现代工程制图课堂教学改革的探索与实践

熊 巍， 刘 林， 陈锦昌

（华南理工大学设计学院，广东 广州 510006）

现代工程制图课堂教学改革的探索与实践

熊 巍， 刘 林， 陈锦昌

（华南理工大学设计学院，广东 广州 510006）

针对当前多媒体教学存在的问题，对工程制图课堂教学改革提出一些思路和方法。基于建构主义学习理论，遵循学生的认知心理，设计工程制图课堂教学过程和教学方法；以传统教学手段为基础，创建一种新式的多媒体教学法。通过“粉笔板书”和多媒体技术的完美融合，模拟真实的手工绘图过程情境；通过手势动作和课件动画的巧妙配合，实现组合体的构形过程情境；通过实物模型和绘图软件的娴熟运用，创造师生互动的学习情境。学生的成绩和评价证明这种新颖的教学法是对工程制图课堂教学改革的有益尝试；另外，通过公开示范课和教学竞赛对该教学法进行推广，也获得了同行认可和肯定。

工程图学；教学改革；建构主义学习理论；课堂教学

近年来，各高校对制图课程展开了全面且深入的教学改革，特别是多媒体技术在课堂教学中的应用取得了卓有成效的效果[1]。由于制图课堂教学需要大量的图例及绘图过程的演示，采用粉笔板书为代表的传统教学手段往往工作量大、效率低，而且对青年教师的基本功要求高，因此多媒体教学已经成为目前高校制图课堂教学的主要手段。不可否认，多媒体教学形象生动、信息量大，在提高制图课堂教学效率方面有着传统教学手段无法比拟的优势。但是，由于对多媒体教学手段的认识与应用存在一定的误区，导致课堂教学的效果往往不尽如人意[2]，例如：

（1）有些年轻教师缺少教学经验，将多媒体教学变成了机械的放幻灯片、念讲稿，照本宣科，缺少变化，学生昏昏欲睡；

（2）教师为操作电脑而偏居一角，学生只见屏幕，难见教师，师生缺乏交流与沟通，课堂气氛沉闷；

（3）学生普遍反映跟不上教师的讲课速度，上课时就像走马观花，学生缺乏积极性；

（4）课件设计形式呆板，只是简单的将教材上的文字和图片进行堆砌，填鸭式教学。

然而，传统教学手段注重黑板绘图过程，一笔一划，一招一势，学生清晰明了，乐于接受；同时，教师充分利用声音、动作等元素来吸引学生的注意力，使课堂教学成为学生全程参与、师生充分互动的过程，课堂气氛自然、和谐。

深入分析多媒体教学手段存在的问题，其实原因不在于这种现代化教育技术本身，而是未能清晰地认识课堂教学的4个要素，包括教师、学生、教学内容、教学环境之间的关系，未能将课堂教学手段从教师的讲授知识的辅助工具，转变成学生主动学习、协作、探索、完成意义建构的认知工具，在使用先进的教育技术的同时，缺乏更适合的教育理论来指导当前的工程制图课堂教学的设计和实施。

现代建构主义学习理论为制图课堂教学改革提供了新的方向。建构主义认为，学习是获得知识的过程，知识不是通过教师传授得到的，而是学习者在一定的情境下，借助他人的帮助，利用必要的学习资源，通过意义建构方式获得的[3]。建构主义理论为我们提供了全新的教学观，对师生在教学过程中的作用和地位进行了重新界定，真正能从学生的心理生理和认知结构特点出发来改变现有的教学设计和教学方法[4]。

因此，建构主义学习理论指导下的工程制图课堂教学改革有其理论和现实意义。

1 建构主义学习理论指导下的工程制图课堂教学设计和策略

根据建构主义理论的要求，教学过程中要创设学习情境、进行教学设计，针对不同的教学内容设计不同的教学方法，促进学生建构良好的认知结构。课堂教学设计不仅要对教学内容全面把握，还要对学生的认知结构和心理过程进行分析，挖掘与学生认知结构有效结合的学习主题，提供符合学生认知心理的外部刺激，使得课堂的教学活动过程适应于学生的心理活动过程，最终实现学生对新知识的同化、顺应和意义建构。

1.1 遵循认知心理的教学过程设计

目前多媒体课堂教学存在的问题之一是学生反映跟不上教师的教学进度，上课走马观花，课后印象不深。其根本原因在于，课件制作和教学活动没有充分考虑学生的认知心理，认为教学过程只是为了完成教学任务，而忽视了学生才是教学过程的主体[5-6]。

