“元宇宙”视阈下环艺制图课程教学的实践与思考.pdf

2023 年第 9 期教育与装备研究课程教法内容细分,方便按照评价标准快速对照评价,实现评价量化。让学生学会用技术的视角观察世界,用技术的思维思考世界,用技术的语言表达世界,用技术的实践创造世界,进而提高学生技术意识、技术思维、技术素养,发掘图样表达的潜能,为创意物化打下基础。六、结语通用技术教学需要不断创新,与时俱进,不断更新教学方法和理念,让学生形成积极的内在学习动机,进而推动深度学习在高中通用技术学科的开展,实现学科的教育价值。参考文献:1 教育部.普通高中通用技术课程标准(2017 年版)S.北京:人民教育出版社,2018:4-6.2 徐金雷,顾建军.普通高中通用技术课程的设计与实施 基于课程标准修订的思考J.课程教材教法,2020,40(8):123-129.3 朱雯婧.技术与生活类通用技术课程中关于学生图样 表 达 能 力 的 思 考 J.新 课 程 导 学,2020(29):89-90.4 张浩,吴秀娟.深度学习的内涵及认知理论基础探析J.中国电化教育,2012(10):7-11+21.5 符吉霞,陈程.指向深度学习的高中化学单元教学设计研究 以“硫及其化合物”为例J.教育与装备研究,2022,38(7):28-33.6 任虎虎.指向深度学习的高中物理单元作业设计J.教育与装备研究,2023,39(3):18-21.7 刘月霞.指向“深度学习”的教学改进:让学习真实发生J.中小学管理,2021(5):13-17.8 王长艳,陈瑞雪.基于深度学习促进学科核心素养融合发展 以“Na_2CO_3 的水解及实验探究”主题学习为例J.教育与装备研究,2021,37(12):44-49.(责任编辑:邢西深)“元宇宙”视阈下环艺制图课程教学的实践与思考杨 杰摘要:元宇宙是人类科技发展的集大成者,同时把现代信息文明推向更加高阶的形态,元宇宙带来的信息化革命正在逐步颠覆传统的教育模式。文章以环艺制图课程为例,通过分析传统教学中出现的局限性,以数字化展示与增强现实技术为载体,构建了环艺制图虚拟仿真教学平台,形成了线上线下多元化的智能教学环境,实现了边学边娱乐的全新教学模式,培养学生的空间逻辑思维能力,促进了学生综合素质的提高,具有重要的前瞻性。关键词:元宇宙;教育信息化;环艺制图课程;虚实结合;资源共享中图分类号:G434文献标识码:A 杨杰,南京艺术学院传媒学院,在读博士研究生;南京市正德职业技术学院艺术设计与建筑工程系,副教授。本文为江苏省高校哲学社会科学研究基金项目“新形势下元宇宙对虚拟教育高质量发展的影响、趋势及应对战略研究”(课题批准号:2023SJYB0853)项目研究成果。一、研究背景 2021 年是元宇宙元年1。自从脸书改名为元宇宙以来,“元宇宙”这一新兴科技迅速点燃全球科技领域,众多国家、公司、研究机构及个人紧追风口,抓住时机布局,力求在未来占据34课程教法教育与装备研究2023 年第 9 期高地。元宇宙具有虚实同步、高度仿真、资源共享等特征,其沉浸式线上体验模式与“后疫情”时代的在线教学模式具有异曲同工之妙。元宇宙可以提供无限的想象和创造空间2,信息技术的进步给予了教育充足的“选项”3,目前教育元宇宙还处于可验证阶段,深度沉浸式教学、跨空间交流学习、虚实结合的协同方式等方面将会对传统教学产生重大变革。党的十八大以来,习近平总书记高度重视科技和教育事业发展,围绕科技创新和教育工作作出一系列重要论述。“科技兴则民族兴,教育强则国家强”4,因此,抢占元宇宙未来发展的先机与主动权,才能抓住新科技革命带来的科教协同创新、科技成果转化合作、推动产教研的全面融合。