数字化技术在工程图学教学中的应用研究

[摘要]随着现代化数字信息技术的发展，教育学领域对课程教学改革也逐步加强，教育也要跟随时代的脚步。工程图学进行数字化教学的要求也尤为迫切。本文从国内外数字化教学概况、数字化教学内涵、工程图学数字化教学具体应用等角度做了较为详细的探究，并对工程图学数字化教学的发展做了展望。

[关键词]数字信息技术 工程图学 教学改革 数字化教学

引言：工程图学是我国工科院校各工科专业学生必修的一门专业基础课程，国内高校中，传统的工程图学教学方法是使用尺规仪器在黑板上绘图、由教师进行课堂授课，因而就会出现如下的的问题：在上课时间有限的条件下，教师不可能，也没有足够精力把全部立体图形都呈现在黑板上，难以达到理想的教学效果。

信息技术与网络技术在20世纪90年代中后期得到很大发展和利用，而社会发展依靠教育，数字信息技术必然应当服务于教育领域，国家在新时期将“教育信息化”、“教学数字化”两个目标同时提出，以达到通过科技促进教育的发展和人才培养的目的[1]。

一、数字化教学的内涵

数字化教学的含义一般是教师和学生在数字化资源环境中，把现代教育理论作为指导，运用数字化资源和技术以数字化教学模式对学生进行培养教导，以达到培养满足社会需求的、具有创新意识和能力的高素质人才的教育教学活动。在目前的文献中，尽管没有文字对数字化教学定义进行直接表述，但是对“信息技术与课程的整合”有所涉及。数字化技术在教学中应用的关键环节就是整合信息技术与课程内容。这些表述在某些程度上解释了数字化教学的基本内涵。

以下是国内一些教育界人士对数字化教学的两种表述。华南师范大学教育技术研究所李克东教授认为：对于信息技术与课程整合，我认为它是指在课程教学过程中把信息技术、信息资源、信息方法、人力资源和课程内容有机结合，共同完成课程教学任务的一种新型的教学式。是与传统的学科教学有着密切的联系和继承性，又具有一定相对独立特点的教学类型。对它的研究与实施，将对发展学生主体性、创造性和培养学生创新精神和实践能力具有重要意义[2]。北京师范大学现代教育技术研究所何克抗教授认为：信息技术与课程整合的本质与内涵是要求在先进的教育思想、理论的指导下，尤其是主导――主体教学理论的指导下，把以计算机及网络为核心的信息技术作为促进学生自主学习的认知工具与情感激励工具、丰富的教学环境的创设工具，并将这些工具全面地应用到各学科教学过程中，使各种教学资源、各个教学要素和教学环节，经过整理、组合，相互融合，在整体优化的基础上产生聚集效应，从而促进传统教学方式的根本变革，也就是促进以教师为中心的教学结构与教学模式的变革，从而达到培养学生创新精神与实践能力的目标[3]。

数字化教学的关键是科技技术和资源整合，目的是把数字化信息技术应用到教育教学中，从而利用新技术达到更加理想和完善的教学效果，让它们服务于教师和学生，促进高校教育朝着科技化、信息化发展。

二、工程图学数字化教学国内外现状

目前，国外有关开发基于web协作学习系统的研究很多，基本上是开发适应远程教育模式的教育平台，为教学提供网络环境的系统支持。在我国由于网络在教育中的渗透和网络环境对学习方式的影响，对传统教学的模式和手段都造成了冲击， 因此近年来基于数字化教学资源的各类课程的教改研究也发展的很快。如大连理工大学建设了内容丰富的工程制图教学网站，为工程图学教学提供了大量的共享资源。其他一些学校也做了类似于此的建设。但对数字化教学资源环境下“工程图学”课程教学改革研究还十分有限，大都局限在开发网络课件、建立教学网站等初级阶段。对网络资源共享环境下“工程图学”课程新的教育模式、教学方法等的研究还不深入，或很少涉及，尤其是利用网络资源及其他数字化教学资源指导学生自主、协作、探究学习的学习方式等方面的研究还很薄弱。因此探索和研究在数字化教学资源环境下“工程图学”自主式的探究学习活动和协作学习的最佳方式及其影响因素，创设交互式学习环境，激发学生的自主探究学习兴趣和进行个性化协作学习，成为现代工程图学教学改革的重要课题。

