虛擬云桌面在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD教學(xué)中的應(yīng)用

于沛鑫，劉靜娜

(1.天津農(nóng)學(xué)院 園藝園林學(xué)院，天津；2.天津理工大學(xué) 天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津；3.天津理工大學(xué) 機(jī)電工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，天津)

一 引言

《計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD》作為環(huán)境設(shè)計(jì)專業(yè)的核心專業(yè)課之一，在本科培養(yǎng)方案中占有重要的地位。本門課程的主要培養(yǎng)目標(biāo)是使學(xué)生具備基本的制圖理論知識(shí)，掌握制圖規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，以及掌握城市環(huán)境景觀設(shè)計(jì)、室內(nèi)設(shè)計(jì)、居住空間設(shè)計(jì)、商業(yè)空間設(shè)計(jì)、城市綠地規(guī)劃設(shè)計(jì)、社區(qū)環(huán)境改造、鄉(xiāng)鎮(zhèn)環(huán)境景觀設(shè)計(jì)的制圖技法[1-3]。本門課程的授課形式為教室面授結(jié)合機(jī)房上機(jī)實(shí)踐。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)+、虛擬云桌面等先進(jìn)技術(shù)不斷地引入到教學(xué)過(guò)程中，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD的教學(xué)質(zhì)量將會(huì)顯著提高，培養(yǎng)出更多能夠解決復(fù)雜環(huán)境設(shè)計(jì)問(wèn)題的應(yīng)用技術(shù)人才。

二 《計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD》課程存在的問(wèn)題

《計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD》這門課程在當(dāng)前的培養(yǎng)方案中排在第2學(xué)期授課，主要目的是為了后續(xù)的設(shè)計(jì)類專業(yè)課《室內(nèi)空間設(shè)計(jì)》《建筑設(shè)計(jì)方法》《景觀設(shè)計(jì)方法》打下基礎(chǔ)。為了讓學(xué)生能夠在學(xué)習(xí)過(guò)程中熟練應(yīng)用AutoCAD軟件表達(dá)設(shè)計(jì)思想與創(chuàng)意，本門課要求學(xué)生必須掌握AutoCAD軟件中與室內(nèi)裝飾設(shè)計(jì)、家具設(shè)計(jì)、景觀設(shè)計(jì)相關(guān)的功能。然而由于藝術(shù)類本科生不具備工程圖學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)應(yīng)用技能也參差不齊，所以不同學(xué)生對(duì)AutoCAD制圖技法的理解程度有較大的差距[4-5]。通過(guò)調(diào)查問(wèn)卷與隨機(jī)訪談發(fā)現(xiàn)，在有限的教學(xué)課時(shí)內(nèi)仍有部分學(xué)生表示很難熟練掌握AutoCAD制圖技法。總結(jié)調(diào)查問(wèn)卷與隨機(jī)訪談結(jié)果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

首先，學(xué)生抽象思維較差。學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸要求可以繪制設(shè)計(jì)圖紙，但是無(wú)法主動(dòng)將設(shè)計(jì)意圖在圖紙上表達(dá)出來(lái)。在課堂上實(shí)例講解過(guò)程中學(xué)生普遍可以理解線條的含義并繪制出準(zhǔn)確的圖紙。但是在自行設(shè)計(jì)圖紙時(shí)沒(méi)有抽象思維概念，將三維實(shí)物轉(zhuǎn)換成二維線條繪制時(shí)不符合制圖標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

其次，實(shí)驗(yàn)課時(shí)有限。本門課總學(xué)時(shí)為48學(xué)時(shí)，其中理論講授12學(xué)時(shí)，上機(jī)實(shí)驗(yàn)36學(xué)時(shí)。AutoCAD軟件的使用需要學(xué)生反復(fù)操作，深入領(lǐng)會(huì)每個(gè)功能的深刻含義，這樣才能達(dá)到熟練運(yùn)用軟件表達(dá)設(shè)計(jì)意圖的目的。而每次實(shí)驗(yàn)課均為新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，課時(shí)內(nèi)無(wú)法完全消化實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。另外實(shí)驗(yàn)課內(nèi)學(xué)生遇到的問(wèn)題較為分散，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師無(wú)法解答所有學(xué)生的問(wèn)題，更無(wú)法掌握每位學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度，難以實(shí)現(xiàn)形成性評(píng)價(jià)。

