机械专业教学中知识可视化应用模式与实践研究

自改革开放以来，我国的经济水平不断提升，机械产业作为支撑国家经济发展的重要支柱，一直以来都被国家放在十分重要的发展地位。机械专业人才的培养作为向机械产业输送人才的主要方式，也一直被我国所重视。但是，随着时代的发展，无论是对人才需求的变化还是教育大环境的变化都对机械专业教学产生了较大冲击，整个专业教学现状都面临着改革与创新的新问题。知识可视化作为在信息时代发展起来的新兴研究领域，其目的就是促进人与人之间知识的传播与创新，而其在教育领域的应用研究一直以来被教育领域以及知识可视化领域的研究者所重视，研究者认为知识可视化能够在促进知识传递和创新的同时，还能够帮助知识的呈现。不仅如此，知识可视化还能够作为学习工具帮助学习者更好地进行知识体系的自主构建与创新，它的出现为我们对机械专业教学的改革与创新提供了新的研究视角。
1 研究背景
1． 1 信息时代的不断发展
在这个信息大爆炸的时代，信息化的飞速发展让知识和信息的随时随地共享成为可能，据联合国教科文组织统计，现有知识每年都在以10%的速度更新。可见，当今信息和知识的增加、更新、换代十分频繁。面对如此繁多并趋于碎片化的信息与知识量，如何将其不断梳理、分析和加工最后内化为自己的知识，是适应新的知识经济和信息社会的需要。
同时，不仅仅是信息和知识量在飞速地增长，随着社会科技的不断发展，呈现知识的形式也变得多种多样。人们不再单一地采用文字的方式来传递信息、传播知识，越来越多的信息被用以图片、动画、影像的方式来呈现，各式各样的画报、内容丰富的电视电影在我们的生活中随处可见。这不仅是因为技术的发展为视觉信息的生产与传播保驾护航，还因为可视讯号最为直观易感。相较于文字和声音，通过视觉得到的视觉图像更加使人记忆深刻，这表现在人们在阅读信息时，相比起纯文字信息人们对图文并茂的信息更为敏感，而当我们回想起一件事情时，往往脑海中显现的是一幅视觉画面而不是一串文字。
1． 2 机械专业教学的发展
在上个世纪八十到九十年代，机械工程专业人才的培养呈现两极化，对于中等职业学校专业的学生的理论学习要求不高，只要求学生从事机械单一的实践学习活动，出现了“师傅做一步，学生照着做一步”的现象，最终导致这类型的学生在进入实际生产、面对真正的生产实际问题时变得不知所措。运用直观性的视觉表征进行教学在机械课堂教学中由来已久，翻开任何一本机械专业的课本，我们都不难发现，里面有大量的图示、图表等视觉信息，这是机械专业本身的特点，而随着时代的发展，许多结合了知识可视化的教学方法，能够创造出直观的视觉化知识产品，顺应了机械专业对直观教学的需求，并且由于其易于理解和传播的优点，在机械专业知识的教学中逐渐崭露头角，引起了人们的关注。它帮助人们梳理大脑中混乱的、琐碎的知识，以结构化的形式重构并且表现出来，最终形成一个逻辑性强、条理清晰的知识体系，达到促进知识表达、传播甚至是创新的目的。这个过程中促进使用者进行有意义的学习，培养了他们的创造性思维能力，方便他们进行知识的再次学习和交流，这里的使用者，可以是教师也可以是学生。
2 机械专业教学现状及知识可视化对其产生的作用
机械设计制造及其自动化主要任务是运用先进设计制造技术的理论与方法，解决现代工程领域中的复杂技术问题，以实现产品智能化的设计与制造。如何将知识可视化与机械专业进行深度融合，首先应当了解机械专业本身的发展现状与存在的问题，从中讨论知识可视化能够为它带来怎样的影响与改变。
2． 1 机械专业培养目标及知识可视化对其的作用
知识可视化作为可视化领域发展的衍生领域，与可视化有着密不可分的关系，通过将知识可视化整合至机械专业教学，能够帮助学生更好地梳理和自主构建各类可视化信息与知识，帮助学习者跟上时代发展的脚步，这符合了机械专业培养目标中对学生的可视化信息处理能力的要求。
