虚拟云桌面在计算机辅助设计CAD教学中的应用
2022-06-15于沛鑫刘静娜
于沛鑫,刘静娜
(1.天津农学院 园艺园林学院,天津;2.天津理工大学 天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室,天津;3.天津理工大学 机电工程国家级实验教学示范中心,天津)
一 引言
《计算机辅助设计CAD》作为环境设计专业的核心专业课之一,在本科培养方案中占有重要的地位。本门课程的主要培养目标是使学生具备基本的制图理论知识,掌握制图规范与标准,以及掌握城市环境景观设计、室内设计、居住空间设计、商业空间设计、城市绿地规划设计、社区环境改造、乡镇环境景观设计的制图技法[1-3]。本门课程的授课形式为教室面授结合机房上机实践。随着移动互联网+、虚拟云桌面等先进技术不断地引入到教学过程中,计算机辅助设计CAD的教学质量将会显著提高,培养出更多能够解决复杂环境设计问题的应用技术人才。
二 《计算机辅助设计CAD》课程存在的问题
《计算机辅助设计CAD》这门课程在当前的培养方案中排在第2学期授课,主要目的是为了后续的设计类专业课《室内空间设计》《建筑设计方法》《景观设计方法》打下基础。为了让学生能够在学习过程中熟练应用AutoCAD软件表达设计思想与创意,本门课要求学生必须掌握AutoCAD软件中与室内装饰设计、家具设计、景观设计相关的功能。然而由于艺术类本科生不具备工程图学基础知识,计算机基础应用技能也参差不齐,所以不同学生对AutoCAD制图技法的理解程度有较大的差距[4-5]。通过调查问卷与随机访谈发现,在有限的教学课时内仍有部分学生表示很难熟练掌握AutoCAD制图技法。总结调查问卷与随机访谈结果发现问题主要体现在如下几个方面:
首先,学生抽象思维较差。学生根据设计尺寸要求可以绘制设计图纸,但是无法主动将设计意图在图纸上表达出来。在课堂上实例讲解过程中学生普遍可以理解线条的含义并绘制出准确的图纸。但是在自行设计图纸时没有抽象思维概念,将三维实物转换成二维线条绘制时不符合制图标准规范。
其次,实验课时有限。本门课总学时为48学时,其中理论讲授12学时,上机实验36学时。AutoCAD软件的使用需要学生反复操作,深入领会每个功能的深刻含义,这样才能达到熟练运用软件表达设计意图的目的。而每次实验课均为新的实验教学内容,课时内无法完全消化实验的内容。另外实验课内学生遇到的问题较为分散,实验指导教师无法解答所有学生的问题,更无法掌握每位学生的学习进度,难以实现形成性评价。
再次,机房实验用计算机不便于制图创作。实验机房针对所有专业开放,学生只能在固定的课时内进行实验。下课后实验思路被打乱,绝大多数学生表示课后自行实验会重新开始创作浪费了大量宝贵的时间。
本门课的教学重点熟练运用AutoCAD软件进行环境设计创作。针对以上问题,我们引入了虚拟云桌面教学平台并开展线上线下混合式教学模式。以形成性评价作为部分考核标准,最终实现所有学生均能达成毕业要求的目标。
三 基于虚拟云桌面的线上线下混合式教学方案
(一) 虚拟云桌面系统硬件架构
虚拟云桌面系统拥有1台双路云桌面服务器共20个CPU核心,96GB内存,可以满足一个教学班30名同学的实验需要。另有一台双路云桌面管理服务器,负责云桌面系统的通信,负载平衡,用户管理,互联网接入等工作。指导教师可以通过VCSA服务器实时查询在线同学的实验时间、实验内容以及实验历史得分,真正做到了持续跟踪学习进度。本专业拥有独立的自习教室,可以保证每天开放14个小时,学生可以充分利用自己的课余时间。另外,学生除了可以用笔记本电脑登入云桌面系统以外,还可以借助平板电脑、手机等移动终端接入进行操作。本门课所使用的虚拟云桌面系统架构如图1所示。
图1 虚拟云桌面系统网络拓扑图
(二) 理论教学方面
由于理论教学时长有限,《计算机辅助设计CAD》这门课程涉及到的先修课程及制图注意事项又比较多,如果学生先修课程基础薄弱的话那么课堂理论教学内容很难在课内完全消化。线上、线下混合教学能够充分利用起来学生的课前、课后的业余时间。在课前,学生通过回顾先修课程的内容达到巩固基础的目的,然后观看中国MOOC网站上《AUTOCAD建筑室内制图》对应章节的视频讲解完成课前预习。课堂上,在理论课教学中,指导教师根据重点、难点以及学生在观看视频时反馈的普遍问题进行深入地、有针对性地讲解,同时拓展相关知识点到真实的应用案例中。课后学生根据自己的学习进度再次反复观看教学视频并自行查找相关资料,巩固所学知识点,拓展实战需求。教学的重点是借助计算机辅助设计手段实现设计工作,而不是让学生掌握软件的操作技能[6-7]。