本文以环艺制图课程为例,分析该门课程在传统教学中存在着若干局限性,提出运用元宇宙技术来解决困境,通过验证与求证,最终构建出环艺制图虚拟仿真教学平台,实现“完整、高效、可视、便捷”的教学效果,线上线下混合式教学模式的贯通覆盖,运用多元化考核系统,培养学生形成空间逻辑惯性,运用元宇宙区块链理念形成的教学资源系统达到共赢,实现校内、校外与校企之间的多元化共享,具有重要的实验性、前瞻性。二、缺憾 传统教学中的“先天不足”环艺制图课程是高校环境艺术设计专业的一门基础课程,它是后续诸多专业课程的基础,同时也是训练学生把抽象的空间逻辑关系进行消解与重塑,培养大一学生认识图纸、熟悉图纸、绘制图纸的能力。由于传统教学中的局限性,学生存在空间想象力缺乏、教与学之间缺乏有效互动、课时量先天不足而无法课后补充等问题,导致长期以来,部分学生学习吃力、厌学等情绪,教学效果不佳。(一)二维转三维的知觉缺乏阿恩海姆认为:“所谓知觉,就是以那些具有相对说来较为简约性状的模态或式样,与刺激物达到一致。”5环艺制图课程的难点是培养学生二维知觉转换三维知觉的能力,即把抽象的二维平面图纸在脑中形成三维立体造型。这种转换能力需要经历长期的图像刺激训练。笔者通过调研与观察发现,班级中男生的转换能力普遍强于女生,爱玩三维游戏的学生优于不玩或只玩二维游戏的学生。归根结底由于三维游戏中的开放式空间与二维导引地图之间存在符号上的关联与互动,无法识别导引地图便难以进行游戏体验,这无形中锻炼了学生的空间转换能力。相反,空间认知能力较弱的学生,无法通过语言描述或手绘展示出三维空间的内外结构,这势必影响学生未来的职业技能。(二)教学课时缺乏环艺制图课程的教学任务重,知识点分散,同时还需兼课程思政教育,教学内容被进一步压缩,教师为保证理论知识的传授,势必在实践环节有所取舍,弱化了学生动手环节的能力。近年 来,国家全面 推行了“素质教 育五 项 工程”、“三全育人”等实施方案,力求加强意识形态教育,提高在校大学生的综合素质。公共基础课程与专业技能课程严重挤压了专业基础课程的课时量,环艺制图课程原本 4 个学分 64 课时被削减为 3 个学分 48 课时。在 48 课时中,任课教师需要保证课程中的 14 个章节内容全部讲授完毕。因此,学生的随堂绘画时间被压缩,甚至只能课后完成,绘制过程缺乏监督,导致作业效果无法达到预期。(三)教学联动缺乏环艺制图课程作为专业基础课程,以理论讲解为主,实践绘图为辅,理论课程过于抽象,因此学生学习主动性欠佳,教学联动缺乏,教学效果不佳。近两年来,因受到新冠疫情的影响,各大高校都采用线上教学模式,师生关系受到空间的隔阂,师生之间的沟通愈加陌生化,刻板化,学生的学习兴趣无法被全面调动。尽管国家全面推进了课堂信息化,投入大量资源建设了在线课堂、金课、微课等一系列信息化资源,取得了良好的效果。但是,传统课堂的教学关系一时之间难以打破,教学效果欠佳。(四)考核手段单一“考核在整个教学工作中起着指挥棒和标442023 年第 9 期教育与装备研究课程教法尺的作用。”6传统考核成绩是由出勤率数据、平时成绩数据与期末成绩数据组成,考核手段较为单一,缺乏系统化考核,已不适应信息化教育时代的考核标准。环艺制图课程目前的教学评价体系是通过 10%的学生到课率,30%平日单次作业分数与 60%结课考核分数构成。由此可见,结课考核数据是考核学生学习情况最重要的数据来源。然而,只有一次单一的考核难以全面、中肯的评价学生一学期的学习状况。另外,环艺制图过程中任何的细小错误都会导致最终成图的差异,目前的考核模式无法准确的定位到流程中出错的环节。三、对策 环艺制图虚拟仿真教学平台的设计目前,虚拟仿真是元宇宙的可视化技术,构建环艺制图虚拟仿真教学平台可以满足学生的心理需求,软件的功能特点、交互特点与娱乐特点,有助于全面落实“完整、直观、高效、便捷”的教学效果,建立客观、公正与综合的教学评价体系。