同时，要想达到拥有宽广的技术理论知识这一培养目标，必须要让学习者拥有符合自身特点的机械专业知识体系，知识可视化能够帮助学习者构建出系统的专业知识体系，同时简单明了的图示还便于学习者相互之间的交流，帮助学习者更快速有效地完善自身的专业知识体系。最后在知识可视化的应用过程中，对学习者学习能力、创新思维等学习综合素质的促进作用，也符合了培养目标中对于学生的培养要求，因此，从我国对于机械专业人才的培养目标的角度来看，知识可视化应用于其专业教学中是能够很好地贴合培养目标来发挥其作用的。
2． 2 机械专业的专业特点及知识可视化对其的作用
通过将机械专业特点进行详细地梳理，不难发现知识可视化能够在各个方面迎合了机械专业的特点: 第一，知识可视化帮助学习者更加直观和系统地学习、梳理机械专业中的设计知识，使其更全面地掌握设计方法、设计思路等，也符合了机械专业中“重设计”的特点。第二，知识内容丰富、涉及面广等特点导致了课程内容繁多的现象，通过运用知识可视化方法，能够将繁多的知识梳理成单个的单元，再将这些单元连结成一个大知识系统，细化学生学习专业知识的同时也帮助其产生对专业知识的概览，顺应了机械专业的特点。第三，知识可视化能够将知识进行适当地可视化处理，将纯文字的知识变为更加直观的、有条理、逻辑性强的图表图示。机械专业知识较强的图示性为知识可视化敞开了一扇大门，使得将知识进行图示化的处理变得更为简单与顺畅。
2． 3 机械专业教学目前存在的问题及知识可视化对其的作用
首先，课程设置不合理，课程内容繁杂主要属于教学管理者层面存在的问题，通过合理地选用知识可视化方法，将整个机械专业的课程从纵向、横向两个方面进行梳理和构建，能够形成清晰明了的课程体系，由于知识可视化方法直观、易于传播和交流等特点，使得机械专业的课程设置达到最优化。其次，在教育实施者层面，教师通过运用知识可视化方法首先对专业课程体系有一个全面的认识和理解之后，方能更好地开展教学活动。
最后，对于学生层面存在的问题，这种学习方法不仅能够帮助学生构建属于自己的知识体系，对专业知识有更好的把控和理解，其直观性的特点还能够帮助学生更贴近生产实际。
3 基于项目教学法的知识可视化教学模式
3． 1 教学模式基本框架的选择与构建
项目教学模式的基本步骤包括: 提出项目任务、分析项目和制定计划，实施项目计划、检查评估、项目归档和结果应用等五个步骤。以上为项目教学模式的基本教学过程，而教学前的准备则包括教学分析( 教材分析、学生分析、教学目标分析) 。根据项目教学模式的基本框架，结合知识可视化图示的构建思路，能够形成教学模式的基本框架。
通过教学前的教学分析，能够帮助知识可视化工具使用者根据具体的教材情况将本节课知识按照知识可视化工具表中的分类进行分类处理，应方便工具表的查阅和工具的选用，根据不同的知识分类，合适地选用知识可视化工具及其绘制思路。当确定需要选择何种知识可视化绘制思路及工具后即可根据具体的图示绘制思路来调整具体的教学过程，因此可将知识可视化工具的选择这一步骤放至教学分析之后，教学过程开始实施之前。知识可视化图示框架的基本构建需要绘图者对于知识有一个基本的了解与掌握，在项目教学法中，项目任务的提出、分析项目和制定计划这两个步骤能够让学习者对所学知识有一个大致的概览，因此应当将知识可视化图示框架的基本构建放在复习旧知之后，融入分析项目和制定计划这一步骤中，帮助学生对所要完成的任务形成一个大致的知识框架，使得后续任务的完成有孔可入。而对于知识可视化图示的进一步完善则可以在具体的项目实施中进行。因此，可以将这两个步骤进行融合，形成一个步骤，要求学习者在完成项目的同时丰富自己的知识可视化图示。项目教学法中的检查评估，不仅是对学生项目完成程度的检查，还方便学生在这一环节中对于所形成的知识可视化图示进行交流，以更进一步地完善自己的知识可视化图示。项目归档和结果应用这一步骤，也能够与知识可视化图示的检视与再应用思维结合。因此，通过将知识可视化图示的构建步骤与项目教学模式的融合，我们可以得到基于项目教学法的知识可视化教学模式，具体的步骤包括: 第一步教学分析，第二步知识可视化工具的选用，第三步( 复习旧知) 项目任务提出，第四步分析项目、制定计划以及知识框架的基本形成，第五步实施项目计划、完善知识框架，第六步检查评估、交流完善，第七步归档与结果应用。