（1）主线清晰，结构完整。虽然多媒体课件教学信息量大、面广，且便于发散和扩充，但操作时每个页面只是短暂停留，如果一堂课所用的课件页面较多时，学生很难全面把握教师的教学思路。因此，在教学内容结构的设计上，要有明确的主线，加深学生对重要知识点的印象。另外，教学内容结构也要有整体性。首先设立思考问题，埋下伏笔，引入学习主题，然后对知识点的剖析讲解，最后解决问题，前后呼应。

（2）内容细分，层层展开。学生反应难以跟上教师的教学进度，并非多媒体技术本身的问题。教学媒体的呈现方式和节奏须以认知心理学为依据，仔细分析注意、知觉、记忆、概念形成等4种心理活动所具有的特性以及与媒体表现之间的关系，做到教学活动的展开能与学生心理活动一致。在对知识点的讲授时，切忌整页的播放幻灯片，而应按学生的思维过程进行细分，然后动态地表现出来。

（3）从体切入，形图对照。人是生活在三维世界中，因此学生对立体图的掌握与理解是直接的。以体为切入点，由三维的立体形到二维的投影图，在形与图的转换和对比过程中，帮助学生快速建立空间概念，培养学生的空间想象能力，这也更符合学生的认知规律和建构主义学习理论的要求。

（4）控制节奏，张弛有度。在以教师为主导的课堂讲授过程中，学生很难保持整节课的高度注意力集中。如果教师为了完成教学任务而采用“满堂灌”的授课方式，反而会适得其反，教学效果大打折扣。因此，在教学过程中，应该控制节奏，恰当“留白”，为学生提供实现意义建构的空间。例如，讲完重要知识点后布置课堂练习，为学生尝试使用新知识提供实践的机会。

1.2 营造双向互动的学习情境设计

建构主义学习理论认为，学习总是与一定的情境相联系的，学生需要一定的情境来同化和顺应新知识才能实现知识的意义建构，因此要把创设情境作为意义建构的必要条件和教学设计的重要内容。根据学生原有的知识经验背景、动机以及情感态度等，通过从现实生活中寻找、挖掘符合学生心智水平、与现实生活相关的真实材料，把学生引入一种与问题有关的情境中。学生要在已知的知识平台上通过不断激活原有的经验，在“平衡-不平衡”的认知活动中展开新的思维活动，获得自己的意义，建构自己的理解。

（1）学习情境，要真实、自然。首先，学习情境的设计要真实，来自于工程实际的真实素材营造的学习情境，能够激发学生的学习兴趣，而对情境创设的真实性也决定了学生对学习主题认知和意义建构的程度。其次，学习情境的设计要自然，用最符合学生认知心理的外部刺激去促进对知识的理解和应用，完成学习内容的意义建构。

（2）学习情境，体现学生的主体地位。有效的教学是逐步减少外部控制、学生自我实现意义建构的过程。在教学过程中，学生的学是教师教的出发点和归宿，教师的教是为了学生的学，学生是学习的主体，同时也是知识获取的主动建构者。制图课堂的教学设计要解决如何让学生主动、全面参与教师为学生创设各种情境。一方面，学习情境要具有开放性，促使学生全身心投入，自由发表观点，让学习在平等对话中进行，使师生积极互动共同发展；另一方面，学生的自主学习并非教师的放任自流，教师还要适当调控，为学生学习目标导向，灵活控制学习的进程，有效评价学习的成果，真正成为学生意义建构的推手。

2 建构主义学习理论指导下的工程制图课堂教学方法和实施

有了好的教学设计，接下来就是利用怎样的教学方法和手段，营造真实的学习情境，组织和谐的教学课堂。而只有充分认识和理解教学四要素中的教师、学生、教学内容和教学环境之间的关系，才能保证生动有效的课堂教学的实施。

2.1 传统板书教学与多媒体教学手段相融合

对于工程制图中绘图方法的讲解，多媒体教学和传统的板书教学都有各自无法替代的优势，如何保留传统教学法的课堂互动性好，注重讲解过程，师生进行有效沟通等优点，又能充分发挥多媒体的高效、形象、信息量大的特点。已有许多文献提出了在工程制图课堂教学中将传统的教学手段与多媒体教学相结合，但如何有效甚至无缝地结合并没有深入的探讨和实践。

