兩個方面接收課程的反饋，一方面是教師的，一方面是同學的。通過師生之間的相互評價，學生能夠從更為客觀、權威的角度來審視自己的學習成果。但是教師的能力畢竟是有限的，因此學生通過生生互評能夠更為細致地發現自己在學習過程中還有哪些沒有注意到的地方，最終促進學生的學習與發展。此外學生還能利用生成的學習圖示完成課后練習，進行能力拓展，或是嘗試采用難度更大的知識可視化方法來對知識進行重新梳理。

4 結語

將知識的可視化教學模式應用到機械教學中，可以逐步實現教學環節的細化，讓學生逐步認知每個教學環節，從而提升學生的自我實踐能力。結合文中提出的知識可視化工具以及機械專業的特點，提出了適用于機械專業教學，從而最終實現了教學實踐能力的提升，也為后期的教學開辟了一個新的領域。