机械制图融合式交互课件研究与教学实践

许国玉， 兰朝凤

(1. 哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；2. 哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，黑龙江 哈尔滨150080)

机械制图融合式交互课件研究与教学实践

许国玉1， 兰朝凤2

(1. 哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；2. 哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，黑龙江 哈尔滨150080)

面向创新人才培养，以“融合式教学”教育理念为指导，研究机械制图交互课件，并提出以其课件为媒介深化教学改革和课程资源建设，辅助教师将课内与课外、教学手段与教学方法、图学教育与工程实践有机结合实施“融合式教学”；辅助学生课内与课外“融合式学习”机械制图课程。结果表明，机械制图融合式交互课件为教师主导教学和学生主体学习的互动教学提供了有效的信息技术支撑，进而为培养创新人才提供了一个有效途径；通过全国多媒体课件大赛现场演示推广，其课件获一等奖。

机械制图；交互课件；融合式教学；人才培养

创新人才培养是实现“中国制造 2025”目标的关键之一[1]，创新人才培养的本质特征是人才培养过程的创新[2]。在理工类高等院校创新人才培养中，机械制图发挥着不可替代的作用；提高教学质量和学习效率是现代教育的基本要求，课堂是人才培养的主战场；课堂教学结构的根本变革应体现在课堂教学系统四个要素[3](即教师、学生、教学内容和教学媒体)，作为教学媒体的课件是提高教学质量和学习效率的四个要素之一。因此，面向创新人才培养，对机械制图融合式交互课件的设计、制作及其多媒体教学进行研究。

1　机械制图课件现状和需求分析

课件是为实现特定教学目标和支持教学活动而开发的计算机软件[4]，其开发大体包括分析、设计、制作、测试和发布阶段，而分析是课件开发的首要工作。

1.1课件的现状分析

纵观历届全国多媒体课件大赛，课件已不再拘泥于PPT和Flash的表现手法，翻转课堂、微课和MOOC的设计思想开始融入教学课件设计之中；同时，3D技术、仿真模拟、网络平台支持、交互式多媒体、游戏式教学等更丰富更生的表达形式也开始注入到信息化教学中，逐渐成为发展教育技术走向的风向标[5]。通过对课件现状分析，归纳出课件分类[4]概况，以此对机械制图融合式交互课件所属种类进行基本定位，如表1所示。

1.2机械制图融合式交互课件的需求分析

培养具有创新人才是一个渐进过程，体现在教育全过程中并渗透到每一个环节。目前，机械制图课件多为PPT，往往只是其中整合了一些动画，教学媒体资源形式单调且欠缺交互，不具备支持“融合式教学”的环境，而融合各种媒体资源且可更新是开发课件的瓶颈。因此，需要开发机械制图融合式交互课件辅助教学和辅助学习，提高学生空间想象能力、机械制图能力、工程素质和创新能力。

表1　课件分类概况

2　机械制图融合式交互课件研究对策

根据机械制图课件的现状与需求分析，以“融合式教学”培养“卓越工程师”的理念为指导，以机械制图融合式交互课件为媒介，使各种资源在教学和助学环节有机融合，产生聚集效应。

2.1教育理念改革

“融合式教学”是以建构主义学习理论、情境认知学习理论、人本主义教学理论和多元智力理论等现代教育思想为基础，为学生“融合式学习”的一个现代教学理念或模式，强调课内与课外融合、计算机信息技术与教学融合、教学手段与教学方法融合等。以“融合式教学”理念为指导，在“学生为主体，教师为主导”基础上构建新型的“主导–主体相结合”的教学结构应用于机械制图教学与助学，实现“课堂教学结构”的根本变革，教学媒体要由只是辅助教师突破重点、难点的形象化教学工具，转变成为既是辅助教师“教”的工具，又是促进学生自主“学”的认知工具、协作交流工具以及情感体验与内化的工具[6]。

