基于WWHD“多维”魔方教学体系的教学实践——以《画法几何及工程制图》为例

罗 雯

吉首大学张家界学院，湖南 张家界 427000

一、课程介绍

《画法几何及工程制图》课程为工科院校的学科基础课程，包括理论教学、实践教学、创新训练三个维度，旨在要求学生掌握画法几何的基本原理，了解工程制图的工程应用。所以课程需要达成学生掌握用尺规作图、徒手作图和计算机绘图的基本技能，将立德树人融入课堂过程中，培养学生坚定的理想信念、牢固的法治意识、强烈的工程伦理意识以及卓越的大国工匠精神。

将教学的框架进行了重新梳理，教学内容分为了以下四个模块，分别是投影理论体系、制图基础、工程图样和计算机绘图［1］。其中，投影理论体系和制图基础，两者相互融合、相互渗透，共同作用，支撑起了本门课程的理论基础。在理论知识讲授的过程中，也穿插进行技术前沿的讲授，拓宽学生的知识维度。而在计算机绘图部分中，通过对AutoCAD 软件和Revit 软件的学习，使学生完成二维工程图样的绘制和三维实体模型的构建。计算机绘图的实践操作模块中也加入了当下新兴的3D 打印技术，让学生在实践训练的同时能够近距离接触到本行业的前沿技术和技术成果。

二、教学痛点分析

针对传统教学过程中学生抽象思维弱、空间想象力不足，专业知识多、思政人文少，教师灌输多、学生思辨少，基础理论多、工程实践少的问题，我们提出了开辟包含“三层次”细化新结构的第二课堂，运用两个平台改革第一课堂，构建两大虚拟仿真平台激活第三课堂，综合多层次实践平台挖掘第四课堂。从新结构、新模式、新形式进行基于“多维”魔方教学体系的智慧教学建设。按照建设要求，以工程需求为导向，以数字化设计为基础，利用可视化数字模型替代传统教具。根据新工科建设方案及本校专业特色，为解决存在问题，本课程提出“分”层施教精准教学，“析”解图学智慧课堂，“混”合案例资源拓展，“合”作任务互相激励的课程设计思路，整个教学以问题前导，以任务驱动展开，以思政案例贯穿，以多层级路径开展，以学生为中心的教与学。教师全时段、全方位、全层级服务整个教学过程。

三、“多维魔方”教学体系的建设思路

（一）形成四个课堂

1.魔方体系一面代表着开辟的第二课堂（线上课堂），通过学习通网络平台，让学生随时随地自主学习。

2.另一面代表着改革的第一课堂（理论讲堂），将传统的以教师为中心的教师讲堂转换为以学生为中心的翻转课堂。

3.另一面代表着激活的第三课堂（虚拟仿真），强化学生解决实际问题的能力，激发学生的创新思维，锻炼学生的创新创业能力。

4.另一面代表着挖掘的第四课堂（实践平台），通过个人作业、分组活动、项目学习等形式，磨炼学生学以致用、创新实践能力［2］。

（二）四个课堂建设

1.三层次细化新结构的第二课堂

（1）多媒体课件库。①智慧教学电子教材建设，建设了包含答案解析的12 套课前学习检测和3 套阶段测试的课堂试题库，制作了面向混合式教学的课前、课堂、课后的全时段课件。②我们收集了1000 余张高清图片，剪辑100 多个高清动画视频。将抽象化的概念具象化呈现出来，生动的信息化资源，展现几何形状特征，建筑结构组成、最新制图科技发展，达到情境化教学效果。大大增加了同学们对抽象的知识的记忆和理解。自主绘制了覆盖各章节内容的思维导图，实施头脑风暴，建立发散思维。

（2）3D 模型库。由点到面的提升，我们采用了3D 模型库。化静为动，化繁为简，充分调动学生的多种学习感官。

（3）思政案例库。我们以短片、图片和案例讲解的形式，向同学们介绍本学科院士和本学科的优秀工程师的案例。同时向学生介绍学科前沿、学科背景的发展。在此基础上，以同学们身边的优秀国家名师为例，在激发同学们奋勇向前的同时，也对大一的新生进行了课程专业知识的背景介绍，提升了同学们的专业认可度，在激发学生们的学习热情的同时，也使大一的新生加深了对大国工匠精神的领悟。

