基于多维互动的工程制图课程信息化教学模式探索

吴黎　唐乐为 　谌霖霖

［摘 要］面向新工科建设和党的二十大的创新驱动发展战略要求，工程制图课程需要探索构建以信息化资源为支撑的智慧教学新模式。文章初步探索以多维互动为特征的工程制图课程时空融合信息化教学新模式，设计融合智慧教室及在线云平台的课堂协作探究教学路径，即以促进学生三维空间想象能力和创新设计能力的发展为课程教学设计的出发点，采用多维教学互动方式，强调并突出学生探究性和个性化创新思维能力的培养。该信息化教学新模式可为工程制图课程信息化教学改革提供思路与参照，对新工科其他专业工科基础课程信息化建设有一定的参考意义。

［关键词］工程制图；信息化教学；多维互动；协作探究

［中图分类号］ G642 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）09-0054-04

一、课程概述

工程制图课程是高等学校工科类专业本科生的必修课程之一，通过画法几何、制图基础和工程制图三个部分内容的教学，促进学生三维立体空间思维的培养和发展。湖南大学的工程制图课程面向7个国家级一流本科专业，每学年平均授课总人数上千，从知识、能力、素质和思政[1]四个维度设置课程教学目标（见图1）。

工程制图课程围绕着三维空间立体与二维工程图样两个教学重点内容，要求学生掌握工程图样绘制和识图方法，着重培养学生的三维立体空间想象能力和创新实践能力。根据新工科建设要求，工程制图课程教学改革从工程教育和信息化改革角度出发，提出“新理念、新结构、新模式、新质量、新体系”五维全覆盖课程改革思路[2]。为了培育具备新工科背景的工程创新型高端复合人才，应以工程产品需求为导向、以数字化模型设计为基础，构建新工科建设下工程制图课程教学新体系，将传统的木模和挂图等教辅工具逐步转换为数字化模型和工业化产品[3]。近年，工程制图课程面临的主要困境是课程学时数不断减少和教学知识点保持不变的矛盾[4]。结合工程制图课程的现状，基于信息化技术的工程制图教学改革需要着重解决三个教学难点问题：（1）根据党的二十大的创新驱动发展战略，结合授课学生基数大、授课专业范围广的工程制图课程教学特点，如何设计和开展工程制图课程的个性化教学；（2）如何设计和实施工程制图课程基于时空融合的信息化教学模式；（3）如何改善和提升课堂网络化互动教学效果。面对新工科建设的课程要求，笔者探索并构建以多维互动为特征的工程制图课程信息化教学新模式，以学生的三维空间想象能力和创新设计能力的发展为课程教学设计出发点，培养高校工科专业本科生的探究式学习能力和創新实践能力。该教学新模式能够为其他院校工程制图课程信息化教学改革提供思路与参照，对新工科其他专业工科基础课程信息化建设有一定参考意义。

二、工程制图信息化教学设计

工程制图课程以图形系统（包含点、线、面和立体等几何元素以及文字、符号等）为载体，表达工程对象客体属性信息[5]，能够为后续专业课程学习和实践工作提供基础理论和实践知识储备[6]，通过教授工程制图相关知识，培养工科类专业学生工程制图投影理论应用和工程图样绘制能力，推动学生三维立体空间想象能力的形成和发展。经过60多年的发展，湖南大学工程制图课程教研组根据课程教学需求创建了一系列信息化教学平台，包含立体化教材体系、校级课程中心、超星学习通教学平台和爱课程慕课教学平台，为工程制图课程信息化教学改革提供了丰富的信息化平台基础资源。面向课程信息化教学的改革难点和新工科建设的发展方向，下面从教学内容、教学模式和教学互动三个方面进行工程制图课程的信息化教学设计。