以培养“卓越工程师”理念为指导，面向工业界、面向世界、面向未来[7]，教师应建构机械制图教育资源和学习环境，着重培养学生的空间形象思维能力、构形能力、读图和画图能力；注重为学生课堂学习创设情境[8]、扩大学生的知识面，将工程实践知识及生产环境与机械制图有机结合、有效衔接，使学生了解和掌握生产制造工艺，强化工程意识[9]，以便学生更快捷学习和理解机械制图内容，激发学生求知兴趣，营造互动的学习环境[10]，进而培养学生创新能力和可持续发展能力。

2.2融合式交互课件的总体架构和要点

“机械制图教学与助学辅助平台”课件研究定位是具有教学与助学功能，用于人机交互辅助教师课堂教学和学生自主学习操作。

借鉴全国多媒体课件大赛评审标准[11]，从教学内容、教学设计、技术性、艺术性各方面进行合理设计，总体架构“机械制图教学与助学辅助平台”课件，实现其融合式交互课件的教学与助学功能以及网络功能，如图1所示。

图1　机械制图融合式交互课件的总体架构

(1) 课件教学内容：①科学性：教学内容正确，具有时效性、前瞻性；课件内容采用最新国家标准，教学软件是最流行的软件；符合最新教材、教学大纲和教学进程。②规范性：文字、符号、单位和公式符合国家标准，符合出版规范，无侵犯著作权行为。③知识体系：课件系统完整，包括机械制图完整一门课的5部分内容(绪论、标准件和常用件、零件图、装配图、制图综合测绘)；逻辑结构清晰，包括7个功能模块，层次性强，具有内聚性。

(2) 课件教学设计：①目标设计：教学目标清晰、定位准确、表述规范，适用于机械类学生。②内容设计：重点难点突出，启发引导性强，符合认知规律，有利于激发学生主动学习。③教学交互：界面友好，便于人机交互，有师生间、学生间的交互及讨论。④活动设计：根据学习内容设计研究性或探究性实践问题，培养学生创新精神与实践能力，有思考题及练习的教学和助学环节。⑤资源形式与引用：有与教学内容相配的各种学习辅助资源，引用资源形式新颖。⑥学习评价：有对习题的评判或学生自主学习效果的评价。

(3) 课件技术性：①运行环境：运行可靠，课件可脱离开发平台在普通计算机上具有可执行性。②操作情况：操作方便、灵活，交互性强，启动时间、链接转换时间短，具有非线性，可实现各模块、各章节的跳转，按钮齐全、有最小化按钮、各种媒体切换方便。③设计软件和媒体应用：以Authorware软件为主平台，采用与教学设计相适应的各种多媒体软件，综合应用、优势互补，技术表现符合多媒体认知的基本原理，形成强大的模块化课件(声音、动画、视频和虚拟交互模型演示等效果)。④设计水平：软件应用有较高的技术水准，用户环境友好，素材资源符合相关技术规范，在技术上有突破。

(4) 课件艺术性：①界面效果：界面友好，界面布局合理、新颖、活泼、有创意，整体风格统一并符合学校特色，导航清晰简捷。②美工效果：色彩搭配协调，视觉效果好，符合视觉心理。③媒体效果：动画、虚拟交互模型、文字、图片、音频、视频等各种媒体，切合教学主题、融合适当、制作精细、吸引力强，激发学生学习和创新兴趣。

(5) 课件网络功能：通过课件可浏览 BB网络课程平台及所有网站上课件等内容；教师可打开移动硬盘中自制、修改或扩充的网络课件内容；交互演示虚拟模型(旋转、移动、缩放、截切、拆卸和装配)。

2.3融合式交互课件制作策略

为满足创新人才培养需求和机械制图课程教学要求，根据机械制图融合式交互课件的需求分析和总体架构，对课件开发平台和工具进行选用、丰富数字化资源建设和总体设计，如图2所示。

