王建華， 郝育新， 劉令濤

（北京信息科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100192）

計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(computer assisted instruction,CAI) 作為一種新型的、先進(jìn)的教學(xué)手段，已成為影響教育教學(xué)改革的一種新動(dòng)因、新時(shí)尚[1]?，F(xiàn)在各個(gè)學(xué)校大多數(shù)課程包括工程圖學(xué)課程都采用了CAI教學(xué)。在近10年的教學(xué)改革和CAI課件開發(fā)、應(yīng)用實(shí)踐中體會(huì)到，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)具有許多傳統(tǒng)教學(xué)手段無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些不足。在推廣和使用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的同時(shí)，也需要積極探尋計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)更為科學(xué)的可行之路[2]。

1 工程圖學(xué)計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的實(shí)踐

工程圖學(xué)課程是理工科大學(xué)生重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程之一，也是許多后續(xù)課程的先導(dǎo)課。近年來，由于科技、信息、計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，為該課程注入了新的活力，融入了新的知識(shí)結(jié)構(gòu)，課程的基本內(nèi)容已成為工程設(shè)計(jì)、CAD/CAM 的基礎(chǔ)和重要組成部分[3]。其教學(xué)效果直接關(guān)系到工科主干專業(yè)學(xué)生工程素質(zhì)及工程設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。長期以來，在對(duì)教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法進(jìn)行改革的同時(shí)，針對(duì)教學(xué)手段改革也進(jìn)行了大量有益的探索并取得了豐碩的成果。

以北京信息科技大學(xué)為例，隨著教學(xué)環(huán)境的改善，目前教學(xué)手段已由傳統(tǒng)的“粉筆+黑板”、掛圖、模型，發(fā)展為利用計(jì)算機(jī)、多媒體課件、網(wǎng)絡(luò)等輔助知識(shí)傳授。通過形象的動(dòng)態(tài)仿真介紹課程研究對(duì)象及內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；通過精彩的三維動(dòng)畫介紹各種形體的結(jié)構(gòu)、組成、類型和特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的形象思維能力；通過三維構(gòu)型、創(chuàng)新設(shè)計(jì)和人機(jī)交互，調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)參與學(xué)習(xí)進(jìn)程，使其成為學(xué)習(xí)的主體；通過發(fā)揮多種媒體的綜合優(yōu)勢，介紹學(xué)科的最新發(fā)展，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和培養(yǎng)創(chuàng)新能力。為此，經(jīng)過十幾年的教學(xué)改革研究，主要完成了以下工作：

1）制作完成了機(jī)械類和非機(jī)械類2套教學(xué)型多媒體 CAI課件。課件總體結(jié)構(gòu)以紙質(zhì)教材（《工程制圖》（高等教育出版社），《機(jī)械制圖與計(jì)算機(jī)繪圖》（國防工業(yè)出版社）“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材，并分別在 2005、2011年被評(píng)為北京市精品教材）為藍(lán)本，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)，采用PowerPint集成，將多種格式的視頻、動(dòng)畫、圖形、文字等有機(jī)組合在一起。將教材中的主要內(nèi)容一一展示出來，特別是對(duì)教材中的重點(diǎn)和難點(diǎn)通過二維、三維動(dòng)畫及視頻補(bǔ)充紙質(zhì)教材不夠生動(dòng)形象的不足，從而大大提高了學(xué)生從三維到二維和二維到三維的空間形象思維能力及工程應(yīng)用基礎(chǔ)知識(shí)等。課件界面良好，操作方便。教師可以根據(jù)自己的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣修改，重組已有的CAI課件，更好地滿足教師教學(xué)的需要，課件也是學(xué)生預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)的好幫手。

2）研發(fā)制作了助學(xué)型CAI課件。課件提供了與紙質(zhì)教材配套使用的2套習(xí)題集的三維虛擬模型。利用AutoCAD、Inventor、Pro/E等軟件制作了工程制圖三維模型仿真庫及視頻文件（見圖1）。學(xué)生可對(duì)每個(gè)模型進(jìn)行互動(dòng)式旋轉(zhuǎn)、剖切、拆裝等，從而觀察到物體在各個(gè)不同方向上的投影，也可直接觀看模型的視頻文件，就像學(xué)生身邊有個(gè)模型室一樣，三維模型仿真庫有助于學(xué)生理解習(xí)題，提高空間想象力。

