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[摘 要]组合体构型设计作为机械制图与工程制图课程中的重要内容，对培养学生的空间思维能力和创新设计能力具有重要作用。基于SPOC的组合体构型设计教学改革，是把讲述性知识点制作为视频课程，按照学生的不同专业设置不同的构型设计任务，要求学生完成草图绘制、制作黏土模型或三维软件建模、绘制工程图等学习任务，使学生能够在小组任务完成的过程中达到自主学习、独立思考、掌握知识、锻炼能力的目的。
[关键词]组合体构型;SPOC;制图;三维建模;教学改革
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2021）11-0060-03
一、引言
机械制图、工程制图等课程作为工科专业的专业基础课程，开课广泛，实用性强[1]。其中的组合体构型设计内容属于课程的重点内容之一，是提升学生的空间思维能力和阅读工程图样能力的基础[2-3]。构型是指对形体的结构与形状进行构造，或者说是形态的组合与分解[4]。组合体的构型设计是指根据一定的要求，利用已有的知识和创造性的思维方式，用叠加、切割等形式把基本体构造成新的组合体并表达出工程图的过程。
制图类课程的性质决定了授课对象基本上是大学新生，他们一般缺乏系统的思维训练，也比较缺乏专业知识，因此他们在制图课程的学习中，往往因缺乏很好的空间想象力而对组合体的读图理解能力较差，做题往往事倍功半[5]。为了解决这些问题，教师设计了基于SPOC（small private online course）的组合体构型设计教学。SPOC是一种小规模限制性在线课程[6]，以学生作为教学活动的主体，教师起答疑和指导的作用，把课下在线学习和课堂教学讨论结合起来，不仅有助于学生巩固制图类课程中的画法几何内容，而且有助于培养学生的团队协作能力、空间想象能力、实际动手能力和创新意识。
二、SPOC与制图类课程的结合
SPOC作为一种深度学习模式[7]，一般是指几十人到几百人借助微课、视频等教学资源，通过翻转课堂实现面对面课堂教学与在线学习的有机结合。MOOC的成本与运营费用高，而SPOC可以由一个或多个模块构成，不需要一整套完整的课程[8]，更适合太原工业学院（下文简称“我校”）的实际情况。相对于MOOC学习的低完成率[9]，SPOC有助于提高教师对学生课程学习活动参与的掌控程度，把教师单向的知识传递变为教师与学生的交互式学习，提高学生课程学习完成度[10]。
SPOC作为MOOC和翻转课堂的结合，除了比MOOC更适用于大学课堂教学也有翻转课堂不能比拟的优点。翻转课堂是教师让学生在课前通过多媒体等手段自主学习之后在课堂上对所学知识进行讨论或实验[11]，是一种自主性非常强的学习模式。但在中国的教育实践中，翻转课堂却显示出“水土不服”的特点[10]，这是由于翻转课堂对学生的自主学习依赖程度很高，如果学生没有正确的学习态度与效果，那么后续的课堂讨论就难以实施，就达不到翻转课堂的预期效果。SPOC作为小规模的教学方法，在学生的选取过程中具有筛选性[12]，使得学生的知识水平和专业素养差距不大，从而使教师可以更有针对性地进行学习引导，实现不同学生的个性化教育。
制图类课程目前普遍存在内容多、学时少、课程应用性强、机械专业和非机械专业学生学习需求差异大的情况。基于SPOC的制图类课程构建，首先需要针对不同专业选择不同的适合开展SPOC教育的知识点。制图类课程中并非所有的知识点都适用于翻转课堂。比如画法几何部分的国家标准的讲解，属于需要严格遵守的标准，很难将其作为学生讨论的内容。因此，本文针对“组合体构型设计”这一部分内容，结合机械专业和非机械专业的不同情况，分别介绍基于SPOC的翻转课堂教学改革探索。
三、教学设计
在学习完组合体的绘图读图之后，学生对组合体有了基本的了解。由于构型设计多为讲述性知识点，因此适用于建设视频课程，以方便学生自学和反复学习。针对组合体构型设计这部分内容，我们通过对知识点进行整理和编排后制作了视频课程，并在公共平台进行发布，要求学生在课下自学。由于教学大纲对机械专业和非机械专业学生学习的要求不同，因此我们在视频课程中布置了不同的作业方式。课堂上要求学生运用从视频课程所学习的内容，以小组的形式设计构型一个符合作业要求的组合体。教师在小组讨论中给予必要的解答和帮助。其教学具体设计如图1所示。
四、构型过程
学生在学习了组合体构型设计视频课程之后，就可以开始初步的构型设计了。本次教学改革以小组（每组五人左右）为单位进行，并针对机械专业和非机械专业进行了不同的任务布置。
（一）机械专业的构型设计过程
