機械制圖融合式交互課件研究與教學實踐

許國玉， 蘭朝鳳

(1. 哈爾濱工程大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2. 哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院，黑龍江 哈爾濱150080)

機械制圖融合式交互課件研究與教學實踐

許國玉1， 蘭朝鳳2

(1. 哈爾濱工程大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2. 哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院，黑龍江 哈爾濱150080)

面向創(chuàng)新人才培養(yǎng)，以“融合式教學”教育理念為指導，研究機械制圖交互課件，并提出以其課件為媒介深化教學改革和課程資源建設，輔助教師將課內與課外、教學手段與教學方法、圖學教育與工程實踐有機結合實施“融合式教學”；輔助學生課內與課外“融合式學習”機械制圖課程。結果表明，機械制圖融合式交互課件為教師主導教學和學生主體學習的互動教學提供了有效的信息技術支撐，進而為培養(yǎng)創(chuàng)新人才提供了一個有效途徑；通過全國多媒體課件大賽現(xiàn)場演示推廣，其課件獲一等獎。

機械制圖；交互課件；融合式教學；人才培養(yǎng)

創(chuàng)新人才培養(yǎng)是實現(xiàn)“中國制造 2025”目標的關鍵之一[1]，創(chuàng)新人才培養(yǎng)的本質特征是人才培養(yǎng)過程的創(chuàng)新[2]。在理工類高等院校創(chuàng)新人才培養(yǎng)中，機械制圖發(fā)揮著不可替代的作用；提高教學質量和學習效率是現(xiàn)代教育的基本要求，課堂是人才培養(yǎng)的主戰(zhàn)場；課堂教學結構的根本變革應體現(xiàn)在課堂教學系統(tǒng)四個要素[3](即教師、學生、教學內容和教學媒體)，作為教學媒體的課件是提高教學質量和學習效率的四個要素之一。因此，面向創(chuàng)新人才培養(yǎng)，對機械制圖融合式交互課件的設計、制作及其多媒體教學進行研究。

1　機械制圖課件現(xiàn)狀和需求分析

課件是為實現(xiàn)特定教學目標和支持教學活動而開發(fā)的計算機軟件[4]，其開發(fā)大體包括分析、設計、制作、測試和發(fā)布階段，而分析是課件開發(fā)的首要工作。

1.1課件的現(xiàn)狀分析

縱觀歷屆全國多媒體課件大賽，課件已不再拘泥于PPT和Flash的表現(xiàn)手法，翻轉課堂、微課和MOOC的設計思想開始融入教學課件設計之中；同時，3D技術、仿真模擬、網絡平臺支持、交互式多媒體、游戲式教學等更豐富更生的表達形式也開始注入到信息化教學中，逐漸成為發(fā)展教育技術走向的風向標[5]。通過對課件現(xiàn)狀分析，歸納出課件分類[4]概況，以此對機械制圖融合式交互課件所屬種類進行基本定位，如表1所示。

1.2機械制圖融合式交互課件的需求分析

培養(yǎng)具有創(chuàng)新人才是一個漸進過程，體現(xiàn)在教育全過程中并滲透到每一個環(huán)節(jié)。目前，機械制圖課件多為PPT，往往只是其中整合了一些動畫，教學媒體資源形式單調且欠缺交互，不具備支持“融合式教學”的環(huán)境，而融合各種媒體資源且可更新是開發(fā)課件的瓶頸。因此，需要開發(fā)機械制圖融合式交互課件輔助教學和輔助學習，提高學生空間想象能力、機械制圖能力、工程素質和創(chuàng)新能力。

表1　課件分類概況

2　機械制圖融合式交互課件研究對策

根據(jù)機械制圖課件的現(xiàn)狀與需求分析，以“融合式教學”培養(yǎng)“卓越工程師”的理念為指導，以機械制圖融合式交互課件為媒介，使各種資源在教學和助學環(huán)節(jié)有機融合，產生聚集效應。

2.1教育理念改革

“融合式教學”是以建構主義學習理論、情境認知學習理論、人本主義教學理論和多元智力理論等現(xiàn)代教育思想為基礎，為學生“融合式學習”的一個現(xiàn)代教學理念或模式，強調課內與課外融合、計算機信息技術與教學融合、教學手段與教學方法融合等。以“融合式教學”理念為指導，在“學生為主體，教師為主導”基礎上構建新型的“主導–主體相結合”的教學結構應用于機械制圖教學與助學，實現(xiàn)“課堂教學結構”的根本變革，教學媒體要由只是輔助教師突破重點、難點的形象化教學工具，轉變成為既是輔助教師“教”的工具，又是促進學生自主“學”的認知工具、協(xié)作交流工具以及情感體驗與內化的工具[6]。

