圖學(xué)競賽對圖學(xué)教學(xué)改革和創(chuàng)新的推動

陳海波，陶 冶，吳慕春，黃文勇，張志超

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圖學(xué)競賽對圖學(xué)教學(xué)改革和創(chuàng)新的推動

陳海波1，陶 冶1，吳慕春1，黃文勇2，張志超3

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程基礎(chǔ)教學(xué)與訓(xùn)練中心，廣東 廣州 510642；2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)教務(wù)處，廣東 廣州 510642；3. 北京天正軟件股份有限公司，北京 100081)

結(jié)合華南農(nóng)業(yè)大學(xué)實際情況，探討了“高教杯”圖學(xué)大賽對圖學(xué)教學(xué)改革和創(chuàng)新的推動。從課程體系、教學(xué)資源、教學(xué)模式、實驗室建設(shè)以及教師教學(xué)科研能力方面進行了闡述，在課程體系方面構(gòu)建了基礎(chǔ)課程和綜合提高課程相結(jié)合的工程圖學(xué)課程體系，在教學(xué)資源方面建設(shè)和優(yōu)化了基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的教學(xué)資源，在教學(xué)模式方面試行了基于漸進式階段項目教學(xué)學(xué)習(xí)模式，在實驗室建設(shè)方面加強了硬件現(xiàn)代化及開放式學(xué)科競賽實驗室建設(shè)，在教師能力方面闡述了大賽對教師教學(xué)、科研和教改能力的提升。根據(jù)高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程的建設(shè)精神，以“高教杯”圖學(xué)競賽為契機，將課堂學(xué)習(xí)和課外實踐相結(jié)合，不斷探索有利于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的圖學(xué)教學(xué)改革。

大賽；工程圖學(xué)；創(chuàng)新；教學(xué)改革

“高教杯”全國大學(xué)生先進成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模創(chuàng)新大賽(簡稱“高教杯”圖學(xué)大賽)是由教育部高等學(xué)校工程圖學(xué)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會、中國圖學(xué)學(xué)會制圖技術(shù)專業(yè)委員會、中國圖學(xué)學(xué)會產(chǎn)品信息建模專業(yè)委員會聯(lián)合主辦的國內(nèi)圖學(xué)類課程最高級別的“國家級”賽事，大賽的理念注重基礎(chǔ)、注重前沿，目的是以賽促教，以賽促學(xué)，全面提高大學(xué)生圖學(xué)技能，為中國制造業(yè)的發(fā)展催生和助長大量優(yōu)秀人才。截至今年，該競賽已舉辦9屆，其影響規(guī)模、競賽水平受到全國眾多高校及工科類院校的重視和認(rèn)可，被中國工程圖學(xué)學(xué)會盛贊是圖學(xué)研究、教育、實踐和改革上的創(chuàng)新[1]。如何有效培養(yǎng)工程技術(shù)人才的創(chuàng)新設(shè)計能力，提高工科畢業(yè)生的圖形表達(dá)、團隊協(xié)作和工程設(shè)計能力，是當(dāng)前工程圖學(xué)課程教研人員面臨的重要課題，依托“高教杯”圖學(xué)大賽這個平臺，通過幾屆的競賽前、競賽中培養(yǎng)、競賽后提升3個教學(xué)環(huán)節(jié)我校工程圖學(xué)課程教研團隊形成了以工程教育理念為指導(dǎo)，以培養(yǎng)學(xué)生工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力為目標(biāo)的工程圖學(xué)課程教學(xué)改革思路，積累了一些經(jīng)驗。