图2　机械制图融合式交互课件的功能模块和效果图

2.3.1数字化资源建设

教师以“模块式”和“积木式”建设并丰富表达教学思想的教学与助学数字化资源，包括课件、电子教案、微视频、教学视频库、动画库、典型零件库[12]及其三维虚拟模型库、工程教学视频库、工程实物图片库、图形及图样库、习题及解答库等。

2.3.2课件开发技术手段选用

为学生营造学习与创新环境，恰当地选用开发平台和工具会提高课件开发的质量和效率。课件开发平台是将各种软件制作的素材集成一体形成完整课件的软件；课件开发工具是选取、制作和编辑各种素材(文字、图形、图像、录音、动画、视频和三维虚拟交互模型等)的软件。为实现教学与助学课件的特点，课件开发平台应具有如下功能：①集成功能：支持各种格式的素材文件；②交互功能：设计交互导航，所见即所得功能便于调试，以使课件具有交互性、非线性和实时性，平台要便于设置菜单、按钮和热区且能实现复杂的分支、循环、限时和限次等功能；③可编辑功能：可对文本、声音、图像、动画和视频的属性进行修改，且应模块化，以使课件具有可扩展性；④可生成执行文件功能：制作的课件可脱离开发平台，在其他计算机上得以普遍应用。国内外多媒体开发平台较多，主要有Captivate、Authorware、PowerPoint和Flash等软件。Authorware软件属于基于流程的开发平台，即采用程序流程线和功能图标的形式，具有丰富的人机交互方式、高效的多媒体集成和标准的应用接口，支持交互虚拟模型、动画、AutoCAD图、视频和声音等各种格式文件，实现面向对象、跨平台创作，其流程线便于开发者直接控制总系统结构，程序可读性强。因此，本课件是以Authorware软件为主平台，侧重于系统融合集成，将 PowerPoint、Flash、AutoCAD、Cult3D、SolidWorks、视频和网络等子平台与主平台链接，对程序导航、控制。

2.3.3课件交互界面制作

在融合式交互体课件设计与制作中，界面设计极其重要。界面友好将呈现操作简便、导航清晰，且界面美观大方，使用户感觉舒适、愉快，从而提高使用效率。在设计交互课件的脚本及其交互界面之前，要充分研究教学设计和课件内容，然后创新设计合理的界面隐喻元素(图形、图片和色彩)，以营造和谐的氛围，促进学生认知、记忆，达到交互课件辅助教学和辅助学习的预定效果。“机械制图教学与助学辅助平台”课件的封面设计体现“卓越计划”理念，有动画片头、背景音乐、课件名称、学校名称和学校LOGO，其色彩以蓝色为主而与学校船舶海洋蓝色基调一致，有进入/退出按钮；主界面设置7个功能模块按钮、4个课程资料模块按钮、最小化按钮、时间显示按钮和学校名称；各模块层层导航且风格一致，且应用COVER函数控制背景全屏(黑色)使课件整洁、清晰。