2.1.1 全新的“板书式”多媒体教学法

传统的制图课堂教学中，教师在黑板上作图，边画边讲解，学生通过这个过程逐渐理解和消化，实际上这对绘图能力的培养起到潜移默化的作用；边讲边画切合人们的思维过程及作图过程，非常有利于学生理解吸收并掌握绘图方法。通过对多媒体教学与传统教学特点的全面分析，充分挖掘教师的主观能动性，设计一种全新的课堂教学方法 ——“板书式”多媒体教学法。通过该方法，教师脱离了计算机的束缚，直接在投影屏幕上进行“粉笔板书”教学演示，一笔一划地示范作图过程，真正实现多媒体技术和传统教学的完美融合，如图1所示。“板书式”多媒体教学法的本质仍然是多媒体教学，但完全模拟手工板书画图的教学形式，实现的关键在于教师对多媒体技术的娴熟运用，教师一只手通过遥控翻页器控制PPT课件中的图线动画，另一只手握教鞭跟随着屏幕上的动画方向运动，学生看到的则是教师竟然用教鞭“画出”了一条条线。教师在“画图”过程中，伴随语言讲解、眼神交流，创设全真的手工绘图情境。但是要自如的使用这种教学法，达到以假乱真的效果，对教师提出了更高的要求。一方面，要充分准备，熟悉教学内容，包括课件每个页面的内容和每个作图步骤的动画，因此课件最好亲手制作；另一方面，要精确控制，为了能够使用教鞭模拟出粉笔作图的效果，就要对所有的图线动画的出现顺序、时间、位置、方向和速度都进行准确预判，将教鞭成为教师手中的“画笔”。

2.1.2 多媒体教学中的板书设计

“板书式”多媒体教学法虽然很好的模拟了手工画图过程，但板书这种传统教学手段本身并不能舍弃，在制图课堂教学中的两个环节可以很好的利用板书进行精心设计。首先，根据粉笔板书概括性和持久性的特点，随着教学进程的展开，将重要的知识点按其逻辑关系列举在黑板上，教学过程的主线清晰可见，如图2(a)所示；其次，通过板书，提出具有启发性、开放性的课堂小问题，并鼓励学生上台回答，粉笔板书成为师生互动的理想工具，如图2(b)所示。

图2 各种教学手段辅助的课堂教学实践

2.2 直观教学与计算机技术相结合

工程制图是一门形象思维很强的课程，要不断地由物画图，由图想物。空间想象能力和形象思维能力离不开感性认识的积累与形象思维的启发。

2.2.1 实物模型和肢体语言

实物模型作为工程制图传统教学方法的重要手段，看得见，摸得着，带给学生的感性认识也最为直观。精心选择的实物模型，可以串联起教学内容中的各个知识点，形成明确的教学主线。例如，在讲解组合体的构形、形体分析和画图时，选择同一个组合体实物模型贯穿各个教学单元，从引入问题到解决问题，保证了知识建构的连续性，如图3所示。另外，在课堂的“留白”时间引入组合体小积木组织手工课堂，安排学生分小组讨论、拼装组合体造型并画图，营造会话、协作和学生互动的课堂氛围。

图3 选择实物模型，串联知识

传统的课堂教学手段有更强的感染力，是因为教师不仅通过语言，还通过丰富的表情和动作全面吸引学生的注意力。其实，在多媒体教学中同样可以更好地利用动作“抓住”学生，成为师生互动的桥梁。例如，在组合教学时，我设计了各种手势和动作，虚实结合，通过动作引导，讲解构形的过程；用各种手势，来展示不同的构形方法。图4所示为使用现实的“切割”手势配合虚拟的分解动画，一步一步地营造真实的构形过程情境。

图4 用手“切割”组合体

2.2.2 计算机绘图软件辅助教学

在实际教学中，往往实物模型资源不足，并且实物模型本身难于动态的表现立体的构型过程；而大多数多媒体课件都不是开放性的，难于适应教学方式、教学策略各不相同的广大教师，更不能适应不同的教学内容、不同教学对象等千变万化的情况。因此，在制图课的教学中，对某些抽象难理解的内容，可以使用计算机三维绘图软件，作为辅助教学手段，帮助学生快速理解空间形体，建立空间概念。另外，通过绘图软件，灵活调整教学内容，按照学生的思路，快速建立三维模型，营造互动的学习情境。

为了引入组合体的形体分析法，给学生布置了一个“回字形”立体的多解题（如图2(a)所示），鼓励学生积极思考。对于学生的答案，教师并不立即指出正确与否，而是根据学生的想法快速建立对应的三维立体来进行验证，让学生自己发现错误，如图2(b)所示。在这个“思考-尝试-验证”的学习过程中，学生完全成为课堂的主角，教师只是实现学生意愿的帮助者。