再次，機(jī)房實(shí)驗(yàn)用計(jì)算機(jī)不便于制圖創(chuàng)作。實(shí)驗(yàn)機(jī)房針對(duì)所有專業(yè)開(kāi)放，學(xué)生只能在固定的課時(shí)內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。下課后實(shí)驗(yàn)思路被打亂，絕大多數(shù)學(xué)生表示課后自行實(shí)驗(yàn)會(huì)重新開(kāi)始創(chuàng)作浪費(fèi)了大量寶貴的時(shí)間。

本門課的教學(xué)重點(diǎn)熟練運(yùn)用AutoCAD軟件進(jìn)行環(huán)境設(shè)計(jì)創(chuàng)作。針對(duì)以上問(wèn)題，我們引入了虛擬云桌面教學(xué)平臺(tái)并開(kāi)展線上線下混合式教學(xué)模式。以形成性評(píng)價(jià)作為部分考核標(biāo)準(zhǔn)，最終實(shí)現(xiàn)所有學(xué)生均能達(dá)成畢業(yè)要求的目標(biāo)。

三 基于虛擬云桌面的線上線下混合式教學(xué)方案

（一） 虛擬云桌面系統(tǒng)硬件架構(gòu)

虛擬云桌面系統(tǒng)擁有1臺(tái)雙路云桌面服務(wù)器共20個(gè)CPU核心，96GB內(nèi)存，可以滿足一個(gè)教學(xué)班30名同學(xué)的實(shí)驗(yàn)需要。另有一臺(tái)雙路云桌面管理服務(wù)器，負(fù)責(zé)云桌面系統(tǒng)的通信，負(fù)載平衡，用戶管理，互聯(lián)網(wǎng)接入等工作。指導(dǎo)教師可以通過(guò)VCSA服務(wù)器實(shí)時(shí)查詢?cè)诰€同學(xué)的實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及實(shí)驗(yàn)歷史得分，真正做到了持續(xù)跟蹤學(xué)習(xí)進(jìn)度。本專業(yè)擁有獨(dú)立的自習(xí)教室，可以保證每天開(kāi)放14個(gè)小時(shí)，學(xué)生可以充分利用自己的課余時(shí)間。另外，學(xué)生除了可以用筆記本電腦登入云桌面系統(tǒng)以外，還可以借助平板電腦、手機(jī)等移動(dòng)終端接入進(jìn)行操作。本門課所使用的虛擬云桌面系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 虛擬云桌面系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

（二） 理論教學(xué)方面

由于理論教學(xué)時(shí)長(zhǎng)有限，《計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD》這門課程涉及到的先修課程及制圖注意事項(xiàng)又比較多，如果學(xué)生先修課程基礎(chǔ)薄弱的話那么課堂理論教學(xué)內(nèi)容很難在課內(nèi)完全消化。線上、線下混合教學(xué)能夠充分利用起來(lái)學(xué)生的課前、課后的業(yè)余時(shí)間。在課前，學(xué)生通過(guò)回顧先修課程的內(nèi)容達(dá)到鞏固基礎(chǔ)的目的，然后觀看中國(guó)MOOC網(wǎng)站上《AUTOCAD建筑室內(nèi)制圖》對(duì)應(yīng)章節(jié)的視頻講解完成課前預(yù)習(xí)。課堂上，在理論課教學(xué)中，指導(dǎo)教師根據(jù)重點(diǎn)、難點(diǎn)以及學(xué)生在觀看視頻時(shí)反饋的普遍問(wèn)題進(jìn)行深入地、有針對(duì)性地講解，同時(shí)拓展相關(guān)知識(shí)點(diǎn)到真實(shí)的應(yīng)用案例中。課后學(xué)生根據(jù)自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度再次反復(fù)觀看教學(xué)視頻并自行查找相關(guān)資料，鞏固所學(xué)知識(shí)點(diǎn)，拓展實(shí)戰(zhàn)需求。教學(xué)的重點(diǎn)是借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)手段實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)工作，而不是讓學(xué)生掌握軟件的操作技能[6-7]。