2.3.4功能模块制作关键技术

“机械制图教学与助学辅助平台”涉及主平台与各模块资源(即子平台)的各种格式文件集成。

(1) 模块化、模板化和集成化：以图 1和图 2所示功能框架为程序设计目标，首先设计总程序，分解各关键技术模块子程序，研究各关键技术子程序，经调试子程序成功后形成子程序模板，再形成总程序模板。根据教学设计(教学和助学要求)，将各模块的功能按子模板链接或嵌入模块内容，整合到总程序模板，最后调试运行。主平台与子平台关键联系如下：①主平台链接或嵌入PowerPoint文件(PPT格式或HTML格式)，以便制作“教学讲解”模块和“网络平台”模块的讲解文件(主要用于系统教学，也便于学生自学)。单击目录内容可链接相应预览，双击预览图片进入全屏演示讲解，导航清晰、快捷。②主平台链接或导入大量动画演示、视频演示和有声解说文件(AVI格式和MP4格式)，可按需交互控制其播放。制作“动画演示”模块有快速浏览形式和单个交互形式(设有可控交互动作按钮)，还有“工程展厅”模块的工程视频和“教学讲解”模块的微视频设有可控进度条，都可“播放”、“暂停”、“停止”、“重放”和“返回”等交互操作。注意计算机视频解码器是确保视频正常播放的关键，避免部分视频播放显示问题。③主平台链接或嵌入三维虚拟交互模型文件(EXE格式和CO格式)，可实时虚拟动态交互演示单个零件和装配体(选择面、旋转、截切、拆装装配体)等操作，可调整三维虚拟模型显示窗口的大小和窗口位置。④主平台链接AutoCAD软件制作的工程图样(DWG格式)，可从课件直接打开课件预览的零件图和装配图，而利用AutoCAD软件为电子黑板对复杂零件图和装配图任意矢量缩放图形，以便画图及读图的教学和学习。⑤主平台“自测题库”模块设置机械制图特有的图文并茂试题、答案和评分(显示测试评分和标准答案)，在“自测题库”模块中实现5部分都设有两套试卷(A、B卷)。

(2) 多媒体交互协作：课件各模块、各种媒体可交互协作。例如，播放PPT时可播放动画、视频、三维虚拟模型、AutoCAD图形文件，各媒体窗口相互之间可切换。

(3) 灵活、可扩展：为便于机械制图教师制作、修改和移植课件内容，将三维虚拟模型、动画、演示文稿等各种媒体基本都以链接形式集成于主平台，教师根据教学内容和所授对象等不断增减和更新修改各媒体文件，或打开自带网络格式(HTML格式)的任意文件，即可方便地制作、更新和链接其他软件制作的多媒体素材。

3　机械制图融合式交互课件的特色和实施效果

机械制图融合式交互课件在形式和内容上都有创新，并通过两年教学实践取得实效。

3.1融合式交互课件的特色

课件多媒体形式多样化，具有技术性含量高、集成性强、系统完整、知识最新、可扩充便于更新、可测试学习效果、界面友好且兼有网络功能等特色。

课件将各种媒体资源与知识点及教学内容灵活、有效地融合。应用机械制图融合式交互课件主导学生课前预习、课堂交互学习与研究、课后复习并完成练习，部分内容“翻转课堂”；教学讲解、动画演示、实时按师生要求视角演示三维虚拟模型、以AutoCAD软件为电子黑板交互缩放矢量图形的零件图和装配图；展示工程图片、工程视频、工程图样、学生创新作品；能够将教师更新的PPT等媒体融入课件、演示BB网络课程平台等网站内容；课件的各种媒体资源窗口之间可随意切换；学生由使用说明清楚课程简介、教学大纲、教学日历和课件使用；应用课件教师能更好地主导并激发学生学习课程相关知识和技能，提高学生的创新素质。

3.2融合式交互课件的实施效果

以“机械制图教学与助学辅助平台”课件为媒介，改革机械制图创新教育，便于实施“融合式教学”和学生“融合式学习”模式，新型的“主导–主体相结合”的教学结构应用于机械制图教学与助学，在课堂互动教学中发挥重要辅助作用，符合机械制图课程特点及要求，满足创新人才培养需求。

“融合式教学”形式多样化，提高了学生学习兴趣和图学思维能力。以教师为主导，通过其课件激发了学生主体积极思维和参与教学活动。通过“教师精讲——学生练习——学生讲解——教师讲评”的教学过程，师生互动共同营造了课堂创新与实践的学习环境，优化了认知教学内容的环境。特别是通过教师展示融合的视频、动画和图片等数字化媒介呈现并演示工程实践事物、情景和过程，采用三维虚拟模型动态交互演示和AutoCAD交互绘图和演示，开阔了学生工程视野，师生间和学生间交流制图问题更直观，教学活动丰富多彩。例如，对“读装配图拆画零件图”知识点教学采用“翻转课堂”形式，课上和课下学生学习气氛活跃。营造了学生主动构建自身课程知识体系的学习环境，促进了学生自主储备相关知识和创新技能、参加课外科技创新和实验室研究工作，学生图形设计能力、表达能力、工程素质和科技创新能力综合提高。