1 構(gòu)建基礎(chǔ)課程和綜合提高課程相結(jié)合的工程圖學(xué)課程體系

《工程圖學(xué)》是一門以圖形為研究對象，用圖形來表達(dá)設(shè)計思維的學(xué)科[2]。我國傳統(tǒng)的工程圖學(xué)教育內(nèi)容側(cè)重于空間圖形元素及其相關(guān)理論分析、投影規(guī)律與形體結(jié)構(gòu)想象、圖樣表達(dá)方式及其作圖方法等，教學(xué)模式上側(cè)重知識傳授、解題技巧和方法講解。隨著計算機技術(shù)及幾何造型技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)工程圖學(xué)逐步向研究產(chǎn)品信息描述、計算機繪圖的現(xiàn)代工程圖學(xué)轉(zhuǎn)變，教學(xué)模式上側(cè)重于培養(yǎng)形象思維和進行創(chuàng)新訓(xùn)練[3]。大賽內(nèi)容也隨之逐漸完善成為3項內(nèi)容，包括尺規(guī)繪圖，產(chǎn)品信息建模及工程圖繪制、自動生成，計算機虛擬設(shè)計作品賽。結(jié)合教育部2010年提出的《卓越工程師教育培養(yǎng)計劃的實施細(xì)則》，以強化工程實踐能力、工程設(shè)計能力與工程創(chuàng)新能力為核心，重構(gòu)課程體系與教學(xué)內(nèi)容[4]。我校對工程圖學(xué)的教學(xué)目標(biāo)進行了重新定位，在原有“至詳至悉”的圖學(xué)理論和“皆中規(guī)度”的繪制技術(shù)規(guī)范下，研究如何充分利用現(xiàn)代化的信息技術(shù)手段進行工程設(shè)計能力、工程創(chuàng)新能力的系統(tǒng)培養(yǎng)?；谶@個新的目標(biāo)重構(gòu)了工程圖學(xué)的課程體系和教學(xué)內(nèi)容，見表1?；A(chǔ)課程面向所有專業(yè)，主要講授圖形理論基礎(chǔ)知識、圖形表達(dá)基礎(chǔ)知識和圖形思維基礎(chǔ)知識；訓(xùn)練手工繪圖基本能力、儀器繪圖基本能力和計算機繪圖基本能力，使得學(xué)生能較好地完成圖學(xué)大賽的前兩項內(nèi)容。綜合提高課程面向機械類、近機械類各專業(yè)，主要通過引入工程意識、工程素質(zhì)、構(gòu)形理念和設(shè)計理念，應(yīng)用圖學(xué)的基礎(chǔ)知識和基本能力，深入了解工程中、產(chǎn)品中的有關(guān)問題，側(cè)重培養(yǎng)提升學(xué)生的工程素養(yǎng)。在具體教學(xué)內(nèi)容上融入機械設(shè)計基本概念，將形體分析要求提高到結(jié)構(gòu)功能分析，將裝配結(jié)構(gòu)的規(guī)定表達(dá)方法提高到根據(jù)功能的結(jié)構(gòu)設(shè)計表達(dá)和裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性的要求，培養(yǎng)學(xué)生注重零件形體結(jié)構(gòu)和裝配結(jié)構(gòu)構(gòu)思的新穎性和創(chuàng)造性，突出基于功能的零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計和表達(dá)，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計表達(dá)能力和形體結(jié)構(gòu)創(chuàng)新能力，綜合提高課程的學(xué)習(xí)使得學(xué)生能較好的完成圖學(xué)大賽的第三項內(nèi)容。

我校6個工科學(xué)院15個與機械有關(guān)的專業(yè)，食品工程、包裝工程等專業(yè)，選取的基礎(chǔ)課程是工程制圖B(48學(xué)時)，主要講授圖形理論基礎(chǔ)知識、圖形表達(dá)基礎(chǔ)知識和圖形思維基礎(chǔ)知識，開展一些基本的尺規(guī)繪圖訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生三維想象力和工程制圖識讀與繪制技能；工業(yè)工程、家具設(shè)計等專業(yè)，選取的基礎(chǔ)課程是工程制圖A(64學(xué)時)，除了上面的要求外，還引入工程意識、工程素質(zhì)、構(gòu)形理念和一些簡單的設(shè)計理念，在形體表達(dá)的細(xì)節(jié)上給予更多的分析、實踐,讓學(xué)生能讀、能畫較為復(fù)雜的工程圖；機制、機械化與自動化、車輛、交通等專業(yè)采用的是畫法幾何與機械制圖(64學(xué)時)+綜合提高課程(80學(xué)時)，其更多地是融入了結(jié)構(gòu)功能分析、構(gòu)型創(chuàng)新思維、機械設(shè)計基本概念、動手能力、計算機虛擬設(shè)計、計算機圖形表達(dá)等，此過程與圖學(xué)大賽的內(nèi)容完全匹配，近年來我校成績一直名列前茅(2016年獲團體一等獎)。

表1 《工程圖學(xué)》課程體系

2 建設(shè)和優(yōu)化基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的教學(xué)資源