(一)学生需求分析“人的需求具有丰富性、多变性,人的发展具有动态性、全面性。”7目前的大学生是成长于新千年后,此时的互联网处于高速发展中,出现了虚拟现实、增强现实、混合现实、数字孪生、甚至是现在的元宇宙技术,科技的发展让获取知识的途径与方法更加多元化,学生的需求也随之丰富与多变。因此,教学也应随之具有动态性与全面性。环艺制图虚拟仿真教学平台服务于大一环艺专业、室内专业与工程造价专业的学生,学生对新兴事物接受能力强、适应周期短,软件上手难度低,但学生缺乏空间结构的逻辑构思能力、对该领域的理论认知能力偏弱,并且在以往的求学阶段并未接受过施工图、建筑结构图等系统训练,因此,急需对知识系统中的空缺进行弥补。(二)功能需求分析目前,虚拟仿真是元宇宙的可视化技术,“借助近眼显示、感知交互、渲染处理、网络传输和内容制造等新一代信息通信技术,使用户沉浸体验,本质上是对人的感知和行为的数据化模拟和仿真,具有交互性、沉浸性和构想性的3I特性。”8智能手机已经是现代人生活与学习的必备工具,学生都有使用智能手机的经验,并且大部分学生都有手机游戏的娱乐体验,因此,他们对软件的交互性、娱乐性、智能性有心理预期。在国家政策推动下,教育领域相关虚拟仿真教学平台正在爆发式增长,但是由于是新兴产品,与课程完全配套的相关软件市场难觅,也缺乏相似的产品用于借鉴。因此,通过大量走访与调研,对搜集到的资料与信息进行梳理与归纳,整理出三方面需求。一方面,虚拟仿真教学平台需建立以学生为中心的教学模式,满足学生自主学习的乐趣,这符合当代年轻人“我命由我不由天”的心理,这势必颠覆传统以教师为中心的教学体系,真正落实了因材施教。另一方面,虚拟仿真教学平台需体现交互性、娱乐性、逻辑性与整体性。环艺制图知识点阐述需拼贴各种成熟的智能手机游戏的交互玩法。手机游戏中的各种玩法影响了电脑游戏,同时消解了键鼠的操作,重构了智能手机触屏的用法,这方面需要教师团队凝结集体智慧,还需借助游戏公司的外力。最后,考核模块的改革,虚拟仿真教学平台采用线上线下混合贯通式教学评价模块,实现师生与生生交流的无缝对接,课前预习、课堂学习与课后复习全方位覆盖,过程性作业与考核进行分阶段计分,能够准确定位考核错误的步骤,打破传统教学评价体系中,侧重最后期末成绩,学生“为了考试而考试”的错误观点,落实客观、公正、全面的评价。(三)环艺制图虚拟仿真教学平台系统设计环艺制图虚拟仿真教学平台的设计经过充分的走访与调研,分析数据后了解到师生的需求,依托增强现实技术进行平台设计。设计之初考虑运用 VR 虚拟现实技术作为基础,其画面效果与沉浸式体验是目前最好的视听感受。然而,VR 虚拟现实技术需要一定门槛的硬件设备,对于场地与电脑硬件有一定要求。另外,VR 虚拟现实技术目前还有诸多瓶颈未能突破,每秒传输的画面帧数不足所带来的视听体54课程教法教育与装备研究2023 年第 9 期感的变化,会导致部分使用者产生眩晕感,视觉接受的画面产生的拖影与掉帧会给用户视网膜带来剧烈的闪烁,长时间体验会有呕吐感等生理不适现象。画面分辨率难以达到现实画质,沉浸感较弱。通过梳理与归纳,环艺制图虚拟仿真教学平台系统基于普及率最高的智能手机硬件平台设计,通过手机摄像头实现图像识别,运用增强现实技术作为软件平台,提出了“以虚促实,虚实结合”的设计理念(见图 1)。图 1环艺制图虚拟仿真教学平台后台框架设计思路目前,手机硬件迭代迅猛,“手机、平板等移动终端设备的换机周期为 3 到 5 年,5 年之后,即便再系统级的优化,也难以弥补硬件性能损失,当设备运行不再流畅,换机就成为了大多数用户的选择。”