机械专业学生所学习的机械制图课时较多，基础知识掌握较为扎实，而且同时开设的计算机绘图课程，使学生能够获得一定的三维软件使用经验。因此对其组合体构型设计的要求为“由给出的基本体：四棱柱、三棱柱、圆球和圆柱，如图2，以小組为单位，经过合理的叠加、切割等构型设计不同组合体，并且建立三维模型、绘制二维工程图”。
学生在自由分组之后按照要求讨论、构型设计组合体，并且通过草图把组合体的形状表达出来。教师发现大多数组都是通过轴测图表达设计想法，这是因为跟正投影绘制出的三视图相比，轴测图更能直观地表达组合体的形状。在小组讨论的过程中，教师主要起监督作用，先不要干涉学生的讨论活动，也不要对学生构型的模型进行批判和指正。如果发现有不对的地方就先记下来，然后引导学生在后续的建模中自行发现并改正错误。
学生在小组讨论后通过Solidworks软件完成组合体三维建模。这个建模过程本身就是对组合体的一个检验过程，构型中的部分错误会导致建模不成功，因此教师对机械专业学生应以引导为主，减少干涉，让学生有个“发现问题—重新构型—解决问题”的独立思考和讨论过程，只在学生寻求帮助时给予必要的解答和支持。部分机械专业学生的组合体构型设计作品如图3所示。 （二）非機械专业的构型设计过程
非机械专业学生因工程制图课时少而缺少空间思维能力，也没有学习过二维、三维绘图软件。因此对非机械专业学生的组合体构型设计要求为“以小组为单位，由不少于三个基本体，经过合理的叠加、切割等，构型设计不同组合体。小组间随机交换草图，根据草图制作黏土模型，并采取合理的表达方法，绘制组合体的工程图”。
非机械专业学生由于工程制图课时有限，平时绘图练习机会不多，因此其所构型的草图出现的错误较多。这时教师就不能像对待机械专业学生那样以监督为主，而要对每组的草图进行检查和纠正。如图4（a）中所示，这组学生构型的草图以三视图来表达，但其中缺少定位尺寸。图4（b）中草图尺寸缺少直径符号，缺少剖视后方的轮廓线，而且再设计时出现了点接触。
教师对学生的草图进行批改和修正之后，小组之间随机交换草图，由不同的组通过黏土制作模型，校验构型设计的正确性。之所以小组之间要进行交换，一是因为学生存在思维定式，不容易发现自己的错误;二是防止学生为了方便完成黏土制作和画工程图，故意构型设计简单的组合体。构型设计不合理或者尺寸标注不全面的草图，就会影响黏土模型的制作。模型制作组的学生可以对草图不正确的地方进行更改和记录并在后续答辩时指出。
黏土模型制作成功后绘制组合体的工程图。部分学生作品如图4所示。从图中可以看到，学生在绘制工程图时很容易重复草图中的错误，如图4（b）。这是因为学生认为老师已经批改过草图，所以就不再进行独立思考，直接抄图。学生缺乏独立思考习惯与质疑精神，这也是现在大学教学需要探讨解决的问题。因此在之后的班级构型设计时，笔者都要求学生用轴测图进行表达，如图4（c）所示。进行工程图绘制的学生需要自行思考，采取合适的表达方式进行绘图。
五、学生互评
学生完成对组合体构型的设计后还需要教师对各个作品进行整理、分析、讲解。
对于机械专业学生，每组学生自己制作PPT，并推荐一名学生在课堂上通过PPT讲解构型方法以及展示三维模型和二维工程图。学生讲解之后由教师点评，指出草图、模型和工程图存在的错误，比如图3的工程图缺少中心线。此外，教师可以针对构型设计的组合体拓展知识面。如图3（a）中，三棱柱和圆柱相交，图3（b）中三棱柱和半球相切，教师在点评作品之后可以针对三棱柱的相交和相切中交点和切点的不同画法进行讲解，巩固课程中“组合体绘图”的知识点。
对于非机械专业学生，教师对草图、模型和工程图进行拍摄并制作PPT，在课堂上首先由构型草图组的学生上台讲解构型思路，然后由模型制作组的学生指出在模型制作过程中发现的草图所存在的不合理处。通常情况下都是草图缺少必要的尺寸，使得模型无法准确制作，也有些点接触、面接触等不合理处，最后由教师讲解工程图的绘图错误。
上述讲解之后，教师针对构型设计要求以及作品的难易程度，通过多媒体教室的“雨课堂”，由学生通过手机对每个小组的构型设计作品进行实时匿名投票。要求每个学生选择三组进行投票。之所以要求选择三组，是因为从心理学上考虑，大部分学生在除了给自己组的草图和自己模型组投票后一般会选择构型设计真正好的作品。
教师通过对组合体构型设计这一内容进行教学改革，发现学生对新教学模式普遍持积极参与的态度。从两个合堂班级的投票结果发现，相较于传统的教学模式，82%的学生更认可SPOC的教学模式。这也给其他内容和课程的教学改革提供了参考。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 汤晓燕，云忠 . 面向工程教育专业认证的课程教学改革：以工程图学课程为例[J].大学教育，2019（5）：69-71+78.