三、工程图学数字化技术的应用

工程图学具有很强的实践性，基于这个特点，我们应当发挥现代信息技术的优势特点，深层改革工程图学这门课的教学模式、教学方法以及教学组织架构。在高层次上促进研究型学习的理论与实践。凭借数字化教学资源为学生营造一个交互式学习环境，激发学生自主的、探究的学习兴趣，提高个性化协作学习的意识和能力，从而提高学生的科研素质和教学质量。数字化教学资源的优质、多维、高效的特点为这一目标提供了基础和可行性。

（一）多媒体技术在工程图学教学中的应用

1.多媒体技术概述

多媒体课件教学是数字化教学中使用普遍并且易于学习和操作的一种数字化教学方式。与传统板书相比，因为多媒体融合了图片、声音、动画等多种信息技术，大大提高了学生的学习兴趣。多媒体教学课件信息充实、直观性强、操作灵活，具有利于调动学生兴趣、理解方便、实时互动、节约空间和时间的优点。 可见使用多媒体教学，对于提高教学质量、学生的学习效果，具有重要作用。

2.多媒体软件的应用

在制作工程图学媒体课件时，通常使用专门软件制作工程图形、实体、动画，再通过多媒体平台软件进行素材整合，形成一个关联的整体。软件选择首先要考虑能否完成课程内容的需要，其次要考虑制作工作量。在教学中通常选用以下二种软件作平台。

（1）Powerpoint

使用Powerpoint作为课件制作编辑软件，能比较容易地制作出内容丰富且带有多种特效的幻灯片。一些提纲性和概念性的文字内容可应用其文字编辑功能进行常规编辑;利用绘图工具对点、线、面的投影等图形内容进行绘制，并通过自定义动画设置来演示作图过程。对于复杂的图形（如三维实体模型），可利用其它软件制作，然后将其插入到页面中并与其它内容组成完整的教学课件。

如下图1为机械制图教学Powerpoint媒体课件展示。

图1：工程图学Powerpoint课件

（2）Authorware

Authorware是一种以图标为基础的多媒体制作软件。Authorware课件可以实现人机交互有，易于激发学生的学习兴趣和主动性。它不仅能够进行信息控制、组织、传递，还可以实现对信息内容和形式的分解、加工、改造等操作，创造出一种新的信息表现形式。在该环境下用交互、导航、转换等实现交互，其流程图的设计制作方式能清晰地表达多媒体作品的复杂结构。有很多功能是Powerpoint难以做到的。

如下图2为工程图学教学Authorware媒体课件展示

图2：工程图学Authorware课件

（二）网络技术在工程图学教学中的应用

1.工程图学网络教学概述

当今社会计算机在人们的生活、学习和工作中起着举足轻重的作用，计算机网络有着信息资源量大、信息捕捉传递快捷、利于资源共享的特点。在数字化、信息化、网络化迅速发展的知识经济时代，进行网络形式的教学是工程图学课程发展的必然趋势。

网络教学的主导是老师，主体为学生。把网络技术作为载体，把学习能力的培养作为首要目标，是一种先进的教、学互动的教学方法。应用先进的教学手段，对学生的感知力、认知程度都会有积极的促进作用，对提高教学效率和质量有着不可低估的作用。

2.工程图学网络互动教学模式探究

工程图学教学方式与其他课程有很多不同的地方，在教学过程中经常需要用到三位零件与二维图形互相转换的空间思维活动。通过网页上的文字和图形表达工程图学概念，实现对学生空间想象能力的培养，这是工程图学网络教学所追求的目的，所以我们应该努力完善和拓展网络教学模式，使工程图学网络课件更具有实用性，更好地发挥网络技术的先进作用。

工程图学网络教学模式的具体方式思考如下：我们首先考虑的是如何使用网络技术顺利地完成课堂教学，即怎样才能最大程度地帮助学生理解和掌握教师所要传达的思想，同时使教师在进行课堂授课时更加方便、灵活。除此之外还应该考虑通过网络技术减轻教师批改作业的劳动量。学生利用网络系统进行远程作业、提交作业，同时教师通过网络系统了解学生的作业情况。这就要求工程图学网络教学系统应该包含以下的基本功能：用户登录、课堂教学、习题检测、反馈交流、资源支持等。

工程图学网站系统的结构大致思考如下图3，各部分功能叙述如下：

（1）用户登录认证：包括学生登录和教师登录，主要是用来提供建立用户信息、验证用户身份的作用，网络课件用户通过用户名和密码登录后就可以在线使用网络教学课件，学生和老师之间就可以进行实时交流。

