基于WWHD“多維”魔方教學體系的教學實踐
——以《畫法幾何及工程制圖》為例

羅 雯

吉首大學張家界學院，湖南 張家界 427000

一、課程介紹

《畫法幾何及工程制圖》課程為工科院校的學科基礎課程，包括理論教學、實踐教學、創新訓練三個維度，旨在要求學生掌握畫法幾何的基本原理，了解工程制圖的工程應用。所以課程需要達成學生掌握用尺規作圖、徒手作圖和計算機繪圖的基本技能，將立德樹人融入課堂過程中，培養學生堅定的理想信念、牢固的法治意識、強烈的工程倫理意識以及卓越的大國工匠精神。

將教學的框架進行了重新梳理，教學內容分為了以下四個模塊，分別是投影理論體系、制圖基礎、工程圖樣和計算機繪圖［1］。其中，投影理論體系和制圖基礎，兩者相互融合、相互滲透，共同作用，支撐起了本門課程的理論基礎。在理論知識講授的過程中，也穿插進行技術前沿的講授，拓寬學生的知識維度。而在計算機繪圖部分中，通過對AutoCAD 軟件和Revit 軟件的學習，使學生完成二維工程圖樣的繪制和三維實體模型的構建。計算機繪圖的實踐操作模塊中也加入了當下新興的3D 打印技術，讓學生在實踐訓練的同時能夠近距離接觸到本行業的前沿技術和技術成果。

二、教學痛點分析

針對傳統教學過程中學生抽象思維弱、空間想象力不足，專業知識多、思政人文少，教師灌輸多、學生思辨少，基礎理論多、工程實踐少的問題，我們提出了開辟包含“三層次”細化新結構的第二課堂，運用兩個平臺改革第一課堂，構建兩大虛擬仿真平臺激活第三課堂，綜合多層次實踐平臺挖掘第四課堂。從新結構、新模式、新形式進行基于“多維”魔方教學體系的智慧教學建設。按照建設要求，以工程需求為導向，以數字化設計為基礎，利用可視化數字模型替代傳統教具。根據新工科建設方案及本校專業特色，為解決存在問題，本課程提出“分”層施教精準教學，“析”解圖學智慧課堂，“混”合案例資源拓展，“合”作任務互相激勵的課程設計思路，整個教學以問題前導，以任務驅動展開，以思政案例貫穿，以多層級路徑開展，以學生為中心的教與學。教師全時段、全方位、全層級服務整個教學過程。

三、“多維魔方”教學體系的建設思路

（一）形成四個課堂

1.魔方體系一面代表著開辟的第二課堂（線上課堂），通過學習通網絡平臺，讓學生隨時隨地自主學習。

2.另一面代表著改革的第一課堂（理論講堂），將傳統的以教師為中心的教師講堂轉換為以學生為中心的翻轉課堂。

3.另一面代表著激活的第三課堂（虛擬仿真），強化學生解決實際問題的能力，激發學生的創新思維，鍛煉學生的創新創業能力。

4.另一面代表著挖掘的第四課堂（實踐平臺），通過個人作業、分組活動、項目學習等形式，磨煉學生學以致用、創新實踐能力［2］。

（二）四個課堂建設

1.三層次細化新結構的第二課堂

（1）多媒體課件庫。①智慧教學電子教材建設，建設了包含答案解析的12 套課前學習檢測和3 套階段測試的課堂試題庫，制作了面向混合式教學的課前、課堂、課后的全時段課件。②我們收集了1000 余張高清圖片，剪輯100 多個高清動畫視頻。將抽象化的概念具象化呈現出來，生動的信息化資源，展現幾何形狀特征，建筑結構組成、最新制圖科技發展，達到情境化教學效果。大大增加了同學們對抽象的知識的記憶和理解。自主繪制了覆蓋各章節內容的思維導圖，實施頭腦風暴，建立發散思維。

（2）3D 模型庫。由點到面的提升，我們采用了3D 模型庫。化靜為動，化繁為簡，充分調動學生的多種學習感官。

（3）思政案例庫。我們以短片、圖片和案例講解的形式，向同學們介紹本學科院士和本學科的優秀工程師的案例。同時向學生介紹學科前沿、學科背景的發展。在此基礎上，以同學們身邊的優秀國家名師為例，在激發同學們奮勇向前的同時，也對大一的新生進行了課程專業知識的背景介紹，提升了同學們的專業認可度，在激發學生們的學習熱情的同時，也使大一的新生加深了對大國工匠精神的領悟。