隨著知識經(jīng)濟的快速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)+教學(xué)資源通過內(nèi)容的層次性、形式的生動多樣性和過程的交互性讓學(xué)生更加積極主動地參與課程學(xué)習(xí)，為了更好地發(fā)揮其作用，在建設(shè)和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源時需注重與課程體系的呼應(yīng)；注重內(nèi)容形式的多樣性；注重使用者的參與度以及過程的交互性。具體做了3方面的工作：①虛擬實驗室，基礎(chǔ)課程方面有虛擬模型庫及其對應(yīng)的二維圖形庫、典型零件、典型機器或設(shè)備、組合體模型、多媒體動畫庫；綜合提高課程方面包括零件測繪操作、視頻動態(tài)拆裝模型測繪庫、與本行業(yè)相關(guān)的機器或設(shè)備的加工制造過程、組裝過程的視頻、裝配仿真視頻等；②網(wǎng)絡(luò)在線系統(tǒng)，基礎(chǔ)課程方面的內(nèi)容有多媒體課件庫、名師講課視頻、計算機繪圖培訓(xùn)教程，重難點視頻教學(xué)庫和計算機輔助答疑系統(tǒng)，其系統(tǒng)包括各種題型分析、解題指導(dǎo)、例題等；綜合提高課程方面的內(nèi)容有機械設(shè)計案例等視頻資源。③介紹工程領(lǐng)域前沿技術(shù)和知識，如３Ｄ打印技術(shù)、國外高科技生產(chǎn)加工視頻庫等。

3 試行基于漸進式階段項目教學(xué)學(xué)習(xí)模式

傳統(tǒng)的工程圖學(xué)課程教學(xué)模式注重教師的教授環(huán)節(jié)，以講課為主輔助大量習(xí)題作業(yè)，耗費學(xué)時多，學(xué)生負(fù)擔(dān)重，但實際教學(xué)效果并不理想[5]。如何使學(xué)生能夠更快、更好以及更輕松地學(xué)習(xí)和掌握圖學(xué)基本知識，并且具備強大的思維力、表達(dá)力、工程實踐能力、工程設(shè)計能力與工程創(chuàng)新能力。圖學(xué)教學(xué)部教師通過總結(jié)圖學(xué)大賽中學(xué)生存在的問題，同時借鑒國內(nèi)外同類課程的成功經(jīng)驗，試行了基于漸進式階段項目教學(xué)學(xué)習(xí)模式[6-7]。整個項目的總目標(biāo)是完成產(chǎn)品圖樣，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的進度采用漸進式模塊劃分為4個子項目，分別為零件的構(gòu)形設(shè)計、零件的視圖表達(dá)方案、零件的技術(shù)要求以及零件的裝配。每個子項目有單獨的目標(biāo)，但在內(nèi)容上又互相聯(lián)系，層層推進，項目模塊設(shè)計如圖1所示。項目式教學(xué)模式以實踐為導(dǎo)向，教學(xué)組織形式以分組和集中討論為主，教師適當(dāng)加以引導(dǎo)和評價，表現(xiàn)形式注重多樣性和創(chuàng)新。

圖1 漸近式階段項目的模塊設(shè)計

在課堂教學(xué)模式的探索中，結(jié)合圖學(xué)大賽的教學(xué)理念，引入了設(shè)計概念、學(xué)科前言知識及現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)。其一，通過引入設(shè)計過程和方法，在傳統(tǒng)的圖學(xué)課程內(nèi)容中不斷融入工程學(xué)、設(shè)計學(xué)、創(chuàng)造學(xué)以及對產(chǎn)品全生命周期概念等相關(guān)內(nèi)容，并且不斷加以更新，促使學(xué)生加深對本課程、對零部件結(jié)構(gòu)與功能及對圖形表達(dá)等的全方位理解。其二，結(jié)合當(dāng)前科學(xué)技術(shù)發(fā)展的水平，將工程圖學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)與計算機圖形學(xué)、計算機輔助設(shè)計、工程圖樣智能理解等學(xué)科前沿結(jié)合起來，形成一個制圖為設(shè)計服務(wù)、制圖與設(shè)計融合、以培養(yǎng)創(chuàng)新設(shè)計能力為主線的工程圖學(xué)課程體系。其三，在教學(xué)中，將傳統(tǒng)教學(xué)與多媒體教學(xué)模式有機地結(jié)合起來。如對于教學(xué)中的重點和難點，傳統(tǒng)方法配合采用多媒體三維模型和視圖，必要時演示動畫，大大降低學(xué)生的理解難度，提高學(xué)習(xí)效率[8]。教師需要根據(jù)自己的授課特點、授課對象，深入鉆研教材，結(jié)合其教學(xué)理念、教學(xué)環(huán)節(jié)安排等諸多因素設(shè)計制作具有個性化特點的課件。

