工程图学计算机辅助教学实践与思考

王建华， 郝育新， 刘令涛

（北京信息科技大学机电学院，北京 100192）

计算机辅助教学(computer assisted instruction,CAI) 作为一种新型的、先进的教学手段，已成为影响教育教学改革的一种新动因、新时尚[1]。现在各个学校大多数课程包括工程图学课程都采用了CAI教学。在近10年的教学改革和CAI课件开发、应用实践中体会到，计算机辅助教学具有许多传统教学手段无法比拟的优点，但也存在一些不足。在推广和使用计算机辅助教学的同时，也需要积极探寻计算机辅助教学更为科学的可行之路[2]。

1 工程图学计算机辅助教学的实践

工程图学课程是理工科大学生重要的技术基础课程之一，也是许多后续课程的先导课。近年来，由于科技、信息、计算机的飞速发展，为该课程注入了新的活力，融入了新的知识结构，课程的基本内容已成为工程设计、CAD/CAM 的基础和重要组成部分[3]。其教学效果直接关系到工科主干专业学生工程素质及工程设计能力的培养。长期以来，在对教学体系、教学内容、教学方法进行改革的同时，针对教学手段改革也进行了大量有益的探索并取得了丰硕的成果。

以北京信息科技大学为例，随着教学环境的改善，目前教学手段已由传统的“粉笔+黑板”、挂图、模型，发展为利用计算机、多媒体课件、网络等辅助知识传授。通过形象的动态仿真介绍课程研究对象及内容，激发学生学习兴趣；通过精彩的三维动画介绍各种形体的结构、组成、类型和特点，培养学生的形象思维能力；通过三维构型、创新设计和人机交互，调动学生主动参与学习进程，使其成为学习的主体；通过发挥多种媒体的综合优势，介绍学科的最新发展，激发学生的创新意识和培养创新能力。为此，经过十几年的教学改革研究，主要完成了以下工作：

1）制作完成了机械类和非机械类2套教学型多媒体 CAI课件。课件总体结构以纸质教材（《工程制图》（高等教育出版社），《机械制图与计算机绘图》（国防工业出版社）“十一五”国家级规划教材，并分别在 2005、2011年被评为北京市精品教材）为蓝本，结合计算机技术，采用PowerPint集成，将多种格式的视频、动画、图形、文字等有机组合在一起。将教材中的主要内容一一展示出来，特别是对教材中的重点和难点通过二维、三维动画及视频补充纸质教材不够生动形象的不足，从而大大提高了学生从三维到二维和二维到三维的空间形象思维能力及工程应用基础知识等。课件界面良好，操作方便。教师可以根据自己的教学经验和习惯修改，重组已有的CAI课件，更好地满足教师教学的需要，课件也是学生预习和复习的好帮手。

2）研发制作了助学型CAI课件。课件提供了与纸质教材配套使用的2套习题集的三维虚拟模型。利用AutoCAD、Inventor、Pro/E等软件制作了工程制图三维模型仿真库及视频文件（见图1）。学生可对每个模型进行互动式旋转、剖切、拆装等，从而观察到物体在各个不同方向上的投影，也可直接观看模型的视频文件，就像学生身边有个模型室一样，三维模型仿真库有助于学生理解习题，提高空间想象力。

课件还提供了完整的习题作图过程和参考答案。习题答案的提供开始是有争议的，后经实践证明绝大多数学生会在遇到困难时再去看参考答案，这样可以帮助学生正确的完成作业。

课件提供了与纸质教材配合的每一章节的学习指导。指出了每一章节的学习要点、题型和解题方法、解题示例和绘图实例等。帮助学生更好地总结、归纳学习要点，更快地掌握基础知识和技能，提高分析问题和解决问题的能力。

图1 工程制图三维模型仿真库部分AVI文件

3）开发制作了北京市精品课程“工程制图”网上辅助教学与学习系统，构建了开放式网络学习平台（主界面见图2）。系统主要由课程概况、课程内容、实践教学、授课实况、参考资料、练习作业、教学成果、三维模型库等组成。其中包括了课程简介、教学团队、教学大纲、教学课件、课程电子教案及授课实况录像、使用教材、零部件测绘指导书、工程制图相关国家标准等内容。学生可以通过校园网了解课程的相关信息，自主学习。可利用网络、多媒体现代化教学手段拓展学习渠道，拓展学习内容。并且运用留言板和BBS论坛（在规定的时间有老师值班答疑）给学生提供了教学的互动平台，学生在学习中遇到的问题可以通过留言板或论坛向老师提问或相互讨论，有利于教与学的互动和教师对教学内容进行调整，不断提高教学质量。

