智慧教室场景下工程图学教学刍议

司东亚 汝艳 夏玲丽

摘 要：随着大数据等技术的不断发展，智慧教室作为“互联网+教育”的产物应运而生，军队院校如何利用智慧教室提升教学信息化水平成为亟待研究的问题。本文以工程图学教学为例，分析了军队院校智慧教室建设的必要性和需要重點关注的若干问题，对于在智慧教室场景下开展工程图学教学具有一定指导意义。

关键词：军队院校;智慧教室;工程图学;教学模式;虚拟模型库

中图分类号：G434

近年来，大数据、云计算、人工智能等新技术不断出现，给很多行业带来了颠覆性影响，高校课堂在新技术的冲击下也迎来变革和创新的“新时代”。传统教学手段已不能满足新时代对创新人才培养的迫切要求，智慧教室作为“互联网+教育”的产物应运而生。智慧教室是基于新兴信息技术构建的以互动为核心，能够提供个性化师生服务，进行智能化管理，实现多元化交互教学，物理环境与虚拟环境相融合的学习场所[1-3]。地方高校在智慧教室建设方面起步较早，虽积累了一定的建设经验，但目前整体上仍处于探索阶段，尚未大规模推广应用，军校智慧教室建设目前也正在试点推进。

军校工程图学教学与地方高校相比存在一定特殊性，突出体现在：由于校园网络与地方互联网物理隔离，很多先进的网络教学资源和网络教育软件无法直接应用到课堂教学，信息化教学手段、技术运用不充分，利用PPT等传统教学手段开展工程图学教学在军校课堂上仍然占据主导地位。以智慧校园与智慧教室建设为契机，提升工程图学教学信息化水平，迫切需要开展智慧教室场景下工程图学教学有关问题的研究，有效推动智慧教室以及智慧教育理念在军队院校落地生根。

1 工程图学课程教学的主要矛盾

马克思主义哲学的矛盾观认为矛盾无处不在且贯穿事物发展的始终，矛盾双方相互统一又相互斗争，推动事物不断发展。工程图学教育的基本矛盾是“教”与“学”的矛盾，它贯穿于教学全过程和各个环节，包括技术革新在内的图学教学改革，其目的即是推动基本矛盾向良性方向发展，促进图学教学水平的提高。

矛盾的复杂性和不平衡性表明：事物都不是由单一矛盾构成的，在由多种矛盾构成的矛盾体系中，主要矛盾居于支配地位，对事物发展起决定作用。工程图学作为一门技术科学，它以图形系统来研究和认识客观世界，“看图”与“读图”过程都离不开空间思维能力。工程图学课程既将空间思维能力作为基础和载体，又是将其作为培养目标。在某种意义上，空间思维能力培养的重要性甚至超出课程所涉及的理论和方法本身，学员空间思维能力与课程教学对其要求的差距是影响教学质量的主要矛盾[4]。

在实际教学过程中笔者也发现，教学效果和学员学习水平提升的主要制约因素就是个体之间空间思维能力的差异，空间思维能力较强的学员根据三视图可以快速想象出物体的空间几何形状，空间思维能力较差的学员则需要借助实物教具或三维CAD模型。传统教学在培养学员空间思维能力方面主要存在两个方面的弊端：一是传统课堂教学以教师单向知识灌输为主，不能动态了解学员学习效果和学习需求，学员被动学习为主，主动探索意识不强;二是培养学员空间思维能力的手段单一，以往针对空间思维能力较差的学员，多是鼓励其手工切割橡皮或者手工捏橡皮泥等，这种方法原始且落后，不仅费时费力、费资金，而且制作出来的模型粗糙、演示效果差，学员尝试一段时间后多数选择放弃。因此，寻求更加高效的方法提升学员空间思维能力成为当前军校工程图学教学亟待解决的问题。

在解决学员空间思维能力培养这一教学主要矛盾方面，智慧教室可选途径和手段更加丰富，例如可以鼓励学员借助信息化的手段建立三维虚拟模型，也可以直接调用虚拟模型库，通过旋转、剖切等操作多维度、高效、直观地了解几何体的空间形状、组合方式、邻接形式等。例如，在当前工程图学课堂教学中，相贯线知识的学习对于空间思维能力较差的学员来说是很大的挑战，因为相贯线通常不是二维的平面曲线，而是三维的空间曲线，且影响相贯线的因素非常多，如几何体形状、大小和相对位置等。现阶段教学中主要依靠PPT图片静态展示各种相贯线，演示手段单一且枯燥，不能调动学员学习兴趣。在智慧教室场景下，则可以通过构建相贯线虚拟模型库，让学员主动观察各种形式的相关线，自主归纳总结相贯线影响因素，通过构建生动、直观、富有科技感的虚拟场景，有效促进学员空间思维能力的培养，进而提高教学效果。