2.改革第一课堂

（1）信息化在线测试平台。借助与制图学科相关的学训软件，引导学生任务驱动下的学习。学生在系统引导下自主构建图形几何知识，探寻制图的规律，实现平面立面的耦合，计算学习深度层层递进，完成对知识的内化。

（2）超新泛雅学习通平台。借助学习通进行签到、点名、讨论、抢答、案例库、视频库。提高课堂互动，实现教师的智慧教。学习通平台建设了“非典型问题”讲解微课视频库，实现个性化精细学习指导；积累了与课程紧密相关的优质的公众号科普文章、科技新闻与热点、名人介绍、动漫片视频、工程实用案例等知识点超链接库。

3.激活了第三课堂

为了有效提高学生的实践能力，构筑了两大虚拟仿真平台。突破教学场地局限，教会学生完成制图等系列实验，提高其创新能力。学生还可以通过虚拟仿真的动手操作，大大提高了学习的趣味性。通过VR 实景演练及线上端操作，避免了传统施工过程中威胁、恶劣的环境，完成课本知识到工程实践的牵引。

4.挖掘了第四课堂

在实践教学模块中，运用实践的平台，在绘图模型室等进行模型项目化的教学实践。线下教学的开展和顺利进行，有效提升了学生的师生互动和生生互动。综合运用多层次的实践平台来加强学生的实践教学能力。譬如我们综合运用基建模型室、尺规绘图室、计算机绘图室、3D 打印室、校企合作平台等加强学生的综合实践能力，从而让学生做到在学中做，在做中学。

（三）“四位一体”复合式课程体系

1.“四位一体”复合式课程体系

混合式教学后，课堂的难度、深度、广度和效率都大大增加了，学生在主动参与讨论和提问的情况下弄明白要点后，可以相对顺利完成实践操作部分。依据课想设计思路，形成了在线学习空间、课堂学习空间、虚拟仿真拓展空间、实践模型制作空间“四位一体”复合式课程体系［3-4］。

2.教学活动

将多个教学活动的开展分配到线上、线下和课上、课下。利用渐进式、多层级的教学活动加强学生深度学习。本课程在“互联网+”教育大背景下，针对工程专业培养目标及学生需求，提出“四位一体”混合式课程体系，实现了有“分”有“析”、有“混”有“合”的教学创新，达成了精细教学、智慧互动、课外拓展、主动思辨等教学效果提升，形成具有新工科基础课程特色的创新人才培养体系。通过以“学”促“教”，以“教”导“学”，实现“教”“学”统一，可形成合力。

（1）课前。基于线上平台的导入和目标，引导学生自学。教师通过手机端和课程中心同步推送，学生在第一课堂提出疑问（Why）。

（2）课堂。教师在第二课堂以问题驱动式与实例结合形式进行理论知识学习（What）。学生在第三课堂研讨挑战性任务、深于感悟、培养创新能力（How）。学生在第四课堂进行模型的项目化实践（Do）。课程从线上预习、课堂疏导、虚拟仿真演练、课后实践，做到以资源为载体，以数据为导向，完成了基于WWHD 模式的云空间智慧学习的闭环设计。

四、信息化教学案例分析

（一）曲面立体相贯

曲面立体相贯采用对比、演绎的方法，引导学生从一般（实实相贯）到特殊（实虚、虚虚相贯）的思维方法，提升学生分析解决问题的能力，注重科学方法训练，培养学生探索未知的好奇心和学习兴趣。

（二）教学设计

1.四个教学环节

按照“问题导入（Why 疑：什么是辅助平面法求相贯线）—概念关联（What 融：分层构建的3D 打印技术）—知识进阶（What 融：一般到特殊相贯线分析）—理论应用（How 悟：根据已知视图，求解真确相贯线投影图）—价值引领（How 悟：特殊相贯体鲁班锁所体现的一榫一卯见中深、一转一折皆匠心）—能力提升（How 悟：小组任务，完成鲁班锁拼装，感受它易拆难装原理）—应用拓展（Do 行：完成相贯立体虚拟仿真实验）”四个教学环节开展，课程思政元素与课程知识点如盐入水，有味无痕。相对于辅助平面法求相贯线（知识点）解决分析特殊相贯线（能力点），激发学生的内生动力与质疑分析（共情点），实现价值引领与科学精神的培养（思政点）［5］。