[2] 孟祥宝，王彦鹍，董正荣.基于两面投影为全等几何图形的组合体构型设计[J].图学学报，2018（3）：599-604 .
[3] 秦健.机械制图组合体的构型设计探讨[J].装备制造技术，2008 （2）：78-79+82.
[4] 高悦.关于组合体构型设计的原则和类型[C]//第十四届全国图学教育研讨会暨第六届制图CAI课件演示交流会论文集（上册），2004：281-285 .
[5] 任洁. 应用型本科院校工程制图教学研究[J].西部素质教育，2018（22）：132-134 .
[6] 费少梅， 王进， 陆国栋. 信息技术支持的 SCH-SPO在线教育新模式探索和实践 [J]. 中国大学教学，2015（4）： 57-60.
[7] 曾明星，李桂平，周清平，等.从MOOC到SPOC： 一种深度学习模式构建[J]. 中国电化教育， 2015（11）：28-34+53.
[8] 贺斌，曹阳. SPOC：基于MOOC的教学流程创新[J]. 中国电化教育，2015（3）：22-29.
[9] 姜蔺，韩锡斌，程建钢.MOOCs学习者特征及学习效果分析研究[J].中国电化教育，2013（11）：54-59 .
[10] 徐碧波，李添，石希. MOOC、翻转课堂和SPOC的学习动机分析及其教育启示[J]. 中国电化教育，2017（9）：47-52+61.
[11] 薛云，郑丽. 基于SPOC翻转课堂教学模式的探索与反思[J]. 中国电化教育，2016（5）：132-137 .
[12] 陈然，杨成. SPOC混合学习模式设计研究[J].中国远程教育，2015（5）：42-47+67+80.
[责任编辑：庞丹丹]
[关键词]组合体构型;SPOC;制图;三维建模;教学改革
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2021）11-0060-03
一、引言
机械制图、工程制图等课程作为工科专业的专业基础课程，开课广泛，实用性强[1]。其中的组合体构型设计内容属于课程的重点内容之一，是提升学生的空间思维能力和阅读工程图样能力的基础[2-3]。构型是指对形体的结构与形状进行构造，或者说是形态的组合与分解[4]。组合体的构型设计是指根据一定的要求，利用已有的知识和创造性的思维方式，用叠加、切割等形式把基本体构造成新的组合体并表达出工程图的过程。
制图类课程的性质决定了授课对象基本上是大学新生，他们一般缺乏系统的思维训练，也比较缺乏专业知识，因此他们在制图课程的学习中，往往因缺乏很好的空间想象力而对组合体的读图理解能力较差，做题往往事倍功半[5]。为了解决这些问题，教师设计了基于SPOC（small private online course）的组合体构型设计教学。SPOC是一种小规模限制性在线课程[6]，以学生作为教学活动的主体，教师起答疑和指导的作用，把课下在线学习和课堂教学讨论结合起来，不仅有助于学生巩固制图类课程中的画法几何内容，而且有助于培养学生的团队协作能力、空间想象能力、实际动手能力和创新意识。
二、SPOC与制图类课程的结合
SPOC作为一种深度学习模式[7]，一般是指几十人到几百人借助微课、视频等教学资源，通过翻转课堂实现面对面课堂教学与在线学习的有机结合。MOOC的成本与运营费用高，而SPOC可以由一个或多个模块构成，不需要一整套完整的课程[8]，更适合太原工业学院（下文简称“我校”）的实际情况。相对于MOOC学习的低完成率[9]，SPOC有助于提高教师对学生课程学习活动参与的掌控程度，把教师单向的知识传递变为教师与学生的交互式学习，提高学生课程学习完成度[10]。
SPOC作为MOOC和翻转课堂的结合，除了比MOOC更适用于大学课堂教学也有翻转课堂不能比拟的优点。翻转课堂是教师让学生在课前通过多媒体等手段自主学习之后在课堂上对所学知识进行讨论或实验[11]，是一种自主性非常强的学习模式。但在中国的教育实践中，翻转课堂却显示出“水土不服”的特点[10]，这是由于翻转课堂对学生的自主学习依赖程度很高，如果学生没有正确的学习态度与效果，那么后续的课堂讨论就难以实施，就达不到翻转课堂的预期效果。SPOC作为小规模的教学方法，在学生的选取过程中具有筛选性[12]，使得学生的知识水平和专业素养差距不大，从而使教师可以更有针对性地进行学习引导，实现不同学生的个性化教育。