立体表面交线中的相贯线，特别是立体形状变化对于相贯线投影的影响，一直是学生学习制图课程中的难点。在讲解这部分内容时，可以使用CAD软件的模型动态显示功能（如SolidWorks软件的Instant 3D），可随意拖动来改变立体的形状大小，而相贯线在空间上和投影图上也会相应的实时变化，如图5所示。因此，原本学生难以理解的变形过程，通过计算机绘图软件的巧妙展示，变得清晰易懂，一目了然。

图5 交互式动态展示相贯线的变化

3 建构主义学习理论指导下的工程制图课堂教学评价和推广

通过该教学法的实施，取得了非常好的教学效果。学生乐于接受这种新式的教学形式，认为工程制图课程与众不同，教师上课就像魔术师，神奇的教鞭可以在屏幕上自由地绘画。因此，学生的制图课程成绩得到逐年提高，本人的学生评教分数也每年都居于学院的前5%。图6为对2012级某专业学生采用了该教学法授课与 2011年未采用该方法授课的期末考试成绩对比。

图6 同一专业两学年学生课程成绩对比

本人通过教学研讨会和公开示范课对该教学法进行推广，也获得了同行和专家的认可和好评，如图7所示。为了扩大影响，通过参加教学竞赛，将这种新颖的教学法向广东省乃至全国的同行进行介绍。我在 2012年分别参加了学校青年教师课堂教学竞赛、广东省首届高校教师教学基本功大赛和首届全国高校青年教师教学竞赛，均获得一等奖。

图7 为浙江大学等高校演示在线公开课

4 结 论

本人在教学实践过程中不断总结创新，设计了一套新颖的教学法。该教学法以建构主义学习理论为基础，分析学生的认知心理和认知结构进行教学过程和课件制作，营造真实、自然的学习情境；通过分析多媒体教学和传统教学手段的特点，充分发挥教师和学生的主观能动性，真正实现了一种能融合多媒体和粉笔板书的教学方法。本教学法实际上是将多种教育技术手段灵活应用到工程制图课堂教学上的大胆创新，目前在同行中已经取得了一定的认可和影响；接下来，将从技术哲学的层面针对制图课堂教学的创新和实践作进一步的研究和探讨。

[1] 蓝晓民, 王盛智. “工程制图”课程多媒体教学方法探讨[J]. 工程图学学报, 2013, 34(1): 120-121.

[2] 杨叔子, 王 筠. 要真抓课堂教学质量[J]. 中国高教研究, 2007, (4): 1-3.

[3] 高 文, 徐斌艳, 吴 刚. 建构主义教育研究[M].北京: 教育科学出版社, 2008: 32-40.

[4] 何克抗. 建构主义的教学模式、教学方法和教学设计[J]. 北京师范大学学报(社会科学版), 1997, (5): 74-81.

[5] 陈彩萍, 谭建荣. 工程制图CAI课件中学习情境的设计[J]. 工程图学学报, 2011, 32(1): 138-142.

[6] PRJ Simons. Constructive learning: The role of the learner [J]. NATO ASI Series, 1993, 105(2): 291-313.

Exploration and Practice of Teaching Reform of Engineering Drawing

Xiong Wei, Liu Lin, Chen Jinchang
(School of Design, South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510006, China)

Some ideas and methods for class teaching reform on current problems of multimedia teaching are proposed. Based on constructivist learning theory, following the students' cognitive psychology, engineering drawing classroom teaching process is designed. Based on traditional teaching, a new multimedia teaching method is established. By the melange of "chalk blackboard" and multimedia technology, a real hand-drawing process context can be simulated. By the cooperation of gesture and animation, a configuration process scenarios can be achieved. By the use of physical models and graphics software, an interactive learning environment can be brought about. The evaluation of students and peers proves that this novel method is a useful attempt to reform classroom teaching on engineering drawing.

engineering graphics; teaching reform; constructivism; class teaching

TB 23

A

2095-302X (2014)02-0296-05

2013-12-10；定稿日期：2014-03-06

2012年度广东省教育教学改革资助项目；2012年华南理工大学校级教学研究资助项目

熊 巍（1979-），男，江西南昌人，讲师，硕士。主要研究方向为工程图学、虚拟现实技术。E-mail：WeiXiong@scut.edu.cn

刘 林（1960-），男，湖南株洲人，教授，研究生导师。主要研究方向为计算机图形学、虚拟现实技术。E-mail：liuling@scut.edu.cn