9因此,根据市场主流手机、平板等移动终端设备的性能参数进行梳理与分析,设计出低中高三个版本的分辨率的软件,分别是 7201280、10801920、14402560,基本做到完美适配主流手机屏幕,部分非主流手机会出现些许屏幕拉升或屏幕边缘黑边现象,但不影响体验。用户按照权限等级分为普通学生用户、二级管理员教师用户与一级管理员三种。一级管理员每日维护平台数据、定期更新版本安全等级;教师通过后台数据库批阅学生日常作业与考核情况,针对学生的错误,作出标记供学生订正;学生上传作业与过程性数据便于教师批阅。四、改革 环艺制图虚拟仿真教学平台的构建环艺制图虚拟仿真教学平台基于移动互联网为平台,增强现实为技术手段构建的 APP 软件。平台系统针对教材中存在的知识点(见图2)入手,实现了三种用户权限的框架设计(见图 3),开发了“名词术语”“切片描述”“视频动画”“交互展示”和“图纸展示”模块。图 2环艺制图虚拟仿真教学平台后台框架设计思路(一)名词术语环艺制图虚拟仿真教学平台系统中的“名词术语”模块包含约定俗成的规范化名词术语,大量的专业术语需要学生理解记忆。名词术语是由英文单词的缩写拼贴而来,英文较差的学生掌握起来较为吃力。平台系统提供 3D建筑模型拆分与建筑模型图文标注的形式来解析透视图中的名词术语。如视点(EP)、视高(EL)、消失线(VPL)等等,再结合名词术语考核巩固知识点,主要形式有建筑模型、摄像机机位与名词术语的连线形式,或是通过模型寻找正确的名词术语,经过反复考核学生基本能掌握名词术语的正确用法。(二)切片描述环艺制图虚拟仿真教学平台系统中的“切片描述”模块分为投影图、剖面图和断面图,这是环艺制图课程中的核心知识点。切片这种做法源自于生物界观察细胞结构时,通过横切或642023 年第 9 期教育与装备研究课程教法图 3环艺制图虚拟仿真教学平台后台框架设计思路纵切得到的细胞切片,剖开建筑的切片是虚拟刀片,目的是沿指定方向垂直或水平切开建筑,便于观察建筑的内部结构。光线垂直或水平照射在目标建筑上留下的平面投影,称为投影图。建筑被虚拟刀片平面剖切开,留下来的部分通过平面正投影留下的投影图为剖面图。断面图则是虚拟刀片切开的建筑留下的部分进行剖切面和物体的断面投影。本次环艺制图虚拟仿真教学平台系统制作了九个切片模型。同时切片图是环艺制图课程中的重难点,传统教学较难直观呈现,教学效果不佳。学生访问“切片描述”模块,直观了解建筑切片中的投影图、剖面图和断面图的形成过程,帮助学生快速建立空间逻辑方面的思维惯性,举一反三。(三)视频动画环艺制图虚拟仿真教学平台系统中的“视频动画”模块采用现在年轻人热衷的二次元卡通角色形象讲授制图基础、建筑工程制图、室内设计制图、景观设计制图、透视图和轴测图重要章节的理论知识,所有的视频动画都采用 3D表现形式。任课教师在 STEAM 平台中运用FaceRig 软件生成二次元卡通角色,匹配真人教师的脸部五官,传输卡通角色面部表情的数据,赋予二次元卡通角色生命力。尼尔波兹曼认为“图像是你的娱乐的源泉。”10轻松诙谐的教学氛围容易调动学生的学习积极性,二次元卡通角色拉近了授课主体与接受客体之间的距离,视频动画通过发送弹幕进行交流与互动,符合当下学生观看视频网站发声的习惯。这种惯性在 Bilibili 等主流视频网站屡见不鲜,目前在教学平台中鲜有使用。(四)交互展示环艺制图虚拟仿真教学平台系统中的“交互展示”模块是人机互动形式的学习体验。教材中的平面图、立面图、投影图、剖面图和断面图通过 3D 建模而可视化,学生通过选取虚拟刀片进行水平或者垂直方向的切片,留下的建筑模型投影后形成最终图纸。交互流程可自由缩放、旋转与平移,交互步骤之间具有线性与逻辑关系,可根据个人需要自由选择需要学习的阶段,趣味性与交互性兼俱。