3． 2 教学分析
教学分析包括教材分析、学生分析、教学目标分析等。这些都是每一个教师进行教学设计时必须要做的教学准备。教师通过对这些方面的分析，了解该节课程所处的课程地位、学生的知识准备程度、所需实现的教学目标、预想整个课程的教学效果。同时，通过结合教学目标、教材分析，教师可以将本堂课的知识进行一个系统的分类，即什么是事实性知识、概念性知识、程序性知识、动作技能性知识以及元认知知识，方便教师对于知识可视化方法有更准确的选用。
3． 3 知识可视化方法的选取
通过教学分析，教师已经对本节课知识进行了分类，接下来对各类知识进行可视化处理。教师根据不同类型的知识，在知识可视化工具表中找到该类知识所对应的分类区域，再根据不同的知识可视化复杂程度，来进行方法的选择。研究者建议一堂课程当中的知识可视化选取应该难易掺杂，且复杂的知识可视化方法选用最好小于等于两个，以减少教师和学生的教与学负担，在提高了教学质量的同时不给教育者和学习者增加额外的学习量。
3． 4 教学过程
基于项目教学法的知识可视化教学模式基本可以分为六个步骤，分别是: 复习旧知、任务提出、分析项目引入新知、实施项目计划，检查评估以及归档与结果应用。
首先在复习旧知阶段，教师通过利用之前的知识可视化图示或是具有知识唤起功能的知识可视化方法，将唤醒学生脑海中与本堂课程的知识相关联的知识，以便于学生更快地适应到本堂课的学习当中去，该步骤可以根据教学的具体情况进行适当安排，如果是连堂课的情况，为节约教学时间该步骤可以省略。第二步为项目教学法中的任务提出，该步骤主要是为学生创设真实的生产实际情境而设置，将学生的学习带入到现实生活中去能够帮助学生在毕业之后更快的适应实际工作状态。第三步为分析项目，引入新知。在此阶段教师需利用知识可视化图示可以不断拓展、完善的特点，提出包含基本新知识的知识可视化图示基本框架，在基本框架的形成过程中结合项目对新知识进行讲解。主要目的首先是增加学生的知识储备，降低学生完成项目的难度。其次通过构建知识图示的基本框架，引导学生进一步补充、完善图示，降低了学生选择和使用知识可视化工具的难度，减少了学生的学习负担。但这里值得指出的是，教师在课程准备阶段应当构建出完整的知识可视化图示框架，而在上课阶段只展示基本框架。第四步是项目的实施，学生在教师的引导下完善知识可视化图示的基本框架，形成自己的知识储备，再结合图示完成实际项目，达到理论结合实践的目的。本阶段根据教学内容的不同可以让学生分组或独立完成。第五部分为项目检查与评估，该阶段学生需要将自己生成的项目结果以及完成的知识可视化图示进行展示和交流。通过展示和交流让学生发现自身图示的不足之处，以进一步完善知识图示，以便于复习时使用。
3． 5 归档与结果应用
最后一步为归档与结果应用，在这一阶段教师和学生都需要对在本堂课生成的学习资料进行归档与审阅。学生在上课过程中形成的知识可视化图示最为直观地表述了学生对于本节课程知识的掌握情况，而项目作业则体现出学生的学习结果。通过分析这些生成的资料能够及时地了解到学生对于本节课知识的掌握程度，所得到的分析结果对于教师和学生来说都是非常重要的。首先，对于教师而言，及时的反馈便于教师进一步地完善整个教学设计，进而提升自己的教学质量。
其次，对于学生而言，可以从两个方面接收课程的反馈，一方面是教师的，一方面是同学的。通过师生之间的相互评价，学生能够从更为客观、权威的角度来审视自己的学习成果。但是教师的能力毕竟是有限的，因此学生通过生生互评能够更为细致地发现自己在学习过程中还有哪些没有注意到的地方，最终促进学生的学习与发展。此外学生还能利用生成的学习图示完成课后练习，进行能力拓展，或是尝试采用难度更大的知识可视化方法来对知识进行重新梳理。
4 结语
将知识的可视化教学模式应用到机械教学中，可以逐步实现教学环节的细化，让学生逐步认知每个教学环节，从而提升学生的自我实践能力。
结合文中提出的知识可视化工具以及机械专业的特点，提出了适用于机械专业教学，从而最终实现了教学实践能力的提升，也为后期的教学开辟了一个新的领域。