制图类课程目前普遍存在内容多、学时少、课程应用性强、机械专业和非机械专业学生学习需求差异大的情况。基于SPOC的制图类课程构建，首先需要针对不同专业选择不同的适合开展SPOC教育的知识点。制图类课程中并非所有的知识点都适用于翻转课堂。比如画法几何部分的国家标准的讲解，属于需要严格遵守的标准，很难将其作为学生讨论的内容。因此，本文针对“组合体构型设计”这一部分内容，结合机械专业和非机械专业的不同情况，分别介绍基于SPOC的翻转课堂教学改革探索。
三、教学设计
在学习完组合体的绘图读图之后，学生对组合体有了基本的了解。由于构型设计多为讲述性知识点，因此适用于建设视频课程，以方便学生自学和反复学习。针对组合体构型设计这部分内容，我们通过对知识点进行整理和编排后制作了视频课程，并在公共平台进行发布，要求学生在课下自学。由于教学大纲对机械专业和非机械专业学生学习的要求不同，因此我们在视频课程中布置了不同的作业方式。课堂上要求学生运用从视频课程所学习的内容，以小组的形式设计构型一个符合作业要求的组合体。教师在小组讨论中给予必要的解答和帮助。其教学具体设计如图1所示。
四、构型过程
学生在学习了组合体构型设计视频课程之后，就可以开始初步的构型设计了。本次教学改革以小组（每组五人左右）为单位进行，并针对机械专业和非机械专业进行了不同的任务布置。
（一）机械专业的构型设计过程
机械专业学生所学习的机械制图课时较多，基础知识掌握较为扎实，而且同时开设的计算机绘图课程，使学生能够获得一定的三维软件使用经验。因此对其组合体构型设计的要求为“由给出的基本体：四棱柱、三棱柱、圆球和圆柱，如图2，以小組为单位，经过合理的叠加、切割等构型设计不同组合体，并且建立三维模型、绘制二维工程图”。
学生在自由分组之后按照要求讨论、构型设计组合体，并且通过草图把组合体的形状表达出来。教师发现大多数组都是通过轴测图表达设计想法，这是因为跟正投影绘制出的三视图相比，轴测图更能直观地表达组合体的形状。在小组讨论的过程中，教师主要起监督作用，先不要干涉学生的讨论活动，也不要对学生构型的模型进行批判和指正。如果发现有不对的地方就先记下来，然后引导学生在后续的建模中自行发现并改正错误。
学生在小组讨论后通过Solidworks软件完成组合体三维建模。这个建模过程本身就是对组合体的一个检验过程，构型中的部分错误会导致建模不成功，因此教师对机械专业学生应以引导为主，减少干涉，让学生有个“发现问题—重新构型—解决问题”的独立思考和讨论过程，只在学生寻求帮助时给予必要的解答和支持。部分机械专业学生的组合体构型设计作品如图3所示。 （二）非機械专业的构型设计过程
非机械专业学生因工程制图课时少而缺少空间思维能力，也没有学习过二维、三维绘图软件。因此对非机械专业学生的组合体构型设计要求为“以小组为单位，由不少于三个基本体，经过合理的叠加、切割等，构型设计不同组合体。小组间随机交换草图，根据草图制作黏土模型，并采取合理的表达方法，绘制组合体的工程图”。
非机械专业学生由于工程制图课时有限，平时绘图练习机会不多，因此其所构型的草图出现的错误较多。这时教师就不能像对待机械专业学生那样以监督为主，而要对每组的草图进行检查和纠正。如图4（a）中所示，这组学生构型的草图以三视图来表达，但其中缺少定位尺寸。图4（b）中草图尺寸缺少直径符号，缺少剖视后方的轮廓线，而且再设计时出现了点接触。
教师对学生的草图进行批改和修正之后，小组之间随机交换草图，由不同的组通过黏土制作模型，校验构型设计的正确性。之所以小组之间要进行交换，一是因为学生存在思维定式，不容易发现自己的错误;二是防止学生为了方便完成黏土制作和画工程图，故意构型设计简单的组合体。构型设计不合理或者尺寸标注不全面的草图，就会影响黏土模型的制作。模型制作组的学生可以对草图不正确的地方进行更改和记录并在后续答辩时指出。