課件還提供了完整的習(xí)題作圖過程和參考答案。習(xí)題答案的提供開始是有爭議的，后經(jīng)實(shí)踐證明絕大多數(shù)學(xué)生會(huì)在遇到困難時(shí)再去看參考答案，這樣可以幫助學(xué)生正確的完成作業(yè)。

課件提供了與紙質(zhì)教材配合的每一章節(jié)的學(xué)習(xí)指導(dǎo)。指出了每一章節(jié)的學(xué)習(xí)要點(diǎn)、題型和解題方法、解題示例和繪圖實(shí)例等。幫助學(xué)生更好地總結(jié)、歸納學(xué)習(xí)要點(diǎn)，更快地掌握基礎(chǔ)知識(shí)和技能，提高分析問題和解決問題的能力。

圖1 工程制圖三維模型仿真庫部分AVI文件

3）開發(fā)制作了北京市精品課程“工程制圖”網(wǎng)上輔助教學(xué)與學(xué)習(xí)系統(tǒng)，構(gòu)建了開放式網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)（主界面見圖2）。系統(tǒng)主要由課程概況、課程內(nèi)容、實(shí)踐教學(xué)、授課實(shí)況、參考資料、練習(xí)作業(yè)、教學(xué)成果、三維模型庫等組成。其中包括了課程簡介、教學(xué)團(tuán)隊(duì)、教學(xué)大綱、教學(xué)課件、課程電子教案及授課實(shí)況錄像、使用教材、零部件測繪指導(dǎo)書、工程制圖相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容。學(xué)生可以通過校園網(wǎng)了解課程的相關(guān)信息，自主學(xué)習(xí)?？衫镁W(wǎng)絡(luò)、多媒體現(xiàn)代化教學(xué)手段拓展學(xué)習(xí)渠道，拓展學(xué)習(xí)內(nèi)容。并且運(yùn)用留言板和BBS論壇（在規(guī)定的時(shí)間有老師值班答疑）給學(xué)生提供了教學(xué)的互動(dòng)平臺(tái)，學(xué)生在學(xué)習(xí)中遇到的問題可以通過留言板或論壇向老師提問或相互討論，有利于教與學(xué)的互動(dòng)和教師對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，不斷提高教學(xué)質(zhì)量。

圖2 工程制圖網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)主界面

4）建立了工程圖學(xué)試題庫。根據(jù)學(xué)校各專業(yè)的設(shè)置要求，在總結(jié)多年的教學(xué)積累，吸收兄弟院?？荚囶}庫先進(jìn)素材的基礎(chǔ)上，研發(fā)了考試題庫。總體設(shè)計(jì)為“制圖基本知識(shí)”單項(xiàng)或多項(xiàng)選擇、填空；“投影基礎(chǔ)”、“基本體”、“組合體”、“圖樣畫法”、“標(biāo)準(zhǔn)件和常用件”、“零件圖”等的表達(dá)求解；“技術(shù)要求”的正確標(biāo)注；“裝配圖”的拆畫測試等多個(gè)模塊。每個(gè)模塊約20余套題，各模塊相對(duì)獨(dú)立，加以組合，形成試卷。采用計(jì)算機(jī)繪制，按不同專業(yè)要求自動(dòng)組卷，方便內(nèi)容更新和維護(hù)。

5）建立了功能齊全的多媒體工程圖學(xué)“CAD實(shí)驗(yàn)室”。目前已配備計(jì)算機(jī) 80臺(tái)，計(jì)算機(jī)中安裝有CAI課件、工程制圖三維模型仿真庫、AutoCAD、Pro/Engine、Inventor、3DSMAX、Flash等軟件。還制作完成了工程制圖常見結(jié)構(gòu)工藝及機(jī)械加工基礎(chǔ)認(rèn)知（見圖3、圖 4）和零部件拆裝實(shí)驗(yàn)2個(gè)模塊化軟件。包括用Flash制作完成的繪圖工具使用方法、平面圖形繪制方法、投影制圖原理演示；攝入了適量的機(jī)械加工基礎(chǔ)知識(shí)范例，如鑄造、鍛造、車、銑、刨、磨、鉆、鏜等工藝方法，各種基本形狀表面的加工及檢驗(yàn)；測量工具的使用方法；典型部件的工作原理及拆裝等（見圖5）。這對(duì)沒有任何機(jī)械加工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的大學(xué)新生來說，有助于對(duì)工程圖樣相關(guān)結(jié)構(gòu)要素的理解。這使得以三維CAD軟件為平臺(tái)的教學(xué)與實(shí)踐成功展開，深受學(xué)生的歡迎。