图2 工程制图网络平台主界面

4）建立了工程图学试题库。根据学校各专业的设置要求，在总结多年的教学积累，吸收兄弟院校考试题库先进素材的基础上，研发了考试题库。总体设计为“制图基本知识”单项或多项选择、填空；“投影基础”、“基本体”、“组合体”、“图样画法”、“标准件和常用件”、“零件图”等的表达求解；“技术要求”的正确标注；“装配图”的拆画测试等多个模块。每个模块约20余套题，各模块相对独立，加以组合，形成试卷。采用计算机绘制，按不同专业要求自动组卷，方便内容更新和维护。

5）建立了功能齐全的多媒体工程图学“CAD实验室”。目前已配备计算机 80台，计算机中安装有CAI课件、工程制图三维模型仿真库、AutoCAD、Pro/Engine、Inventor、3DSMAX、Flash等软件。还制作完成了工程制图常见结构工艺及机械加工基础认知（见图3、图 4）和零部件拆装实验2个模块化软件。包括用Flash制作完成的绘图工具使用方法、平面图形绘制方法、投影制图原理演示；摄入了适量的机械加工基础知识范例，如铸造、锻造、车、铣、刨、磨、钻、镗等工艺方法，各种基本形状表面的加工及检验；测量工具的使用方法；典型部件的工作原理及拆装等（见图5）。这对没有任何机械加工实践经验的大学新生来说，有助于对工程图样相关结构要素的理解。这使得以三维CAD软件为平台的教学与实践成功展开，深受学生的欢迎。

图3 铸造工艺过程及结构

图4 轴上各结构的机加工过程

图5 齿轮泵工作原理和拆装过程的动画演示

2 工程图学计算机辅助教学的特点及优越性

工程图学课程一般都开设在大学一年级阶段，正处于学生适应大学学习的环境，并且这门课程与工程实践结合紧密，学生缺乏这方面的知识，因而难以适应。而工程图学CAI将计算机特有的功能用于教学，把教学内容、教学经验、计算机有机融合，通过教师、学生与计算机的交互活动，进行更有效的学习，从而达到教学目的。由于现代多媒体技术集动画、文字、图像、声音等为一体，具有超强的综合处理能力，集中了幻灯、投影、录像等教学媒体的优点，引起了教学方法和手段的新变革。与传统教学手段相比，它在课堂教学中具有如下特点及优越性[2]：

1）形象直观。将一些抽象、枯燥的原理概念、复杂的变换过程和运动形式，以内容生动、图像逼真的教学信息展现在学生面前，使讲课变得生动、易于理解。工程图学课程的特点是培养学生的空间想象能力和物体的表达能力，教师利用多媒体可组合教学内容，展示教学模型，演示作图过程及实用背景，结合电子教案边讲解，边操作，令学生一目了然。可方便地演示用语言难以表达的“空间思维”的过程，使学生尽快建立空间概念。这种直观新颖的知识表达技术是常规教学手段无法企及的，有利于调动学生学习的兴趣和学习积极性，明显提高教学效果。

2）大信息量和高效率。传统的板书授课模式，教师约有1/4～1/3的时间应用在写板书、画图上，教学内容讲授有限。采用多媒体CAI教学，计算机传输信息量大、速度快，也减少了教师上课写板书和画图的时间。可利用这些时间讲授一些有关的新知识、新进展，每节课给学生传授的信息量增多，CAI丰富了课堂教学内容，有利于拓宽学生的视野，提高了课堂教学效率。

3）便于学生课后复习和自学。学生可充分利用多媒体的灵活多变与交互性，自由地操作计算机，根据自己的特点和兴趣，选择学习内容，控制学习进度，检查学习成果，有利于培养学生独立学习的能力。

4）可促进教师水平的提高。由于利用多媒体网络的交互功能，可实现学生与计算机、学生与学生、学生与教师之间的多向交互功能，共同讨论问题，培养团队精神，引导学生深入调研，查阅资料，在知识学习中分清主次，抓住重点，少走弯路。教师可及时了解学生的反馈意见，并与学生展开讨论，根据实际情况及时调整多媒体教学方法和节奏。由于开放的网络资源内容时刻在更新，网上的许多内容可能超出老师的教案，促使老师以“引导”学生学习为主，充分调动学生的主动性，培养了学生的综合素质。这样教师每完成一轮教学工作，都要重新备课，完善多媒体课件，并有新的收获，教学水平和组织能力会大大提高。