線上線下混合式理論教學(xué)流程圖如圖2所示：

（三） 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)這門課程的重中之重，是衡量學(xué)生畢業(yè)達(dá)成度的關(guān)鍵教學(xué)環(huán)節(jié)。學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)后教師可以即時(shí)通過(guò)手機(jī)、計(jì)算機(jī)登入云桌面系統(tǒng)并進(jìn)行打分。學(xué)生可以根據(jù)評(píng)語(yǔ)反復(fù)練習(xí)修正自己出錯(cuò)的地方并改正，直到完全領(lǐng)會(huì)教學(xué)內(nèi)容，而不是通過(guò)一次實(shí)驗(yàn)的得分就區(qū)分學(xué)生的學(xué)習(xí)效果[8-10]。以第2章室內(nèi)設(shè)計(jì)CAD為例，制圖規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)是本實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)與難點(diǎn)，也是在實(shí)際應(yīng)用中的重點(diǎn)與難點(diǎn)。在本次實(shí)驗(yàn)中，具體要求學(xué)生掌握的知識(shí)點(diǎn)有：

1.圖紙幅面與標(biāo)題欄。

2.圖線、字體的確定。

3.比例、尺寸的標(biāo)注。

4.平面圖、立面圖、頂棚圖繪制。

其中標(biāo)題欄、比例尺的確定很容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，一次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果并不能持續(xù)反映出學(xué)生掌握的程度，必須要反復(fù)練習(xí)才能形成標(biāo)準(zhǔn)的制圖習(xí)慣。云桌面系統(tǒng)記錄每位學(xué)生每次實(shí)驗(yàn)的時(shí)長(zhǎng)、重復(fù)出錯(cuò)的次數(shù)、實(shí)驗(yàn)得分以及達(dá)到及格時(shí)的實(shí)驗(yàn)次數(shù)，以此推斷該名同學(xué)對(duì)知識(shí)點(diǎn)的領(lǐng)悟能力以及實(shí)驗(yàn)操作能力。

基于虛擬云桌面系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課開(kāi)展方案圖3所示。

四 教學(xué)執(zhí)行過(guò)程

指導(dǎo)教師在實(shí)驗(yàn)課前一天群發(fā)推送消息，指明重點(diǎn)和難點(diǎn)，學(xué)生就可以嘗試在虛擬云桌面下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，教師著重講解學(xué)生普遍出錯(cuò)的地方，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)進(jìn)行操作，并提交到評(píng)分軟件通知指導(dǎo)教師進(jìn)行評(píng)分。評(píng)分系統(tǒng)中學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)結(jié)果界面如圖4所示。軟件會(huì)記錄每次提交實(shí)驗(yàn)結(jié)果的所有的信息，并最終生成統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。由于基于虛擬云桌面的操作進(jìn)度不受課時(shí)影響，課堂上完不成的內(nèi)容只能在課余進(jìn)行解決，下課后學(xué)生依然可以在其他接入點(diǎn)進(jìn)入云桌面并繼續(xù)完成實(shí)驗(yàn)。除此之外，在課余實(shí)驗(yàn)中學(xué)生還可以加入分組討論，根據(jù)設(shè)計(jì)思路討論制圖方案，使學(xué)生充分領(lǐng)會(huì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的內(nèi)涵。

圖4 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD評(píng)分軟件學(xué)生提交文件界面

五 教學(xué)效果

《計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)》這門課為專業(yè)必修課，選課對(duì)象為環(huán)境設(shè)計(jì)專業(yè)本科生，一次開(kāi)課人數(shù)為60人左右，分兩班進(jìn)行分班教學(xué)。我們自行搭建的虛擬云桌面系統(tǒng)可以同時(shí)流暢運(yùn)行30臺(tái)虛擬客戶機(jī)，完全可以滿足一個(gè)教學(xué)班的學(xué)生同時(shí)在線實(shí)驗(yàn)。課余時(shí)間較為分散，目前并沒(méi)有形成超過(guò)30人同時(shí)在線進(jìn)行課后實(shí)驗(yàn)的服務(wù)器過(guò)載現(xiàn)象。