圖3 鑄造工藝過程及結(jié)構(gòu)

圖4 軸上各結(jié)構(gòu)的機(jī)加工過程

圖5 齒輪泵工作原理和拆裝過程的動(dòng)畫演示

2 工程圖學(xué)計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的特點(diǎn)及優(yōu)越性

工程圖學(xué)課程一般都開設(shè)在大學(xué)一年級(jí)階段，正處于學(xué)生適應(yīng)大學(xué)學(xué)習(xí)的環(huán)境，并且這門課程與工程實(shí)踐結(jié)合緊密，學(xué)生缺乏這方面的知識(shí)，因而難以適應(yīng)。而工程圖學(xué)CAI將計(jì)算機(jī)特有的功能用于教學(xué)，把教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)經(jīng)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)有機(jī)融合，通過教師、學(xué)生與計(jì)算機(jī)的交互活動(dòng)，進(jìn)行更有效的學(xué)習(xí)，從而達(dá)到教學(xué)目的。由于現(xiàn)代多媒體技術(shù)集動(dòng)畫、文字、圖像、聲音等為一體，具有超強(qiáng)的綜合處理能力，集中了幻燈、投影、錄像等教學(xué)媒體的優(yōu)點(diǎn)，引起了教學(xué)方法和手段的新變革。與傳統(tǒng)教學(xué)手段相比，它在課堂教學(xué)中具有如下特點(diǎn)及優(yōu)越性[2]：

1）形象直觀。將一些抽象、枯燥的原理概念、復(fù)雜的變換過程和運(yùn)動(dòng)形式，以內(nèi)容生動(dòng)、圖像逼真的教學(xué)信息展現(xiàn)在學(xué)生面前，使講課變得生動(dòng)、易于理解。工程圖學(xué)課程的特點(diǎn)是培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力和物體的表達(dá)能力，教師利用多媒體可組合教學(xué)內(nèi)容，展示教學(xué)模型，演示作圖過程及實(shí)用背景，結(jié)合電子教案邊講解，邊操作，令學(xué)生一目了然。可方便地演示用語言難以表達(dá)的“空間思維”的過程，使學(xué)生盡快建立空間概念。這種直觀新穎的知識(shí)表達(dá)技術(shù)是常規(guī)教學(xué)手段無法企及的，有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和學(xué)習(xí)積極性，明顯提高教學(xué)效果。

2）大信息量和高效率。傳統(tǒng)的板書授課模式，教師約有1/4～1/3的時(shí)間應(yīng)用在寫板書、畫圖上，教學(xué)內(nèi)容講授有限。采用多媒體CAI教學(xué)，計(jì)算機(jī)傳輸信息量大、速度快，也減少了教師上課寫板書和畫圖的時(shí)間?？衫眠@些時(shí)間講授一些有關(guān)的新知識(shí)、新進(jìn)展，每節(jié)課給學(xué)生傳授的信息量增多，CAI豐富了課堂教學(xué)內(nèi)容，有利于拓寬學(xué)生的視野，提高了課堂教學(xué)效率。

3）便于學(xué)生課后復(fù)習(xí)和自學(xué)。學(xué)生可充分利用多媒體的靈活多變與交互性，自由地操作計(jì)算機(jī)，根據(jù)自己的特點(diǎn)和興趣，選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容，控制學(xué)習(xí)進(jìn)度，檢查學(xué)習(xí)成果，有利于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)的能力。