（一）工程制图教学内容设计

针对前述难点问题（1），为了满足学生分类分层次的个性化学习需求，采用课程实践、综合作业、专业竞赛和拓展项目四个渐进式阶段，构建工程制图课程的进阶式实践教学体系（见图2），最终实现知行合一的工程制图课程个性化实践教学目标。在第一阶段，课程实践教学内容包含线段分析、二维图绘制、三维建模和部件测绘，分别对应课程理论知识点，属于学生必须完成的课程实践内容。在第二阶段，综合作业采用项目式教学方式进行开放式选题，让学生以小组形式协作完成三维建模、应力分析、拓扑优化、优化构型、3D打印和项目报告六部分教学实践内容。学生可以根据个人兴趣参加先进成图创新大赛和拓展项目等课程选修教学实践项目，探索课程高阶学习内容。此外，引入了个性化前沿内容，提高工程制图课程的高阶性、创新性和挑战度，持续激发学生的探究式学习热情。融入课程思政教学，与专业内容教学同向同行，不断挖掘现有教学内容的课程思政元素，将知识传授和价值引领相互融合，实现工程制图课程的全员、全方位、全过程“三全育人”教育新格局。

（二）工程制图教学模式设计

针对前述难点问题（2），根据已建成可扩展的交互式数字化三维立体模型库，构建以信息化资源为支撑的智慧教学模式（见图3）。为达成预定的四维教学目标，组织课程教学逻辑设计，选用项目式学习或合作式学习等教学方式设计课程学习任务；通过教学路径设计，促使学生参与师生、生生多维互动，利用丰富的信息化资源（信息化平台、网络化资源、交互式数字化模型和虚拟仿真实验平台等），通过技术赋能实现教学重点动态调整、教学组织形式重构和精准评价及优化，助力工程制图课程智慧教学水平的提升。通过分析提取测试、讨论、作业和考试中的教与学大数据信息，在超星学习通平台中构建基于数据驱动的工程制图课程知识图谱，精准评价学生的学习过程，持续优化教学设计过程。针对课前、课中和课后教学环节设计相应的教学路径，结合在线课程慕课/学习通教学资源和信息化教学实践平台（虚拟仿真实验平台），进一步提出工程制图课程的协作探究式课堂教学模式（见图4），构建师生、生生互动新形态。

课前教学主要依托工程制图在线慕课和超星学习通平台线上班级开展在线学习和互动讨论；课中教学设计了融合智慧教室及在线云平台的课堂信息化协作探究教学路径；课后教学利用自主设计的信息化资源网站布置个性化课后作业，并上传到校级课程中心，进行师生、生生互评。

以信息化资源为支撑的课堂协作探究教学路径分为四步。第一步，问题反馈牵引。通过信息化教学平台的在线讨论、课前测试和专项训练功能反馈学生的课前学习情况，分析线上学习重难点，确定课程教学目标和对应的不同教学路径。第二步，测验与分析。教师通过雨课堂发布课堂测验习题，实时了解学生的动态学情，学生通过手机或平板移动端扫描二维码实时查看交互式三维立体模型并回答课堂测试问题。第三步，协作探究学习。教师通过在线云平台讲解课程重点内容，采用基于云平台的线上线下协作探究教学新方法，借助希沃品课小程序开展课堂讨论，利用虚拟仿真实验平台让学生获得沉浸式仿真实践体验。最后一步是评价与总结。教师通过雨课堂实时收集学生的课中学习反馈，整理课堂教学数据，用于学生的学习过程评价，并根据教学数据分析结果展开教学反思和总结。

（三）工程制图教学互动设计

针对前述难点问题（3），采用师生和生生多维度互动教学方式（见图5），并创建交互式数字化教学资源库。根据不同的教学互动对象，将工程制图课程互动教学方式分为人机互动、人—平台—人互动和人际互动三个维度。

通过实时查看本地交互式模型和在线数字化模型、参与虚拟仿真教学实践平台实现人机互动，满足学生的个性化自主学习需求，助力学生三维立体空间想象能力的提升。创建交互式数字化模型资源库，通过PDF阅读器、IE浏览器和在线云平台，可视化三维呈现零部件的内部构造和工作原理，提升学生的三维立体空间想象能力。其中，在线云平台通过云图三维在线建模网站，实现了云端在线网络化协同建模、实时查看云端数字化模型的功能，打破了传统专业建模软件的模型类型限制。通过自主开发的工程制图课程虚拟仿真实验平台，创建沉浸式虚拟仿真环境，考查学生实践应用能力，反馈教学效果，用于教学设计持续改进。