2.教学内容融入思政元素

通过教学内容的精髓提炼，领略相贯线由一般到特殊分析的哲学思考。由现象到本质是哲学的思维方法，学生在相关的思政课上已经学过，但很少有学生将哲学方法与工程科学联系起来。在课堂教学中，教师以太空空间站、3D 打印案例为基础，通过科学的方法，引导学生探究事物本质，既培养了科学素养，又加深了学生对哲学方法的理解，培养了工科类学生在实际工作中的责任与担当。

（三）教学实施

1.课前导预习

（1）学习通公布预习通知：预习相贯线的投影做法。

（2）自学教学资源库平台的微课视频：两立体相贯线。

（3）完成课程系统考核模块中的章节作业。

2.课上导学习

引入太空空间站案例，空间站的舱体是由曲面立体相互贯穿，曲面立体表面形成相贯线，说明要绘制舱体结构图，必须正确绘制相贯线。

3.课上授新课

（1）“辅助平面法”求相贯线“分层构建”的思想和方法与现在快速发展的3D 打印制造技术相联系。

（2）中建二局完成国际首列3D 打印办公楼。

（3）辅助平面求交点的基本步骤。

①分析确定能够适用的辅助平面位置，作辅助平面与相贯的两立体相交；

②分别求出辅助平面与相贯的两立体表面的交线，判断与各简单体相交截交线的形状；

③最后求出交线的交点（中间点和特殊点）。

（4）辅助平面法选择的原则。

①使辅助平面与两转体表面的交线的投影简单易画，如直线或圆。

提问：曲面立体相贯，表面相贯线变化趋势是怎样的呢？（知识进阶）

回答：相贯线由空间曲线变成直线，在变化过程当中，空间曲线总是弯向直径比较大的那个立体，那么有没有相贯线的近似画法呢？所需求做的相贯线投影呈现在非圆视图上，相贯线凹向总是沿着小曲面立体轴线向大曲面立体轴线弯曲。

②近似圆弧法绘制两曲面立体相贯线：公共点中任意一点为圆心，以大圆柱体为半径；圆与小圆柱的中心线有两个交点，远离大圆柱中心线的交点为圆心，画圆；删除、修减即可。

（5）在线测试平台完成曲面立体相贯测试题。

①实体相贯线形状由两立体表面形状决定（同轴回转体）。

②虚体等径相贯线形状是相交直线，非等径相贯是凸向大直径孔的曲线。

［思考］在空间站舱体中能找到哪些几何体的相贯线形状？

空间站舱体是由大、小柱体和球体相交而成，表面产生的相贯线是由同轴回转体曲面相交而成，属于平面曲线。

（6）空间站舱体采用中国木建筑结构“化整为零，巧妙分切”的榫卯原理。

①探秘特殊榫卯结构——鲁班锁：介绍榫卯结构根据开口位置、形状分为套榫、燕尾榫、抱肩榫。

②学习通布置分组任务，VR 演示鲁班锁所体现的一榫一卯见中深、一转一折皆匠心。学生完成鲁班锁拼装，将学生作品进行评选，表扬亮点。

（四）教学总结

曲面立体相贯是《画法几何及工程制图》的重点和难点内容，从专家听课、学生反馈，教学团队深入挖掘课程中的思政元素，找到师生“共情点”，使学生想学、爱学、会学，探索实现了知识传授、能力培养与价值塑造有机融合，学生的学习成效显著。通过线上问卷调查，有90%以上的学生认为课堂上的思政教育联系了课程内容，引申恰当。学生普遍反映：老师上课讲得非常仔细，课件做的好，而且课下作业也有很高的练习价值，同时一直灌输自我学习的思维和方法，能够真正学到更多知识，增强自己的学习能力，能在枯燥晦涩的识图中品尝到新鲜感，激发学习兴趣。