4）可促進(jìn)教師水平的提高。由于利用多媒體網(wǎng)絡(luò)的交互功能，可實(shí)現(xiàn)學(xué)生與計(jì)算機(jī)、學(xué)生與學(xué)生、學(xué)生與教師之間的多向交互功能，共同討論問題，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)精神，引導(dǎo)學(xué)生深入調(diào)研，查閱資料，在知識(shí)學(xué)習(xí)中分清主次，抓住重點(diǎn)，少走彎路。教師可及時(shí)了解學(xué)生的反饋意見，并與學(xué)生展開討論，根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整多媒體教學(xué)方法和節(jié)奏。由于開放的網(wǎng)絡(luò)資源內(nèi)容時(shí)刻在更新，網(wǎng)上的許多內(nèi)容可能超出老師的教案，促使老師以“引導(dǎo)”學(xué)生學(xué)習(xí)為主，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性，培養(yǎng)了學(xué)生的綜合素質(zhì)。這樣教師每完成一輪教學(xué)工作，都要重新備課，完善多媒體課件，并有新的收獲，教學(xué)水平和組織能力會(huì)大大提高。

5）有利于推動(dòng)教學(xué)改革。計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)給教學(xué)活動(dòng)提供了上機(jī)練習(xí)、查閱資料、交互討論、測評(píng)等手段，為教師的講解、演示、演練、觀摩等創(chuàng)造了條件。這樣眾多的手段為教學(xué)改革提供了廣闊空間。多媒體教學(xué)手段的運(yùn)用，有利于人們逐漸改變傳統(tǒng)的教學(xué)觀念，從單純的重視傳授知識(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)榧戎匾曋R(shí)傳授，又重視自學(xué)能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3 計(jì)算機(jī)輔助工程圖學(xué)教學(xué)的不足

通過多年的教學(xué)實(shí)踐及調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，目前CAI教學(xué)存在以下不足：

1）CAI課件的制作不盡人意。如一些助教型課件多以教師為中心。在傳統(tǒng)教育理論的影響下，CAI課件制作的設(shè)計(jì)思想基本上是圍繞如何“教”而展開的，過于注重教師的“教”而忽視學(xué)生的“學(xué)”。有些課件實(shí)際上是將書本搬家，將教案圖解化，是任課教師板書的“換代產(chǎn)品”。所以，學(xué)生仍處于被動(dòng)接受狀態(tài)，參與教學(xué)活動(dòng)的機(jī)會(huì)少。助學(xué)型課件固化性強(qiáng)，課件的交互活動(dòng)只是一種預(yù)先設(shè)定好的、在特定的情況下顯示相應(yīng)內(nèi)容。這就在很大程度上限制了學(xué)習(xí)中的非預(yù)見性的因素，而實(shí)際助學(xué)過程恰恰應(yīng)該是教與學(xué)的有機(jī)結(jié)合。

2）CAI教學(xué)課件使用不合理。有的教師在運(yùn)用CAI進(jìn)行教學(xué)時(shí)，由原來單純的“人滿堂灌”模式演化為“機(jī)滿堂灌”的模式。CAI貫穿教學(xué)始終，教學(xué)手段單一，結(jié)果學(xué)生從頭到尾見到的都是屏幕上的圖像、動(dòng)畫、文字等，這種單一的教學(xué)手段并不能產(chǎn)生好的教學(xué)效果。學(xué)生注意力多集中于投影屏幕，而不是教師，教師的主導(dǎo)地位和生動(dòng)的形體語言較少得到學(xué)生的注意。而且，一些課件片面強(qiáng)調(diào)聲形兼?zhèn)洌淖?、圖像、聲音并用，這種熱鬧非凡的課件雖然有助于學(xué)生接受信息，但學(xué)生自始至終在這樣的環(huán)境下，容易感到疲勞。由于CAI信息量過大，信息呈現(xiàn)速度較快，畫面停留時(shí)間較短，教師操作過快等，使學(xué)生在課堂上基本無法記筆記。所以，學(xué)生接受的信息只能是瞬間記憶，容易遺忘。

4 對(duì)合理使用CAI教學(xué)的思考

計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的設(shè)備和技術(shù)在不斷更新，工程圖學(xué)的教育思想和方法也應(yīng)隨之推陳出新[4-5]。教學(xué)手段和方法的好壞應(yīng)該用教學(xué)效果來評(píng)價(jià)。多媒體輔助教學(xué)達(dá)到最優(yōu)化關(guān)鍵在教師，教師必須更新教育觀念，對(duì)CAI教學(xué)有正確的認(rèn)知并采取相應(yīng)的對(duì)策。