以培養(yǎng)“卓越工程師”理念為指導，面向工業(yè)界、面向世界、面向未來[7]，教師應建構機械制圖教育資源和學習環(huán)境，著重培養(yǎng)學生的空間形象思維能力、構形能力、讀圖和畫圖能力；注重為學生課堂學習創(chuàng)設情境[8]、擴大學生的知識面，將工程實踐知識及生產環(huán)境與機械制圖有機結合、有效銜接，使學生了解和掌握生產制造工藝，強化工程意識[9]，以便學生更快捷學習和理解機械制圖內容，激發(fā)學生求知興趣，營造互動的學習環(huán)境[10]，進而培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和可持續(xù)發(fā)展能力。

2.2融合式交互課件的總體架構和要點

“機械制圖教學與助學輔助平臺”課件研究定位是具有教學與助學功能，用于人機交互輔助教師課堂教學和學生自主學習操作。

借鑒全國多媒體課件大賽評審標準[11]，從教學內容、教學設計、技術性、藝術性各方面進行合理設計，總體架構“機械制圖教學與助學輔助平臺”課件，實現(xiàn)其融合式交互課件的教學與助學功能以及網絡功能，如圖1所示。

圖1　機械制圖融合式交互課件的總體架構

(1) 課件教學內容：①科學性：教學內容正確，具有時效性、前瞻性；課件內容采用最新國家標準，教學軟件是最流行的軟件；符合最新教材、教學大綱和教學進程。②規(guī)范性：文字、符號、單位和公式符合國家標準，符合出版規(guī)范，無侵犯著作權行為。③知識體系：課件系統(tǒng)完整，包括機械制圖完整一門課的5部分內容(緒論、標準件和常用件、零件圖、裝配圖、制圖綜合測繪)；邏輯結構清晰，包括7個功能模塊，層次性強，具有內聚性。

(2) 課件教學設計：①目標設計：教學目標清晰、定位準確、表述規(guī)范，適用于機械類學生。②內容設計：重點難點突出，啟發(fā)引導性強，符合認知規(guī)律，有利于激發(fā)學生主動學習。③教學交互：界面友好，便于人機交互，有師生間、學生間的交互及討論。④活動設計：根據(jù)學習內容設計研究性或探究性實踐問題，培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神與實踐能力，有思考題及練習的教學和助學環(huán)節(jié)。⑤資源形式與引用：有與教學內容相配的各種學習輔助資源，引用資源形式新穎。⑥學習評價：有對習題的評判或學生自主學習效果的評價。

(3) 課件技術性：①運行環(huán)境：運行可靠，課件可脫離開發(fā)平臺在普通計算機上具有可執(zhí)行性。②操作情況：操作方便、靈活，交互性強，啟動時間、鏈接轉換時間短，具有非線性，可實現(xiàn)各模塊、各章節(jié)的跳轉，按鈕齊全、有最小化按鈕、各種媒體切換方便。③設計軟件和媒體應用：以Authorware軟件為主平臺，采用與教學設計相適應的各種多媒體軟件，綜合應用、優(yōu)勢互補，技術表現(xiàn)符合多媒體認知的基本原理，形成強大的模塊化課件(聲音、動畫、視頻和虛擬交互模型演示等效果)。④設計水平：軟件應用有較高的技術水準，用戶環(huán)境友好，素材資源符合相關技術規(guī)范，在技術上有突破。

(4) 課件藝術性：①界面效果：界面友好，界面布局合理、新穎、活潑、有創(chuàng)意，整體風格統(tǒng)一并符合學校特色，導航清晰簡捷。②美工效果：色彩搭配協(xié)調，視覺效果好，符合視覺心理。③媒體效果：動畫、虛擬交互模型、文字、圖片、音頻、視頻等各種媒體，切合教學主題、融合適當、制作精細、吸引力強，激發(fā)學生學習和創(chuàng)新興趣。

(5) 課件網絡功能：通過課件可瀏覽 BB網絡課程平臺及所有網站上課件等內容；教師可打開移動硬盤中自制、修改或擴充的網絡課件內容；交互演示虛擬模型(旋轉、移動、縮放、截切、拆卸和裝配)。