（2）教师应用系统子系统：主要包括学生管理、作业布置、作业检测、课件维护、资源管理等模块。教师通过此子系统对学生进行认证管理、学习情况指导记录等教学工作，在进行每一次网络教学之后教师根据授课内容和学生的学习情况布置相应的作业并可以在线检测学生提交的作业，从而减少了教师批改作业的工作量。课件维护功能主要用于教师对网络课件进行定期维护完善以保证其能够正常使用和运行。资源管理则是提供网络课件资源比如课堂教学讲解、学习资料库等进行更新、替换等管理工作。

（3）学生应用系统子系统：主要包括实力模型库、习题库、课堂学习、互动论坛等模块。学生可以通过实力模型库来对工程图学的实力模型进行观察学习以提高对工程实体在工程图学表达的感知能力。习题库是为对那些学有余力的同学设置的学习模块，学生在完成教师布置的作业后，可以在习题库中找一些自己比较感兴趣的习题进行学习和巩固。课堂学习模块主要是用来给学生提供课堂教学记录、回放，对在课堂学习没有掌握好的学生可以有一个再学习的机会，对于帮助大部分学生学习好这门课程有着很大的作用。

图3：网络教学系统结构

（三）其他一些数字化技术在工程图学教学上的应用

（1）AutoCAD。可以用来制作工程图学教学课件，它具有特别方便的的绘图功能，并能可以进行3D图形绘制。教师不但可清晰、准确地将教学用图用它绘制，而且还可用不同的颜色把不同的线标示出来，填补了教材上图形都是黑白图线的缺陷。将绘制好的图形应用到其它多媒体软件中，通过技术处理制作成所需要的媒体课件。

（2）三维建模软件如UG/NX、Pro/E、Solidworks等建模软件技术已经发展的非常完善，利用先进的三维绘图软件建立教材上的教学模型存在着两方面的优势：一方面可以随着教材教学的变化及时更新教学模型且最大程度上降低经济投入，另一方面在教学中可以进行三维实体的动态演示，实现对实体模型的旋转放大平移等操作，进而不同角度的视图得到展示，使学生对三维实体有直观的了解。并且也避免了携带实体模型笨重不便的缺陷。运用三维建模软件可以建立基本几何体截交线、相贯线、组合体以及标准件视图剖视图零件图等的教学模型。（如下图4）

图4：三维软件相贯线教学模型

（3）Flas软件的应用，Flash具有丰富的图形绘制功能，用户可通过绘图工具进行各种矢量图形的制作，并能产生翻转、拉伸、擦除、变形等效果。如对于工程图学中投影理论及视图的形成过程采用Flash制作，可直观显现投影原理和投影方法。在讲截交线时，理解基本体如棱柱、棱锥及回转体被一截面截切需要有一定的想象能力，但用Flash制作的动画演示，学生会很快理解这一截切过程和截交线的形状，有效地克服了学生空间想象的困难，大大提高学生的感知效果，缩短认知过程。

四、工程图学数字化教学展望

计算机在人们的生活中已经越来越普及，在教育学领域中更应该抓住新技术，使用现代化教学手段更好地去营造优质的教学环境。只有通过不断学习，善于利用现代科技成果，教师才能在教学实践中找到方向。数字化教学技术飞速发展，使教学过程中数字化技术的运用越来越普遍。教师在学习多媒体、计算机技术的同时，也应该关注教育理论的发展，随时用先进的教育理论来指导自己教学，发挥数字化教学的优势。

数字化教学的灵魂是课程体系、内容的改革。目前在工程图学课程的体系内容改革中，出现了多种不同的模式。我们应该努力探索适合学校自身特点的工程图学新课程体系与内容的安排。一旦有了一个较好的现代化工程图学教学课程体系和内容，就应当紧紧抓住数字化教学的核心，做到课程内容与信息技术的整合，发挥出数字化教学在工程图学学科中的巨大潜力。

基金项目：本课题为黑龙江省教育科学“十二五”规划课题“工程图学数字化教学资源与学习环境建设研究”（编号：GBB1211019）

[参考文献]

[1]张尧学，教育部：20项工作确保高校教学质量教育报，2006.7.

[2]张钟宪，李定华，吉琳等.加强实践教学环节，注重创新能力培养[A]//大学化学化工基础课程报告论文集[C].北京：高等教育出版社，2006：522-524.

[3]胡军，史济斌，刘洪来等.美国化学会本科化学教学指导方针简介[J].广西师范大学学报（自然科学版），2007，25（8）：1-3.

（作者单位：哈尔滨工程大学 黑龙江省哈尔滨市）