1）CAI課件只是教學(xué)的輔助手段，而非最終目的。計(jì)算機(jī)輔助工程圖學(xué)教學(xué)既有積極的一面，也存在不足。教學(xué)手段現(xiàn)代化必須是教學(xué)內(nèi)容與多媒體運(yùn)用的最佳結(jié)合，且不可為了形式而過多地、盲目地使用CAI。如畫法幾何中的換面法，通過屏幕上大量的板書和作圖步驟一版一版地翻過，學(xué)生印象不深，遠(yuǎn)不如教師在黑板上一邊講解一邊作圖印象深刻。在組合體、剖視圖中，多用一些實(shí)物模型配合實(shí)物投影儀講解，比用計(jì)算機(jī)三維模型效果好。在講述零件結(jié)構(gòu)要素時(shí)插播機(jī)械加工的電視錄像短片，學(xué)生很容易理解和認(rèn)知等。要把握好現(xiàn)代多媒體及其與傳統(tǒng)教學(xué)媒體的有機(jī)結(jié)合，把握現(xiàn)代化教學(xué)手段應(yīng)用的最佳時(shí)機(jī)和位置，才能不斷提高教學(xué)質(zhì)量。

2）堅(jiān)持以學(xué)生為中心的教育觀念，制作和完善高質(zhì)量的CAI課件和網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)。我們必須克服CAI課件以“教”為中心，書本搬家等現(xiàn)象，提高助學(xué)型課件的智能化程度。在建立高質(zhì)量工程制圖素材庫、零部件測繪實(shí)驗(yàn)、模型制作加工實(shí)驗(yàn)、工程制圖綜合性創(chuàng)新設(shè)計(jì)等方面，更好地發(fā)揮多媒體的優(yōu)勢，做更深入的研究，使學(xué)生在各種教學(xué)媒體的使用過程中啟發(fā)多向思維，自主學(xué)習(xí)，做到師生互動(dòng)，才能達(dá)到提高課堂教學(xué)效率、培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和綜合素質(zhì)的目的。

3）發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用。雖然多媒體課件的表達(dá)能力十分強(qiáng)大，引入課堂后彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)的不足，但它仍然是一種輔助教學(xué)手段，不可能取代教師的作用。即使最先進(jìn)的多媒體輔助教學(xué)，仍然需要充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用。教師應(yīng)當(dāng)既是教學(xué)中的“信息傳授者”，又是學(xué)生正確獲取知識(shí)的“學(xué)習(xí)指導(dǎo)者”。

5 結(jié) 束 語

計(jì)算機(jī)輔助工程圖學(xué)教學(xué)在未來無疑將占據(jù)越來越重要的地位，但立足點(diǎn)應(yīng)是“輔助”，而不是替代，技術(shù)手段永遠(yuǎn)是為了更好地滿足學(xué)科教學(xué)內(nèi)在的需求而存在的。如何改進(jìn)CAI教學(xué)方式，將先進(jìn)的教育媒體與傳統(tǒng)的教育方法優(yōu)化組合，強(qiáng)化教學(xué)重點(diǎn)，突破教學(xué)難點(diǎn)；用先進(jìn)的圖學(xué)教育理論去指導(dǎo) CAI課件的制作和合理運(yùn)用，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量與實(shí)施綜合素質(zhì)培養(yǎng)，將是一個(gè)長期而艱巨的任務(wù)，有待于進(jìn)一步深入研究和探討。

[1] 陳彩萍,譚建榮. 工程制圖 CAI課件中學(xué)習(xí)情境的設(shè)計(jì)[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報(bào),2011,32(1): 138-142.

[2] 邱亞玲,等. 對(duì)計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的思考[C]//機(jī)械類課程報(bào)告論壇文集,2011: 153-156.

[3] Wang Jianhua,Hao Yuxin. Teaching reform and practice in engineering drawing based on 3D modeling with computer [J]. CADDM,2011,21(1):46-51.

[4] Wang Weichen,Zhu Zhencai,Fang Liang,et al.Slicing 3D CAD model directly with ObjectARX [J].CADDM,2008,18(2): 27-32.

[5] Fang Yongze,Zhong Yifang. Engineering change management adaptive to PLM [J]. CADDM,2008,18(2): 21-26.