线上线下混合式理论教学流程图如图2所示:
(三) 实验教学方面
实验教学是计算机辅助设计这门课程的重中之重,是衡量学生毕业达成度的关键教学环节。学生在完成实验后教师可以即时通过手机、计算机登入云桌面系统并进行打分。学生可以根据评语反复练习修正自己出错的地方并改正,直到完全领会教学内容,而不是通过一次实验的得分就区分学生的学习效果[8-10]。以第2章室内设计CAD为例,制图规范及标准是本实验的重点与难点,也是在实际应用中的重点与难点。在本次实验中,具体要求学生掌握的知识点有:
1.图纸幅面与标题栏。
2.图线、字体的确定。
3.比例、尺寸的标注。
4.平面图、立面图、顶棚图绘制。
其中标题栏、比例尺的确定很容易出现错误,一次实验的结果并不能持续反映出学生掌握的程度,必须要反复练习才能形成标准的制图习惯。云桌面系统记录每位学生每次实验的时长、重复出错的次数、实验得分以及达到及格时的实验次数,以此推断该名同学对知识点的领悟能力以及实验操作能力。
基于虚拟云桌面系统的实验课开展方案图3所示。
四 教学执行过程
指导教师在实验课前一天群发推送消息,指明重点和难点,学生就可以尝试在虚拟云桌面下进行实验。在实验过程中,教师着重讲解学生普遍出错的地方,学生根据实验指导书进行操作,并提交到评分软件通知指导教师进行评分。评分系统中学生提交实验结果界面如图4所示。软件会记录每次提交实验结果的所有的信息,并最终生成统计数据。由于基于虚拟云桌面的操作进度不受课时影响,课堂上完不成的内容只能在课余进行解决,下课后学生依然可以在其他接入点进入云桌面并继续完成实验。除此之外,在课余实验中学生还可以加入分组讨论,根据设计思路讨论制图方案,使学生充分领会实验设计的内涵。
图4 计算机辅助设计CAD评分软件学生提交文件界面
五 教学效果
《计算机辅助设计》这门课为专业必修课,选课对象为环境设计专业本科生,一次开课人数为60人左右,分两班进行分班教学。我们自行搭建的虚拟云桌面系统可以同时流畅运行30台虚拟客户机,完全可以满足一个教学班的学生同时在线实验。课余时间较为分散,目前并没有形成超过30人同时在线进行课后实验的服务器过载现象。
在教学效果跟踪方面可以发现,如果学生在完成实验作业后的短时间内得到批阅报告,趁着对知识点短期记忆还很清晰的情况下不断修改实验内容,可以更加深入地理解、巩固知识点。相比而言,传统情况下班长收集好实验报告,转交由指导教师批阅,再返回给学生查看、改进的方法,大量的学生对当时做的实验没有深刻印象,甚至是忘记如何操作的。因此,对批语也就不会特别在意,很难产生持续改进的作用,对学生的成长也没有意义。
从教师端可以检测到的学生实验平均持续操作时间和平均重复操作次数。从实验时间来看其中实验1较为简单,但是入门实验重复次数比较多;实验3为最困难,持续时间最长,但是随着操作成功的次数的增加,重复实验次数属于中位数。虚拟云桌面可以带动学生对先修课程进行回顾。以实验2“建筑室内设计方案绘制”为例,实验要求进行房型改造,绘制平面布局图、地面铺装图、吊顶灯具图以及房屋墙体、柜子等立面的绘制。这个实验的顺利进行需要学生掌握先修课程中室外设计表现技法、透视技法、构成、色彩。这些内容在第1学期进行,经过一学期学生普遍表示对知识点的印象已经很模糊了。如果在课堂上重复讲解的话,那课时就会明显不够用。如果不回顾,只是照实例进行图纸的绘制又无法达到掌握计算机辅助室内设计能力训练的目的。将对应的内容以慕课的形式提前内置于虚拟云桌面系统,链接来自中国大学MOOC中西北农林科技大学的《画法几何与阴影透视》课程。学生在实验过程中可以随时回顾知识点。由此,学生掌握的效率特别高。不仅对本门课程的理解有支撑作用,对先修课程知识点也是良好的巩固的过程。
六 结语
虚拟云桌面实验平台在《计算机辅助设计CAD》课程教学环节中的应用能够使环境设计专业学生实现了在学习时间和学习空间上的扩展,充分体现出新时代MOOC+SPOC的教学理念:任何人在任何时间、任何地点可以学习任何知识。在校生可通过校园网接入虚拟云实验平台,不需要固定的实验时间,对个别教学重点和难点也可以进行反复学习,深入分析与思维拓展[11-13]。同时学习过程并不需要固定的场所,不必安排实验人员。这种不限时的实验平台能够极大地利用学生的课余时间,调动学生自主学习的积极性。另外,学生也可以跟踪自己的学习进度,发现自己的薄弱环节,巩固夯实基础知识,带动知识领悟慢的同学不断进步,最终满足毕业达成要求。这是对当前OBE人才培养理念的精准实践,使每位同学都能够达成毕业要求,真正做到了关注每位同学进步的过程,为新文科人才培养奠定了坚实的基础。