(五)图纸展示环艺制图虚拟仿真教学平台系统中的“图纸展示”模块包含不同类型的数字图纸,其中分为平面图、立面图、投影图、剖面图和断面图,通过关键词检索功能,师生可迅速定位到所需的位置。另外,“图纸展示”模块提供了“比对作业”的功能,学生把已完成的图纸通过手机扫描上传至平台系统比对,该模块把学生作业半透明叠加在原图纸上进行匹配,自动生成准确比率,并利用红色线条标注出错误区域,便于学生进行修改与订正。教师定期更新数字图纸,丰富教学资源库,目前系统已有大小图纸2000 余张,并以每月 60 张的速度更新。五、实施 “虚实结合”教学模式的便利在教学实施过程中,学生利用碎片化时间通过手机摄像头扫描教材中的安装码进行软件安装,通过访问环艺制图虚拟仿真教学平台系统进行学习与交流(见图 4)。系统中不同的立体模型可用于了解其专业术语,点击分解模74课程教法教育与装备研究2023 年第 9 期型可学习其中的注释内涵,学生可以直观、便利的了解必备的知识点。了解建筑模型的内部结构可通过水平或者垂直切片的形式理解。系统中对于不同的建筑模型进行了水平和垂直切片处理,再利用虚拟灯光照射,在平面空间中产生出投影图、剖面图与断面图,学生可轻松了解不同图示产生的原理。系统中的二次元教师形象减弱了与学生的疏离感,以微课的形式,往往几分钟讲授完一个知识点,提高学生的学习效率。系统中的检索模块,便于学生最短时间定位课业中急需的图文资料。学生在完成以上四大模块的学习后,可进行实践环节的训练,实践过程可通过手机拍摄,或阶段性拍照,最后完成的课业扫描进系统进行匹配。最终比对率达到教师规定的范围为合格,而未合格学生需完成教师发布的订正作业后,再重新进入系统学习,直至通过为止。阶段性学习结束后,系统会生成学生学习报告书存档。教师可选取优秀的课业或案例发布至“讨论区”中的“精华帖”,供学生参考复习。图 4基于图像的增强现实目前虚拟仿真实验越来越完善,对教学的支持作用越来越大,但我们也要认识到真实实验的基础性作用和不可替代性11。在学习过程中,运用“虚实结合”的教学模式,学生利用碎片化时间通过移动互联网和移动平台在虚拟空间里娱乐学习两不误12,真正落实了“游中学、学中游”13,增加了学生对环艺制图课程的学习兴趣,促进了学生空间逻辑想象能力的培养(见图 5)。六、交互 “双线”混合“贯通式”教学模式的优势环艺制图课程依托环艺制图虚拟仿真教学平台,采用线上线下混合贯通式教学模式,实现了课前预习、课堂学习与课后复习教学过程的全覆盖14。平台提供了优秀的教学案例与学习资源库,针对每章节课程教师发布微课视频、课前任务书、课堂学习计划与课后作业任务,督促学生按时完成学习进度,在系统平台上实现师生交流和生生交流。(一)课前预习课前预习环节,教师在前次课程结束后上传下堂课的课前任务书至环艺制图虚拟仿真教学平台系统,指定学生学习线上微课视频,完成课前学习任务书中的知识点,学习重难点需要提前了解,上课时做到心中有数。课前任务书842023 年第 9 期教育与装备研究课程教法图 5“虚实结合”的环艺制图课程教学实施过程完成后提交发送到教师指定的“课前预习”模块。如果预习阶段遇到问题或者困惑,在“交流学习”模块中的“提问/答疑”中求助,专业教师或已完成学生及时辅导或解答。课前预习有时间节点,教师和班干部及时提醒或督促班级同学按时完成。(二)课堂学习经过课前预习,学生已经基本了解本次课程的学习任务与知识点,教师更多的是梳理学生在课前任务书中出现的错误和课程重难点中容易混淆的内容,分析错误案例极易加深学生的印象,巩固知识点。此时,教师以课前任务书为源点,举一反三,总结规律,再发布本节课程的课堂任务书,进一步深化知识点的难度与深度。课堂学习的总结环节,围绕环艺制图虚拟仿真教学平台系统的“三评”模式,学生分组自评、学生互评与企业专家线上点评,颠覆传统教学中教师主动、学生被动的教学模式以及课堂四步走(课堂导入、理论讲解、实践练习、课程小结)的教学流程。