2.3融合式交互課件制作策略

為滿足創(chuàng)新人才培養(yǎng)需求和機械制圖課程教學要求，根據(jù)機械制圖融合式交互課件的需求分析和總體架構，對課件開發(fā)平臺和工具進行選用、豐富數(shù)字化資源建設和總體設計，如圖2所示。

圖2　機械制圖融合式交互課件的功能模塊和效果圖

2.3.1數(shù)字化資源建設

教師以“模塊式”和“積木式”建設并豐富表達教學思想的教學與助學數(shù)字化資源，包括課件、電子教案、微視頻、教學視頻庫、動畫庫、典型零件庫[12]及其三維虛擬模型庫、工程教學視頻庫、工程實物圖片庫、圖形及圖樣庫、習題及解答庫等。

2.3.2課件開發(fā)技術手段選用

為學生營造學習與創(chuàng)新環(huán)境，恰當?shù)剡x用開發(fā)平臺和工具會提高課件開發(fā)的質量和效率。課件開發(fā)平臺是將各種軟件制作的素材集成一體形成完整課件的軟件；課件開發(fā)工具是選取、制作和編輯各種素材(文字、圖形、圖像、錄音、動畫、視頻和三維虛擬交互模型等)的軟件。為實現(xiàn)教學與助學課件的特點，課件開發(fā)平臺應具有如下功能：①集成功能：支持各種格式的素材文件；②交互功能：設計交互導航，所見即所得功能便于調試，以使課件具有交互性、非線性和實時性，平臺要便于設置菜單、按鈕和熱區(qū)且能實現(xiàn)復雜的分支、循環(huán)、限時和限次等功能；③可編輯功能：可對文本、聲音、圖像、動畫和視頻的屬性進行修改，且應模塊化，以使課件具有可擴展性；④可生成執(zhí)行文件功能：制作的課件可脫離開發(fā)平臺，在其他計算機上得以普遍應用。國內外多媒體開發(fā)平臺較多，主要有Captivate、Authorware、PowerPoint和Flash等軟件。Authorware軟件屬于基于流程的開發(fā)平臺，即采用程序流程線和功能圖標的形式，具有豐富的人機交互方式、高效的多媒體集成和標準的應用接口，支持交互虛擬模型、動畫、AutoCAD圖、視頻和聲音等各種格式文件，實現(xiàn)面向對象、跨平臺創(chuàng)作，其流程線便于開發(fā)者直接控制總系統(tǒng)結構，程序可讀性強。因此，本課件是以Authorware軟件為主平臺，側重于系統(tǒng)融合集成，將 PowerPoint、Flash、AutoCAD、Cult3D、SolidWorks、視頻和網絡等子平臺與主平臺鏈接，對程序導航、控制。

2.3.3課件交互界面制作

在融合式交互體課件設計與制作中，界面設計極其重要。界面友好將呈現(xiàn)操作簡便、導航清晰，且界面美觀大方，使用戶感覺舒適、愉快，從而提高使用效率。在設計交互課件的腳本及其交互界面之前，要充分研究教學設計和課件內容，然后創(chuàng)新設計合理的界面隱喻元素(圖形、圖片和色彩)，以營造和諧的氛圍，促進學生認知、記憶，達到交互課件輔助教學和輔助學習的預定效果?！皺C械制圖教學與助學輔助平臺”課件的封面設計體現(xiàn)“卓越計劃”理念，有動畫片頭、背景音樂、課件名稱、學校名稱和學校LOGO，其色彩以藍色為主而與學校船舶海洋藍色基調一致，有進入/退出按鈕；主界面設置7個功能模塊按鈕、4個課程資料模塊按鈕、最小化按鈕、時間顯示按鈕和學校名稱；各模塊層層導航且風格一致，且應用COVER函數(shù)控制背景全屏(黑色)使課件整潔、清晰。