5）有利于推动教学改革。计算机辅助教学给教学活动提供了上机练习、查阅资料、交互讨论、测评等手段，为教师的讲解、演示、演练、观摩等创造了条件。这样众多的手段为教学改革提供了广阔空间。多媒体教学手段的运用，有利于人们逐渐改变传统的教学观念，从单纯的重视传授知识，转变为既重视知识传授，又重视自学能力、创新能力的培养。

3 计算机辅助工程图学教学的不足

通过多年的教学实践及调查后发现，目前CAI教学存在以下不足：

1）CAI课件的制作不尽人意。如一些助教型课件多以教师为中心。在传统教育理论的影响下，CAI课件制作的设计思想基本上是围绕如何“教”而展开的，过于注重教师的“教”而忽视学生的“学”。有些课件实际上是将书本搬家，将教案图解化，是任课教师板书的“换代产品”。所以，学生仍处于被动接受状态，参与教学活动的机会少。助学型课件固化性强，课件的交互活动只是一种预先设定好的、在特定的情况下显示相应内容。这就在很大程度上限制了学习中的非预见性的因素，而实际助学过程恰恰应该是教与学的有机结合。

2）CAI教学课件使用不合理。有的教师在运用CAI进行教学时，由原来单纯的“人满堂灌”模式演化为“机满堂灌”的模式。CAI贯穿教学始终，教学手段单一，结果学生从头到尾见到的都是屏幕上的图像、动画、文字等，这种单一的教学手段并不能产生好的教学效果。学生注意力多集中于投影屏幕，而不是教师，教师的主导地位和生动的形体语言较少得到学生的注意。而且，一些课件片面强调声形兼备，往往文字、图像、声音并用，这种热闹非凡的课件虽然有助于学生接受信息，但学生自始至终在这样的环境下，容易感到疲劳。由于CAI信息量过大，信息呈现速度较快，画面停留时间较短，教师操作过快等，使学生在课堂上基本无法记笔记。所以，学生接受的信息只能是瞬间记忆，容易遗忘。

4 对合理使用CAI教学的思考

计算机辅助教学的设备和技术在不断更新，工程图学的教育思想和方法也应随之推陈出新[4-5]。教学手段和方法的好坏应该用教学效果来评价。多媒体辅助教学达到最优化关键在教师，教师必须更新教育观念，对CAI教学有正确的认知并采取相应的对策。

1）CAI课件只是教学的辅助手段，而非最终目的。计算机辅助工程图学教学既有积极的一面，也存在不足。教学手段现代化必须是教学内容与多媒体运用的最佳结合，且不可为了形式而过多地、盲目地使用CAI。如画法几何中的换面法，通过屏幕上大量的板书和作图步骤一版一版地翻过，学生印象不深，远不如教师在黑板上一边讲解一边作图印象深刻。在组合体、剖视图中，多用一些实物模型配合实物投影仪讲解，比用计算机三维模型效果好。在讲述零件结构要素时插播机械加工的电视录像短片，学生很容易理解和认知等。要把握好现代多媒体及其与传统教学媒体的有机结合，把握现代化教学手段应用的最佳时机和位置，才能不断提高教学质量。

2）坚持以学生为中心的教育观念，制作和完善高质量的CAI课件和网络学习平台。我们必须克服CAI课件以“教”为中心，书本搬家等现象，提高助学型课件的智能化程度。在建立高质量工程制图素材库、零部件测绘实验、模型制作加工实验、工程制图综合性创新设计等方面，更好地发挥多媒体的优势，做更深入的研究，使学生在各种教学媒体的使用过程中启发多向思维，自主学习，做到师生互动，才能达到提高课堂教学效率、培养创新意识和综合素质的目的。

3）发挥教师的主导作用。虽然多媒体课件的表达能力十分强大，引入课堂后弥补了传统教学的不足，但它仍然是一种辅助教学手段，不可能取代教师的作用。即使最先进的多媒体辅助教学，仍然需要充分发挥教师的主导作用。教师应当既是教学中的“信息传授者”，又是学生正确获取知识的“学习指导者”。

5 结 束 语

计算机辅助工程图学教学在未来无疑将占据越来越重要的地位，但立足点应是“辅助”，而不是替代，技术手段永远是为了更好地满足学科教学内在的需求而存在的。如何改进CAI教学方式，将先进的教育媒体与传统的教育方法优化组合，强化教学重点，突破教学难点；用先进的图学教育理论去指导 CAI课件的制作和合理运用，提高学生的学习质量与实施综合素质培养，将是一个长期而艰巨的任务，有待于进一步深入研究和探讨。

[1] 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.

[2] 邱亚玲,等. 对计算机辅助教学的思考[C]//机械类课程报告论坛文集,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.