此时,教师扮演了学生的私人教练功能,引导学生的学习方向,学生依托环艺制图虚拟仿真教学平台系统自主学习。这种学习模式全面激发了学生学习的主观能动性,把教师从保姆型角色彻底解放出来,教师把更多精力与学识释放在教学设计环节,设计出层次分明的课前任务书与课堂任务书、微课视频的设计与制作,实现了教学的最佳模式。(三)课后复习课后复习是巩固课堂学习的最重要环节,传统教学的课后复习是被忽视的环节,主要体现在学生在完成课业过程中的问题与困惑,师生与生生交流上的缺失15。课后,教师与学生处于空间分离状态,这种疏离感造成交流不畅。环艺制图虚拟仿真教学平台系统提供了可视化的课业匹配功能,教师把课后作业发布于平台系统,课业类型包括单选题、多选题、填空题、连线题、判断题、手绘任务、主观题。学生按要求完成所有题型,手绘任务需要拍照上传自行进行匹配,匹配率达到教师规定的数据为通过,反之则进行修改。除主观题外,所有题型可及时呈现成绩报表,主观题需教师批阅后才有成绩。所有学生成绩批阅完毕,教师通过系统平台的数据库,直观了解到学生易错与卡顿的知识点,下节课重新巩固。另外优秀的课业案例可以发布到“交流学习”模块设为“精华帖”,作为今后的课业资料,供大家学习。七、共赢 教学资源的多元化共享环艺制图虚拟仿真教学平台系统依托新形态教材而开发,不仅用于校内教学资源共享,同时拉近了校际与校企之间的联系,形成了校内共享、校际共享与校企共享多元化共赢的良性学习交流生态圈。(一)校内共享的成效环艺制图虚拟仿真教学平台依托学校服务器搭建,学生利用校园网可安装使用,本专业或跨专业的师生都可以自主学习。平台中的“交流学习”模块提供了师生与生生开放式的线上交流渠道,教师可以现场直播、展示微课视频、教学资源分享等形式进行发布,师生可以随时随地在线上平台中发布弹幕进行实时讨论,发表见解与分享心得体会。跨专业学生通过“交流学习”模块可提出问题与困惑,通过虚拟气球的形式发送给所有人,增加学习热度与活跃94课程教法教育与装备研究2023 年第 9 期度,还可以通过“拜师系统”提供学生点对点的学习氛围。通过几个学期的试运行,教学资源愈加丰富,并在各级别奖项中屡有斩获。(二)校际共享的成效环艺制图虚拟仿真教学平台系统依托重庆大学出版社于 2021 年出版的新形态教材环境设计识图与制图 平台开发。目前,已服务于全国二十多所高校,通过后台数据库能够直观的查阅用户数据与用户反馈。期间,环艺制图虚拟仿真教学平台针对兄弟院校的师生提出的问题不断更新与修复,完善系统平台的硬件设备、软件质量、带宽速率,院校之间优势互补,优化融合,营造了良好的学习交流生态圈。(三)校企共享的成效环艺制图虚拟仿真教学平台系统中的教学资源高度与企业共享,为企业的岗前培训、岗位职责考核、工程师考证提供服务平台。学校已与签订校企合作的企业合作共赢,引进具有相关行业或企业背景的专家充实教师队伍,保障了校企合作之间的纽带,同时校企共建了环艺制图虚拟仿真教学平台中的“培训考核”模块,健全分责管理制度,实践环节严格按照企业管理方式和规范要求进行完善与修订。目前,企业员工定期分批组织线上学习与考核,力求全面提升企业员工的业务水平,取得了预期的效果。参考文献:1 赵国栋,易欢欢,徐远重.元宇宙M.北京:中译出版社有限公司,2021.2 刘俊波,张敏,文福安.元宇宙的教育价值及其理论基础J.教育与装备研究.2022(3):6-11.3 郭志强,王冬明,刘江燕.虚拟仿真实验室在中学化学实验教学中的应用探析J.教育与装备研究.2021(5):71-74.4 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