黏土模型制作成功后绘制组合体的工程图。部分学生作品如图4所示。从图中可以看到，学生在绘制工程图时很容易重复草图中的错误，如图4（b）。这是因为学生认为老师已经批改过草图，所以就不再进行独立思考，直接抄图。学生缺乏独立思考习惯与质疑精神，这也是现在大学教学需要探讨解决的问题。因此在之后的班级构型设计时，笔者都要求学生用轴测图进行表达，如图4（c）所示。进行工程图绘制的学生需要自行思考，采取合适的表达方式进行绘图。
五、学生互评
学生完成对组合体构型的设计后还需要教师对各个作品进行整理、分析、讲解。
对于机械专业学生，每组学生自己制作PPT，并推荐一名学生在课堂上通过PPT讲解构型方法以及展示三维模型和二维工程图。学生讲解之后由教师点评，指出草图、模型和工程图存在的错误，比如图3的工程图缺少中心线。此外，教师可以针对构型设计的组合体拓展知识面。如图3（a）中，三棱柱和圆柱相交，图3（b）中三棱柱和半球相切，教师在点评作品之后可以针对三棱柱的相交和相切中交点和切点的不同画法进行讲解，巩固课程中“组合体绘图”的知识点。
对于非机械专业学生，教师对草图、模型和工程图进行拍摄并制作PPT，在课堂上首先由构型草图组的学生上台讲解构型思路，然后由模型制作组的学生指出在模型制作过程中发现的草图所存在的不合理处。通常情况下都是草图缺少必要的尺寸，使得模型无法准确制作，也有些点接触、面接触等不合理处，最后由教师讲解工程图的绘图错误。
上述讲解之后，教师针对构型设计要求以及作品的难易程度，通过多媒体教室的“雨课堂”，由学生通过手机对每个小组的构型设计作品进行实时匿名投票。要求每个学生选择三组进行投票。之所以要求选择三组，是因为从心理学上考虑，大部分学生在除了给自己组的草图和自己模型组投票后一般会选择构型设计真正好的作品。
教师通过对组合体构型设计这一内容进行教学改革，发现学生对新教学模式普遍持积极参与的态度。从两个合堂班级的投票结果发现，相较于传统的教学模式，82%的学生更认可SPOC的教学模式。这也给其他内容和课程的教学改革提供了参考。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 汤晓燕，云忠 . 面向工程教育专业认证的课程教学改革：以工程图学课程为例[J].大学教育，2019（5）：69-71+78.
[2] 孟祥宝，王彦鹍，董正荣.基于两面投影为全等几何图形的组合体构型设计[J].图学学报，2018（3）：599-604 .
[3] 秦健.机械制图组合体的构型设计探讨[J].装备制造技术，2008 （2）：78-79+82.
[4] 高悦.关于组合体构型设计的原则和类型[C]//第十四届全国图学教育研讨会暨第六届制图CAI课件演示交流会论文集（上册），2004：281-285 .
[5] 任洁. 应用型本科院校工程制图教学研究[J].西部素质教育，2018（22）：132-134 .
[6] 费少梅， 王进， 陆国栋. 信息技术支持的 SCH-SPO在线教育新模式探索和实践 [J]. 中国大学教学，2015（4）： 57-60.
[7] 曾明星，李桂平，周清平，等.从MOOC到SPOC： 一种深度学习模式构建[J]. 中国电化教育， 2015（11）：28-34+53.
[8] 贺斌，曹阳. SPOC：基于MOOC的教学流程创新[J]. 中国电化教育，2015（3）：22-29.
[9] 姜蔺，韩锡斌，程建钢.MOOCs学习者特征及学习效果分析研究[J].中国电化教育，2013（11）：54-59 .
[10] 徐碧波，李添，石希. MOOC、翻转课堂和SPOC的学习动机分析及其教育启示[J]. 中国电化教育，2017（9）：47-52+61.
[11] 薛云，郑丽. 基于SPOC翻转课堂教学模式的探索与反思[J]. 中国电化教育，2016（5）：132-137 .
[12] 陈然，杨成. SPOC混合学习模式设计研究[J].中国远程教育，2015（5）：42-47+67+80.
[责任编辑：庞丹丹]