2 智慧教室场景下工图教学若干问题

2.1 教师与教室“人机融合”问题

首先，智慧教室作为新生事物，与传统教学场景有根本性的差异，应使工程图学任课教员尽快掌握智慧教室所涉及的各种先进技术，如设备自动化控制、多屏显示、无线投影、课堂教学录播、远程互动教学等[5]，熟悉智慧教室教学设施、空间布局等，为各种教学手段的灵活运用打下基础。

其次，智慧教室场景下的教学与课程特征、学员培养层次密切相关，应“因课施教、因材施教”，目前尚无成熟的能够充分体现智慧教室特色的教学模式可供借鉴。因此，在教学试点阶段应突出工程图学课程特色，优选教学内容，优化教学环节，以三维模型直观教学为载体，着力解决工程图学教学的主要矛盾，即学员空间思维能力培养问题。

再次，为实现智慧教室物理环境与虚拟环境的有机融合，需要任课教员付出很多的精力来摸索和研究，因此，应尽可能安排专门人员专职从事教学试点工作，或者安排专项研究课题做支撑，为智慧教室的推广积累经验。

2.2 智慧教室场景下教学模式创新问题

教学模式是在一定教学思想或教学理论指导下建立起来的较为稳定的教学活动结构框架和活动程序，必须蕴含特定的教学理论或教学思想，有利于达成教学目标，促进学生主动学习，能提供可参考的有一定操作性的教学活动结构或程序，以及具有与之相配套的基本教学方法[6]。唯物主义哲学认为：物质决定意识，意识是物质世界发展的产物。相对而言，智慧教室属于物质范畴，教学模式则属于意识范畴，智慧教室相对于传统教室在结构组成、内容形式上产生了颠覆性的变化，按照物质决定意识、意识对物质具有能动作用的原则，智慧教室场景下的教学模式也应改革、创新，以适应教学环境条件的变化，从而正确地指导教师有效开展教学实践活动。

建构主义学习理论认为学习应是学习者自己建构知识的过程，这种建构无法由他人来代替。知识体系建构过程一定不是单纯在课堂上完成的，而必须通过学生自主学习完成[4]。因此，智慧教室场景下工程图学教学模式创新核心问题是适应智慧教学环境，促进学生自主学习。

2.3 信息化教学资源自建与引入问题

2.3.1 虚拟模型库建设

智慧教室的建设应不止于物理环境的信息化改造，更重要的是虚拟教学资源的打造。对于工程图学教学而言，构建多样化的虚拟模型库在培养学员空间思维能力方面优势明显，建立虚拟模型库成为迫切需求，应作为工程图学智慧教室虚拟环境建设的重点内容之一。关于虚拟模型库的建设，公开发表的文献较多，为模型库开发者提供了可以借鉴的成功案例。例如，杨小平[7]等为了解决《工程制图》传统教学中挂图和实物模型资源受限的问题，以SolidWorks为开发平台建立了虚拟模型库，通过EDrawing软件进行动态仿真，通过Dreamweaver软件构建学习平台，使抽象难懂的模型结构变得简单、直观，增强了学生的空间想象力和绘图能力，为“工程制图”教学改革提供了参考。虚拟模型库的建设应以自建为主，尽可能地与自编教材以及课程教学内容相同步、相配套，对于军队院校来说，可以引入丰富多样的装备案例，突出军事特色和工程应用背景。

以我院“工程图学”课程教学为例，为适应工程图学智慧教学的需要，授课教员基于虚拟仿真技术和增强现实技术，以unity3D软件为平台，自主开发了面向学员电子书包端（安卓版）的、针对我院自编教材及习题集典型知识点的AR资源及APP教学软件，该AR资源涵盖了教学大纲要求的主要内容，综合采用三维动画、三维模型、三维交互、二维互动等多种形式，实现了知识内容的三维可视化。具体而言，学生安装APP后，使用APP软件扫描图册或者教材等印刷品上的图片，三维资源即刻显示在平板上，学生可以触摸操作，旋转、缩放结构模型，观看工作原理及作图过程，操作非常方便，学生易于上手使用。

三维模型除了可以通过触摸操作自由旋转、缩放、平移观察，还可以在模型之上添加感应热点，通过单击等触发方式弹出图文介绍;对内部形状复杂的结构，可以通过剖切模型展示复杂内形。这些优点是手工切割橡皮或者手工捏橡皮泥无法做到的，学生可以从这种原始、落后、费时、费力且模型粗糙、演示效果差的“体力劳动”中解脱出来，专注于空间构想和思维训练，新颖且实用的学习形式更能激发学生的学习热情。