4 加強硬件現(xiàn)代化及開放式學(xué)科競賽實驗室建設(shè)

實驗室的規(guī)模數(shù)量和硬件水平是促進和提升實踐教學(xué)效果的基本保障。在實驗室建設(shè)中做了以下工作

(1) 完善模型測繪實驗室。教學(xué)模型是工程圖學(xué)課程不可缺少的，學(xué)生可以用模型室的構(gòu)形積木進行自主的創(chuàng)造性構(gòu)形設(shè)計，通過設(shè)定包含圓柱、圓錐和球體等曲面立體在內(nèi)的基本形體，結(jié)合截交、相貫等形式，確定合理的表達(dá)方案，并將所設(shè)計的結(jié)構(gòu)繪制出圖樣，在此基礎(chǔ)上還可以用AutoCAD等軟件學(xué)習(xí)三維建模。二維測繪是維修機器、革新設(shè)備和進行技術(shù)交流的一項重要的技術(shù)工作，也是工程技術(shù)人員必備的基本技能之一。學(xué)生在對測繪對象進行充分的結(jié)構(gòu)分析和功能分析后，對部件進行系統(tǒng)的拆卸、測量、繪圖和重新組裝，是一種從實物到圖樣的反求過程，在這個過程中既鞏固了工程圖學(xué)中零件表達(dá)、尺寸標(biāo)注等重要的基礎(chǔ)知識，同時也使學(xué)生初步接觸和了解了工程設(shè)計理念和設(shè)計構(gòu)成。

(2) 增設(shè)3D測繪等先進技術(shù)實驗室。3D測繪是對現(xiàn)有的機器或部件，通過觀察、了解和拆卸，使用先進的光學(xué)三坐標(biāo)測量儀測量機器或零件，得到其外部形狀及內(nèi)部構(gòu)造三維信息，并在計算機上重新建模，最后通過3D打印或其他制造技術(shù)將所測機器、零件復(fù)制出來的過程，是了解機械產(chǎn)品逆向反求的過程，通過3D測繪課程使學(xué)生熟練掌握應(yīng)用圖形軟件進行計算機測繪數(shù)據(jù)處理，提高產(chǎn)品數(shù)字化分析表達(dá)能力。

(3) 增設(shè)開放式學(xué)科競賽實驗室。“高教杯”圖學(xué)競賽的培訓(xùn)和指導(dǎo)工作一直由圖學(xué)教學(xué)部負(fù)責(zé)，培訓(xùn)工作室依托于中心的基礎(chǔ)實驗室。因基于圖學(xué)大賽教學(xué)理念和培養(yǎng)目標(biāo)，建立了開放式學(xué)科競賽實驗室，逐步添加適合學(xué)生競賽用途的制圖工具和儀器設(shè)備，逐步完善了實驗室安全管理條例、實驗室設(shè)備安全操作規(guī)程、開放式實驗室值班手冊等管理文件，形成了一套開放式學(xué)科競賽實驗室的管理運行機制。

開放式圖學(xué)競賽實驗室為學(xué)生參加課外各類成圖、建模和虛擬創(chuàng)新設(shè)計的訓(xùn)練和輔導(dǎo)以及開展創(chuàng)新實踐提供了必要的資源和平臺。其以兩種不同的模式運行，第一種模式針對圖學(xué)技能的訓(xùn)練和輔導(dǎo)，教師是主導(dǎo)者，負(fù)責(zé)實驗室的運行和管理。第二種創(chuàng)新模式主要針對開展創(chuàng)新實踐等需求，給予學(xué)生和教師自主預(yù)約的使用權(quán)利。圖學(xué)開放綜合實驗室只對候選參加圖學(xué)大賽的學(xué)生開放。