在教學(xué)效果跟蹤方面可以發(fā)現(xiàn)，如果學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)作業(yè)后的短時(shí)間內(nèi)得到批閱報(bào)告，趁著對(duì)知識(shí)點(diǎn)短期記憶還很清晰的情況下不斷修改實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可以更加深入地理解、鞏固知識(shí)點(diǎn)。相比而言，傳統(tǒng)情況下班長(zhǎng)收集好實(shí)驗(yàn)報(bào)告，轉(zhuǎn)交由指導(dǎo)教師批閱，再返回給學(xué)生查看、改進(jìn)的方法，大量的學(xué)生對(duì)當(dāng)時(shí)做的實(shí)驗(yàn)沒(méi)有深刻印象，甚至是忘記如何操作的。因此，對(duì)批語(yǔ)也就不會(huì)特別在意，很難產(chǎn)生持續(xù)改進(jìn)的作用，對(duì)學(xué)生的成長(zhǎng)也沒(méi)有意義。

從教師端可以檢測(cè)到的學(xué)生實(shí)驗(yàn)平均持續(xù)操作時(shí)間和平均重復(fù)操作次數(shù)。從實(shí)驗(yàn)時(shí)間來(lái)看其中實(shí)驗(yàn)1較為簡(jiǎn)單，但是入門實(shí)驗(yàn)重復(fù)次數(shù)比較多；實(shí)驗(yàn)3為最困難，持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，但是隨著操作成功的次數(shù)的增加，重復(fù)實(shí)驗(yàn)次數(shù)屬于中位數(shù)。虛擬云桌面可以帶動(dòng)學(xué)生對(duì)先修課程進(jìn)行回顧。以實(shí)驗(yàn)2“建筑室內(nèi)設(shè)計(jì)方案繪制”為例，實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)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(gè)實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行需要學(xué)生掌握先修課程中室外設(shè)計(jì)表現(xiàn)技法、透視技法、構(gòu)成、色彩。這些內(nèi)容在第1學(xué)期進(jìn)行，經(jīng)過(guò)一學(xué)期學(xué)生普遍表示對(duì)知識(shí)點(diǎn)的印象已經(jīng)很模糊了。如果在課堂上重復(fù)講解的話，那課時(shí)就會(huì)明顯不夠用。如果不回顧，只是照實(shí)例進(jìn)行圖紙的繪制又無(wú)法達(dá)到掌握計(jì)算機(jī)輔助室內(nèi)設(shè)計(jì)能力訓(xùn)練的目的。將對(duì)應(yīng)的內(nèi)容以慕課的形式提前內(nèi)置于虛擬云桌面系統(tǒng)，鏈接來(lái)自中國(guó)大學(xué)MOOC中西北農(nóng)林科技大學(xué)的《畫(huà)法幾何與陰影透視》課程。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以隨時(shí)回顧知識(shí)點(diǎn)。由此，學(xué)生掌握的效率特別高。不僅對(duì)本門課程的理解有支撐作用，對(duì)先修課程知識(shí)點(diǎn)也是良好的鞏固的過(guò)程。

六 結(jié)語(yǔ)

虛擬云桌面實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在《計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD》課程教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用能夠使環(huán)境設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生實(shí)現(xiàn)了在學(xué)習(xí)時(shí)間和學(xué)習(xí)空間上的擴(kuò)展，充分體現(xiàn)出新時(shí)代MOOC+SPOC的教學(xué)理念：任何人在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)可以學(xué)習(xí)任何知識(shí)。在校生可通過(guò)校園網(wǎng)接入虛擬云實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不需要固定的實(shí)驗(yàn)時(shí)間，對(duì)個(gè)別教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)也可以進(jìn)行反復(fù)學(xué)習(xí)，深入分析與思維拓展[11-13]。同時(shí)學(xué)習(xí)過(guò)程并不需要固定的場(chǎng)所，不必安排實(shí)驗(yàn)人員。這種不限時(shí)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠極大地利用學(xué)生的課余時(shí)間，調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性。另外，學(xué)生也可以跟蹤自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度，發(fā)現(xiàn)自己的薄弱環(huán)節(jié)，鞏固夯實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)，帶動(dòng)知識(shí)領(lǐng)悟慢的同學(xué)不斷進(jìn)步，最終滿足畢業(yè)達(dá)成要求。這是對(duì)當(dāng)前OBE人才培養(yǎng)理念的精準(zhǔn)實(shí)踐，使每位同學(xué)都能夠達(dá)成畢業(yè)要求，真正做到了關(guān)注每位同學(xué)進(jìn)步的過(guò)程，為新文科人才培養(yǎng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。