2.3.4功能模塊制作關鍵技術

“機械制圖教學與助學輔助平臺”涉及主平臺與各模塊資源(即子平臺)的各種格式文件集成。

(1) 模塊化、模板化和集成化：以圖 1和圖 2所示功能框架為程序設計目標，首先設計總程序，分解各關鍵技術模塊子程序，研究各關鍵技術子程序，經調試子程序成功后形成子程序模板，再形成總程序模板。根據(jù)教學設計(教學和助學要求)，將各模塊的功能按子模板鏈接或嵌入模塊內容，整合到總程序模板，最后調試運行。主平臺與子平臺關鍵聯(lián)系如下：①主平臺鏈接或嵌入PowerPoint文件(PPT格式或HTML格式)，以便制作“教學講解”模塊和“網絡平臺”模塊的講解文件(主要用于系統(tǒng)教學，也便于學生自學)。單擊目錄內容可鏈接相應預覽，雙擊預覽圖片進入全屏演示講解，導航清晰、快捷。②主平臺鏈接或導入大量動畫演示、視頻演示和有聲解說文件(AVI格式和MP4格式)，可按需交互控制其播放。制作“動畫演示”模塊有快速瀏覽形式和單個交互形式(設有可控交互動作按鈕)，還有“工程展廳”模塊的工程視頻和“教學講解”模塊的微視頻設有可控進度條，都可“播放”、“暫?！?、“停止”、“重放”和“返回”等交互操作。注意計算機視頻解碼器是確保視頻正常播放的關鍵，避免部分視頻播放顯示問題。③主平臺鏈接或嵌入三維虛擬交互模型文件(EXE格式和CO格式)，可實時虛擬動態(tài)交互演示單個零件和裝配體(選擇面、旋轉、截切、拆裝裝配體)等操作，可調整三維虛擬模型顯示窗口的大小和窗口位置。④主平臺鏈接AutoCAD軟件制作的工程圖樣(DWG格式)，可從課件直接打開課件預覽的零件圖和裝配圖，而利用AutoCAD軟件為電子黑板對復雜零件圖和裝配圖任意矢量縮放圖形，以便畫圖及讀圖的教學和學習。⑤主平臺“自測題庫”模塊設置機械制圖特有的圖文并茂試題、答案和評分(顯示測試評分和標準答案)，在“自測題庫”模塊中實現(xiàn)5部分都設有兩套試卷(A、B卷)。

(2) 多媒體交互協(xié)作：課件各模塊、各種媒體可交互協(xié)作。例如，播放PPT時可播放動畫、視頻、三維虛擬模型、AutoCAD圖形文件，各媒體窗口相互之間可切換。

(3) 靈活、可擴展：為便于機械制圖教師制作、修改和移植課件內容，將三維虛擬模型、動畫、演示文稿等各種媒體基本都以鏈接形式集成于主平臺，教師根據(jù)教學內容和所授對象等不斷增減和更新修改各媒體文件，或打開自帶網絡格式(HTML格式)的任意文件，即可方便地制作、更新和鏈接其他軟件制作的多媒體素材。

3　機械制圖融合式交互課件的特色和實施效果

機械制圖融合式交互課件在形式和內容上都有創(chuàng)新，并通過兩年教學實踐取得實效。

3.1融合式交互課件的特色

課件多媒體形式多樣化，具有技術性含量高、集成性強、系統(tǒng)完整、知識最新、可擴充便于更新、可測試學習效果、界面友好且兼有網絡功能等特色。

課件將各種媒體資源與知識點及教學內容靈活、有效地融合。應用機械制圖融合式交互課件主導學生課前預習、課堂交互學習與研究、課后復習并完成練習，部分內容“翻轉課堂”；教學講解、動畫演示、實時按師生要求視角演示三維虛擬模型、以AutoCAD軟件為電子黑板交互縮放矢量圖形的零件圖和裝配圖；展示工程圖片、工程視頻、工程圖樣、學生創(chuàng)新作品；能夠將教師更新的PPT等媒體融入課件、演示BB網絡課程平臺等網站內容；課件的各種媒體資源窗口之間可隨意切換；學生由使用說明清楚課程簡介、教學大綱、教學日歷和課件使用；應用課件教師能更好地主導并激發(fā)學生學習課程相關知識和技能，提高學生的創(chuàng)新素質。

3.2融合式交互課件的實施效果

以“機械制圖教學與助學輔助平臺”課件為媒介，改革機械制圖創(chuàng)新教育，便于實施“融合式教學”和學生“融合式學習”模式，新型的“主導–主體相結合”的教學結構應用于機械制圖教學與助學，在課堂互動教學中發(fā)揮重要輔助作用，符合機械制圖課程特點及要求，滿足創(chuàng)新人才培養(yǎng)需求。