为了适应新冠疫情时期融合线上线下混合式教学新要求，教研组积极探索基于在线云平台的协作式人际互动新方式（见图6），显著提高了疫情时期线上教学互动效果。采用小画桌协作式画图网站，实现线上线下生生、师生教学实时互动，适用于在工程制图课程中开展工程图样绘制的协作探究教学新模式。人际互动主要体现在课堂教学阶段，包含提问、分析和讨论三个典型师生和生生互动环节。

三、教学效果

通过以上信息化教学设计措施，有效解决了工程制图课程的现有信息化教学难点问题，并取得了显著的教学成效，助力学生三维立体空间想象能力的提升。首先，采用进阶式个性化创新实践教学体系，显著增强了工科类专业学生的创新实践能力，指导大学一年级本科生参加大学生A类竞赛并斩获国家级奖项共5项。其次，采用基于在线云平台的协作探究教学新模式，使得工程制图课程的教学信息化程度大幅提高。其中，湖南大学的工程制图慕课至2023年1月已开课5次，参与学习人数累计3万多，并在2020年获批湖南省省级精品在线开放课程；教研组获批教育部产学合作协同育人项目2项，积极建设基于VR教学云平台的工程制图课程优质教学资源，并取得了一定的教学成果。教研组成员还积极参加国内外图学会议，学习工程制图课程前沿信息化教学方法，不断提升课程信息化教学水平。最后，工程制图课程的信息化教学改革始终以学生为中心，经过多年建设，持续提升学生的学习积极性，使学生的学习热情稳步提高。

四、总结

工程制图课程属于工科类专业学生的入学必修课程之一，旨在培养学生的三维立体空间想象能力。根据新工科建设需求，教研组将传统的木模等教学模型转换为基于在线云平台的交互式三维数字化模型，为学生个性化线上学习提供了基础保障条件。为了进一步解决工程制图课程信息化教学改革难题，本文从教学内容、教学模式和教学互动三个方面开展工程制图课程信息化教学设计。

首先，构建了进阶式实践教学体系，实现了学生个性化实践教学设计，以达成知行合一的实践教学目标。

其次，创建了以信息化资源为支撑的协作探究课堂教学新模式，解决了线上线下混合式教学模式中线上教学互动不足的难题，显著提升了疫情时期课堂线上教学互动效果。

最后，设计了多维互动教学方式，构建了师生和生生互动新形态，采用在线云平台实现课堂师生、生生网络化实时互动，大幅提升了时空融合的信息化教学新模式下学生的学习热情和积极性。

上述信息化教学模式有效解决了工程制图课程课时数减少但教学知识点不变的教学困境，使教师能够充分利用课堂教学学时开展一系列的探究教学活动，持续提高学生的三维立体空间想象能力，对其他工科基础课程信息化建设具有一定的参考意义。

［ 参 考 文 献 ］

[1］ 唐乐为，熊嫣，刘桂萍，等. 课程思政在工程制图课程中的教学模式探索[J]. 大学教育， 2021（6）： 58-61.

[2］ 教育部高等教育司.教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知[EB/OL].（2017-02-23）[2023-01-05]. http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/tongzhi/201702/t20170223_297158.html.

[3］ 唐樂为，熊德红，黄星梅，等. 以工程需求为导向的工程制图测绘实践教学模式探索[J].大学教育， 2020（11）： 91-93.

[4］ 张京英，佟献英，杨薇. “互联网+”时代图学教育现状调查与研究[J].图学学报， 2017，38（6）： 919-924.

[5］ 毛昕. 工程图学教学思想与方法[M].北京：清华大学出版社， 2016： 5-6.

[6］ 黄利平，孟明辰.工程制图课程内容和课程体系改革［J］.工程图学学报，2005（6）： 156-159.

［责任编辑：周侯辰］