2.改革第一課堂

（1）信息化在線測試平臺。借助與制圖學科相關的學訓軟件，引導學生任務驅動下的學習。學生在系統引導下自主構建圖形幾何知識，探尋制圖的規律，實現平面立面的耦合，計算學習深度層層遞進，完成對知識的內化。

（2）超新泛雅學習通平臺。借助學習通進行簽到、點名、討論、搶答、案例庫、視頻庫。提高課堂互動，實現教師的智慧教。學習通平臺建設了“非典型問題”講解微課視頻庫，實現個性化精細學習指導；積累了與課程緊密相關的優質的公眾號科普文章、科技新聞與熱點、名人介紹、動漫片視頻、工程實用案例等知識點超鏈接庫。

3.激活了第三課堂

為了有效提高學生的實踐能力，構筑了兩大虛擬仿真平臺。突破教學場地局限，教會學生完成制圖等系列實驗，提高其創新能力。學生還可以通過虛擬仿真的動手操作，大大提高了學習的趣味性。通過VR 實景演練及線上端操作，避免了傳統施工過程中威脅、惡劣的環境，完成課本知識到工程實踐的牽引。

4.挖掘了第四課堂

在實踐教學模塊中，運用實踐的平臺，在繪圖模型室等進行模型項目化的教學實踐。線下教學的開展和順利進行，有效提升了學生的師生互動和生生互動。綜合運用多層次的實踐平臺來加強學生的實踐教學能力。譬如我們綜合運用基建模型室、尺規繪圖室、計算機繪圖室、3D 打印室、校企合作平臺等加強學生的綜合實踐能力，從而讓學生做到在學中做，在做中學。

（三）“四位一體”復合式課程體系

1.“四位一體”復合式課程體系

混合式教學后，課堂的難度、深度、廣度和效率都大大增加了，學生在主動參與討論和提問的情況下弄明白要點后，可以相對順利完成實踐操作部分。依據課想設計思路，形成了在線學習空間、課堂學習空間、虛擬仿真拓展空間、實踐模型制作空間“四位一體”復合式課程體系［3-4］。

2.教學活動

將多個教學活動的開展分配到線上、線下和課上、課下。利用漸進式、多層級的教學活動加強學生深度學習。本課程在“互聯網+”教育大背景下，針對工程專業培養目標及學生需求，提出“四位一體”混合式課程體系，實現了有“分”有“析”、有“混”有“合”的教學創新，達成了精細教學、智慧互動、課外拓展、主動思辨等教學效果提升，形成具有新工科基礎課程特色的創新人才培養體系。通過以“學”促“教”，以“教”導“學”，實現“教”“學”統一，可形成合力。

（1）課前。基于線上平臺的導入和目標，引導學生自學。教師通過手機端和課程中心同步推送，學生在第一課堂提出疑問（Why）。

（2）課堂。教師在第二課堂以問題驅動式與實例結合形式進行理論知識學習（What）。學生在第三課堂研討挑戰性任務、深于感悟、培養創新能力（How）。學生在第四課堂進行模型的項目化實踐（Do）。課程從線上預習、課堂疏導、虛擬仿真演練、課后實踐，做到以資源為載體，以數據為導向，完成了基于WWHD 模式的云空間智慧學習的閉環設計。

四、信息化教學案例分析

（一）曲面立體相貫

曲面立體相貫采用對比、演繹的方法，引導學生從一般（實實相貫）到特殊（實虛、虛虛相貫）的思維方法，提升學生分析解決問題的能力，注重科學方法訓練，培養學生探索未知的好奇心和學習興趣。

（二）教學設計

1.四個教學環節

按照“問題導入（Why 疑：什么是輔助平面法求相貫線）—概念關聯（What 融：分層構建的3D 打印技術）—知識進階（What 融：一般到特殊相貫線分析）—理論應用（How 悟：根據已知視圖，求解真確相貫線投影圖）—價值引領（How 悟：特殊相貫體魯班鎖所體現的一榫一卯見中深、一轉一折皆匠心）—能力提升（How 悟：小組任務，完成魯班鎖拼裝，感受它易拆難裝原理）—應用拓展（Do 行：完成相貫立體虛擬仿真實驗）”四個教學環節開展，課程思政元素與課程知識點如鹽入水，有味無痕。相對于輔助平面法求相貫線（知識點）解決分析特殊相貫線（能力點），激發學生的內生動力與質疑分析（共情點），實現價值引領與科學精神的培養（思政點）［5］。