“融合式教學”形式多樣化，提高了學生學習興趣和圖學思維能力。以教師為主導，通過其課件激發(fā)了學生主體積極思維和參與教學活動。通過“教師精講——學生練習——學生講解——教師講評”的教學過程，師生互動共同營造了課堂創(chuàng)新與實踐的學習環(huán)境，優(yōu)化了認知教學內容的環(huán)境。特別是通過教師展示融合的視頻、動畫和圖片等數(shù)字化媒介呈現(xiàn)并演示工程實踐事物、情景和過程，采用三維虛擬模型動態(tài)交互演示和AutoCAD交互繪圖和演示，開闊了學生工程視野，師生間和學生間交流制圖問題更直觀，教學活動豐富多彩。例如，對“讀裝配圖拆畫零件圖”知識點教學采用“翻轉課堂”形式，課上和課下學生學習氣氛活躍。營造了學生主動構建自身課程知識體系的學習環(huán)境，促進了學生自主儲備相關知識和創(chuàng)新技能、參加課外科技創(chuàng)新和實驗室研究工作，學生圖形設計能力、表達能力、工程素質和科技創(chuàng)新能力綜合提高。

課件支持教師“融合式教學”理念的實施，將課內與課外、教學手段與教學方法、圖學教育與工程實踐有機融合，教學效率和教學質量都有質的飛躍。經過兩年“融合式教學”實踐，學生優(yōu)秀率和良好率分別平均提高2.76%和8%；2015年參加第八屆“高教杯”全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創(chuàng)新大賽獲機械類團體一等獎且學生均獲個人一等獎。2014年第十四屆全國多媒體課件大賽現(xiàn)場演示“機械制圖教學與助學輔助平臺”課件獲一等獎。

4　結　論

通過對機械制圖融合式交互課件研究及多媒體教學實踐，實現(xiàn)了課件需求分析的功能。結果表明：機械制圖融合式交互課件是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的媒介和有效途徑，各媒體制作軟件優(yōu)勢互補形成適宜課程教學和學習的融合式交互媒體課件，將課內教學與課外有機融合，使制圖知識與工程實際設計及制造聯(lián)系更緊密；提高了學生學習機械制圖的積極性和主動性，手工繪圖和計算機繪圖及建模諸技能全面提高；學生在感受現(xiàn)代教育信息技術魅力的同時專業(yè)知識及視野拓寬；學生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新熱情、科技創(chuàng)新能力和科研能力提高；促進了機械制圖教師不斷學習并提高多媒體技術駕馭水平。

隨著信息技術的發(fā)展與應用，圖學教育要不斷加強改革機械制圖創(chuàng)新教育相關的課件和微課視頻等數(shù)字化教學資源建設，為“融合式教學”及其“翻轉課堂”和MOOC等教育環(huán)境提供必要技術支撐，為實現(xiàn)“中國制造 2025”目標不斷培養(yǎng)高素質創(chuàng)新人才。

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Research and Teaching Practice on Blended Interactive Courseware for Mechanical Drawing

Xu Guoyu1,Lan Chaofeng2
(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin Heilongjiang 150001, China; 2. College of Electrical and Electronic Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin Heilongjiang 150080, China)

Aimed at cultivating creative talents, research on the interactive courseware of the mechanical drawing based on the education idea of Blended Teaching is carried out, and the teaching reform and the resources construction of the mechanical drawing by the interactive courseware are proposed. Its courseware may aid teachers to realize Blended Teaching mode by the combination of teaching in and out of class, of teaching methods with teaching way and of graphics education with engineering practice, and it may aid students to study mechanical drawing by Blended-Learning mode in and out of class. The results show that the blended interactive courseware of mechanical drawing provided effective information technology support for teachers and students, and provided an effective way to cultivate innovative talents. In addition, its courseware won the first prize through live demonstration to promote in the national multimedia courseware competition.

mechanical drawing; interactive courseware; Blended Teaching; cultivation of talents

G 642.0

A

2095-302X(2015)06-0960-06

2015-09-07；定稿日期：2015-10-18

黑龍江省高等教育教學改革項目(JG2013010173)；哈爾濱工程大學基礎課程教學改革研究項目(2015-17)

許國玉(1960–)，女，山東招遠人，教授，碩士。主要研究方向為工程圖學、虛擬制造及仿真。E-mail：xuguoyu@hrbeu.edu.cn