课件支持教师“融合式教学”理念的实施，将课内与课外、教学手段与教学方法、图学教育与工程实践有机融合，教学效率和教学质量都有质的飞跃。经过两年“融合式教学”实践，学生优秀率和良好率分别平均提高2.76%和8%；2015年参加第八届“高教杯”全国大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛获机械类团体一等奖且学生均获个人一等奖。2014年第十四届全国多媒体课件大赛现场演示“机械制图教学与助学辅助平台”课件获一等奖。

4　结　论

通过对机械制图融合式交互课件研究及多媒体教学实践，实现了课件需求分析的功能。结果表明：机械制图融合式交互课件是培养创新人才的媒介和有效途径，各媒体制作软件优势互补形成适宜课程教学和学习的融合式交互媒体课件，将课内教学与课外有机融合，使制图知识与工程实际设计及制造联系更紧密；提高了学生学习机械制图的积极性和主动性，手工绘图和计算机绘图及建模诸技能全面提高；学生在感受现代教育信息技术魅力的同时专业知识及视野拓宽；学生的创新意识、创新热情、科技创新能力和科研能力提高；促进了机械制图教师不断学习并提高多媒体技术驾驭水平。

随着信息技术的发展与应用，图学教育要不断加强改革机械制图创新教育相关的课件和微课视频等数字化教学资源建设，为“融合式教学”及其“翻转课堂”和MOOC等教育环境提供必要技术支撑，为实现“中国制造 2025”目标不断培养高素质创新人才。

[1] 贺正楚, 潘红玉. “德国”工业4.0”与“中国制造2025”[J].长沙理工大学学报: 社会科学版, 2015, 30(3): 103-110.

[2] 郭广生. 创新人才培养的内涵、特征、类型及因素[J].中国高等教育, 2013, (5): 12-15.

[3] 何克抗. 从“翻转课堂”的本质, 看“翻转课堂”在我国的未来发展[J]. 电化教育研究, 2014, 255(7): 5-16.

[4] 刘美凤, 康翠. 多媒体课件教学设计[M]. 北京: 高等教育出版社, 2013: 5.

[5] 赵国栋. 第十四届全国多媒体课件大赛点评[J]. 中国教育信息化, 2015, (3): 6-9, 14.

[6] 何克抗. 如何实现信息技术与教育的“深度融合”[J].课程. 教材. 教法, 2014, 34(2): 58-61, 67.

[7] 林健. 注重卓越工程教育本质 创新工程人才培养模式[J]. 中国高等教育, 2011, (6): 19-21.

[8] 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.

[9] 李雨桐, 王玉新. 强化工程意识与工程图样绘制能力的工程图学教学探讨[J]. 图学学报, 2014, 35(5): 791-797.

[10] 杨安, 陈绚, 陈锦昌. 工程制图课程中的互动教学模式探讨[J]. 工程图学学报, 2007, 28(5): 122-125.

[11] 教育部教育管理信心中心. 第十四届全国多媒体课件大赛评分标准[EB/OL]. [2014-03-10]. http://www.moe. edu.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/moe_327/2014 03/165340.html.

[12] 席平, 王晚霞, 程伟, 等. 三维CAD实验课程体系建设[J]. 工程图学学报, 2009, 30(2): 138-142.

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

黑龙江省高等教育教学改革项目(JG2013010173)；哈尔滨工程大学基础课程教学改革研究项目(2015-17)

许国玉(1960–)，女，山东招远人，教授，硕士。主要研究方向为工程图学、虚拟制造及仿真。E-mail：xuguoyu@hrbeu.edu.cn