2.教學內容融入思政元素

通過教學內容的精髓提煉，領略相貫線由一般到特殊分析的哲學思考。由現象到本質是哲學的思維方法，學生在相關的思政課上已經學過，但很少有學生將哲學方法與工程科學聯系起來。在課堂教學中，教師以太空空間站、3D 打印案例為基礎，通過科學的方法，引導學生探究事物本質，既培養了科學素養，又加深了學生對哲學方法的理解，培養了工科類學生在實際工作中的責任與擔當。

（三）教學實施

1.課前導預習

（1）學習通公布預習通知：預習相貫線的投影做法。

（2）自學教學資源庫平臺的微課視頻：兩立體相貫線。

（3）完成課程系統考核模塊中的章節作業。

2.課上導學習

引入太空空間站案例，空間站的艙體是由曲面立體相互貫穿，曲面立體表面形成相貫線，說明要繪制艙體結構圖，必須正確繪制相貫線。

3.課上授新課

（1）“輔助平面法”求相貫線“分層構建”的思想和方法與現在快速發展的3D 打印制造技術相聯系。

（2）中建二局完成國際首列3D 打印辦公樓。

（3）輔助平面求交點的基本步驟。

①分析確定能夠適用的輔助平面位置，作輔助平面與相貫的兩立體相交；

②分別求出輔助平面與相貫的兩立體表面的交線，判斷與各簡單體相交截交線的形狀；

③最后求出交線的交點（中間點和特殊點）。

（4）輔助平面法選擇的原則。

①使輔助平面與兩轉體表面的交線的投影簡單易畫，如直線或圓。

提問：曲面立體相貫，表面相貫線變化趨勢是怎樣的呢？（知識進階）

回答：相貫線由空間曲線變成直線，在變化過程當中，空間曲線總是彎向直徑比較大的那個立體，那么有沒有相貫線的近似畫法呢？所需求做的相貫線投影呈現在非圓視圖上，相貫線凹向總是沿著小曲面立體軸線向大曲面立體軸線彎曲。

②近似圓弧法繪制兩曲面立體相貫線：公共點中任意一點為圓心，以大圓柱體為半徑；圓與小圓柱的中心線有兩個交點，遠離大圓柱中心線的交點為圓心，畫圓；刪除、修減即可。

（5）在線測試平臺完成曲面立體相貫測試題。

①實體相貫線形狀由兩立體表面形狀決定（同軸回轉體）。

②虛體等徑相貫線形狀是相交直線，非等徑相貫是凸向大直徑孔的曲線。

［思考］在空間站艙體中能找到哪些幾何體的相貫線形狀？

空間站艙體是由大、小柱體和球體相交而成，表面產生的相貫線是由同軸回轉體曲面相交而成，屬于平面曲線。

（6）空間站艙體采用中國木建筑結構“化整為零，巧妙分切”的榫卯原理。

①探秘特殊榫卯結構——魯班鎖：介紹榫卯結構根據開口位置、形狀分為套榫、燕尾榫、抱肩榫。

②學習通布置分組任務，VR 演示魯班鎖所體現的一榫一卯見中深、一轉一折皆匠心。學生完成魯班鎖拼裝，將學生作品進行評選，表揚亮點。

（四）教學總結

曲面立體相貫是《畫法幾何及工程制圖》的重點和難點內容，從專家聽課、學生反饋，教學團隊深入挖掘課程中的思政元素，找到師生“共情點”，使學生想學、愛學、會學，探索實現了知識傳授、能力培養與價值塑造有機融合，學生的學習成效顯著。通過線上問卷調查，有90%以上的學生認為課堂上的思政教育聯系了課程內容，引申恰當。學生普遍反映：老師上課講得非常仔細，課件做的好，而且課下作業也有很高的練習價值，同時一直灌輸自我學習的思維和方法，能夠真正學到更多知識，增強自己的學習能力，能在枯燥晦澀的識圖中品嘗到新鮮感，激發學習興趣。