需要注意的是，虚拟模型库是一把“双刃剑”，实际教学过程中需要正确地引导学生合理地进行利用，避免学生产生怠惰心理。例如，学生在完成工程图学习题集的过程中，有的学生不去进行空间思维的训练，而是在解答题目之前直接查看三维虚拟模型，反而达不到预期教学效果。要避免此类情形，需要对模型库进行优化升级，比如对模型库的开放权限进行限制，学生只能在完成练习且教员开放权限之后才能进行查看等。

2.3.2 引入互聯网资源

军校智慧教室是“互联网+教育”在军事教育领域的拓展，军校智慧教室应与互联网深度融合，最主要途径的就是推动互联网教学资源的开发建设。在资源建设方面，虽然自建资源虽然针对性强，但是开发效率不高，需要耗费大量的人力物力，因此，除了整合军网资源、推广移动学习终端等，要积极地引入地方机构和高校优质资源，进一步推动图学课程智慧教学落地见效。在探索构建“互联网+”学习平台方面，课程组在广泛调研的基础上，引进了由化学工业出版社研发的CIDP制造业数字资源平台，该平台能为广大用户提供了大量的、形式多样的与工程图学相关的资料库和信息源。

为了提高CIDP制造业数字资源平台使用效益，需要在该通用平台的基础上进行定制开发，拓展资料库和信息源的参考功能，更好地为我院师生的教学服务，为此，课程组提出了基于CIDP搭建工程图学课程智慧教学平台的设想。主要途径是借助CIDP制造业数字资源平台上的已有资源，整合自建的工程图学课程资源，实现课程教学资源的重构、重塑。通过该平台可以进行指定范围（班级或课堂）内的资源共享与交流，为日常教学活动提供与教材配套的教学参考资源，提供与教学活动相关的辅助功能，如教员与学员的组班功能、教学内容和资源分享功能、内容与习题的讲解、作业发布与电子作业管理功能、测试管理功能，学员测评功能等，目标是实现工程图学课程的知识单元解析，在整合和开发原有的教学素材基础上，打造动态开放、高效教学和个性化学习的课堂，既方便教员组织、定制教学内容，又方便教员对班级学员的学习动态管理和对教学效果的及时反馈，进一步探索工程图学智慧教学模式改革，致力于提高工程图学课程的教学质量。

传统的教室只是单纯的教学场所，基于“互联网+”的智慧教室是对传统教室在内容和形式、空间与时间上拓展和延伸。借助校园无线网的覆盖，信息空间与物理空间无缝对接，教师和学生可以在任何时间和地点，通过合适的终端设备顺畅地通信，开展更加广泛、高效、便捷的师生互动、学生之间的交流，极大提高了智慧教室的利用效率，实现了建设效益的最大化。

结语

本文探讨了军队院校在工程图学教学中存在的问题，尤其是传统教学手段在培养学员空间思维能力、解决教与学主要矛盾方面存在诸多局限性，军校智慧教室建设为解决工程图学教学中存在的矛盾问题提供了更加有效的途径。分析了智慧教室场景下工程图学教学存在的人机融合、软硬件融合、教学模式创新、信息资源建设等方面的问题。基于智慧教室开展工程图学教学，需要教员尽快熟悉教学硬件环境、设施设备等，丰富虚拟教学资源，包括自建资源与引进成熟地方资源，同时创新教学模式，使软硬件协同作用，将智慧教室建设与课程特色相融合。最后以工程图学AR虚拟教学软件开发以及CIDP制造业数字化资源定制平台建设突破口，在信息化教学资源自建与引入问题上开展了积极地探索与尝试，可以为其他军队院校工程图学智慧教室建设以及智慧教学提供经验参考，同时可以为促进军队院校教育信息化水平提升提供有益借鉴。

参考文献：

[1]陈江.信息化环境中智慧教室的构建[J].科技创新导报，2017，14（30）：144-145.

[2]吕恋生，杨再明，张凯.智慧教室设计及其对传统教学方式的影响——以中国矿业大学为例[J].现代教育技术，2019，29（09）：86-92.

[3]程敏.信息化环境中智慧教室的构建[J].现代教育技术，2016，26（02）：101-107.

[4]毛昕，黄英.工程图学教育中的若干哲学思想问题[J].工程图学学报，2005（05）：132-138.

[5]赵凯莉.智慧教学环境下工程制图课堂教学改革思考与实践[J].现代信息科技，2019，3（05）：87-89.

[6]韩龙淑.当前教学模式研究中面临的问题及其思考[J].教育理论与实践，2006（04）：47-49.

[7]杨小平.虚拟模型库在《工程制图》教学中的应用[J].兰州文理学院学报（自然科学版），2021，35（01）：115-118.

基金项目：2020年度学院自主立项项目“基于CIDP的机械基础课程教学改革与研究”，编号：2021JGKT008

作者简介：司东亚（1987— ），男，汉族，河南商丘人，工学博士，讲师，炮兵防空兵学院机械工程系教员，研究方向：机械可靠性设计。