5 提升教師教學(xué)科研素質(zhì)和能力

通過參加“高教杯”圖學(xué)大賽，教師教學(xué)、科研和教學(xué)改革方面的能力也有很大的提升。

(1) 大賽對教師教學(xué)能力的提升主要表現(xiàn)在以下幾方面：第一，通過參與賽前指導(dǎo)、培訓(xùn)和賽后總結(jié)，教師的教育、教學(xué)理念得到提升，重新審視自己的學(xué)生，審視自己的職業(yè)價值，從而給自己重新定位，樹立新的學(xué)生成才觀；第二，更加重視自身教學(xué)水平與教學(xué)能力的提高，不斷優(yōu)化自身的知識結(jié)構(gòu)，提升專業(yè)技能和實踐能力；第三，針對圖學(xué)教學(xué)中普遍存在的課程學(xué)時不斷被壓縮，學(xué)生圖學(xué)技能基本功不扎實，空間表達(dá)能力和工程實踐能力弱化，教師們在比賽期間及之后針對該問題進行面對面及在大賽群里進行熱烈的交流，探索創(chuàng)新型圖學(xué)應(yīng)用人才培養(yǎng)模式。建立校際間的相互聽課、交流、學(xué)習(xí)機制，學(xué)習(xí)其他學(xué)校的經(jīng)驗，探索適合自己學(xué)校的教學(xué)模式。學(xué)生評教結(jié)果中，圖學(xué)教學(xué)部的2位青年教師在中心排名一直占居前三，有一位教師被評為校級教學(xué)名師。在近幾年圖學(xué)大賽中，學(xué)生都取得了團體二等獎，2016年又取得了團體一等獎的好成績。

(2) 科學(xué)研究和教學(xué)是“源”與“流”的關(guān)系，教師要得到可持續(xù)發(fā)展，必須開發(fā)“源頭活水”，通過科研又反哺教學(xué)，從而使教學(xué)與科研互動、互促。通過“高教杯”圖學(xué)大賽這個平臺，第一，青年教師能有機會與圖學(xué)領(lǐng)域的專家接觸、交流，了解本領(lǐng)域的最新研究動向；第二，工程圖學(xué)是一門工程基礎(chǔ)課，承擔(dān)這些課程的教師在申請科研項目時需要依托相關(guān)專業(yè)，圖學(xué)大賽有，機械、建筑、道橋和水利4個類別的團體賽，通過不同專業(yè)之間的交流，青年教師不僅開拓了視野，同時也能找到自己感興趣的研究點；第三，更加關(guān)注企業(yè)和行業(yè)的現(xiàn)實需求，探索具有現(xiàn)實意義或前瞻意義的課題；第四，加強了不同學(xué)校、不同地區(qū)、不同專業(yè)之間的交流與學(xué)習(xí)，增加了彼此合作的機會，促進了青年教師的快速成長。近年來，圖學(xué)教學(xué)部8位教師中，有3位青年教師主持國家級課題，其中2項是國家青年基金，有2位教師主持省級重點項目，其他3位教師也不同程度地參與到國家級和省級課題中。

通過科研又反哺了教學(xué)，教師也找到了課程改革的切入點，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程基礎(chǔ)教學(xué)與訓(xùn)練中心的圖學(xué)教學(xué)團隊在指導(dǎo)學(xué)生參加競賽的過程中，對已有的課程體系、教學(xué)方法、培養(yǎng)模式等進行反思，形成自己的教學(xué)見解，與時俱進，不斷開展工程圖學(xué)方面的教學(xué)改革，取得了如下成績；主持省部級教學(xué)改革4項，校級質(zhì)量工程1項，校級教改3項，其中1項教改成果獲校教學(xué)成果二等獎?！秷@林制圖》被評為校及精品課程，主編出版的《工程制圖》被評為省級精品教材；發(fā)表教改論文6篇。

6 結(jié)束語

“高教杯”圖學(xué)大賽為學(xué)生施展圖學(xué)技能提供了舞臺，也為圖學(xué)工作者提供了交流學(xué)習(xí)的平臺，對圖學(xué)教育教學(xué)起到了全方位的推動作用，促進了教師教學(xué)科研能力的提升，推動了圖學(xué)創(chuàng)新型應(yīng)用人才培養(yǎng)模式下《工程圖學(xué)》系列課程在課程體系、教學(xué)資源、教學(xué)模式以及實驗室建設(shè)方面的教學(xué)改革。以“高教杯”圖學(xué)大賽為契機，通過課堂學(xué)習(xí)和課外實踐相結(jié)合，將知識傳授與圖學(xué)人必需的思維力、表達(dá)力、工程實踐能力、工程設(shè)計能力與工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)有機結(jié)合，不斷探索有利于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的圖學(xué)教學(xué)改革，培養(yǎng)更多符合當(dāng)今企業(yè)需求的圖學(xué)人才。

[1] 襲建軍, 曲焱炎, 欒英艷, 等. 創(chuàng)建新型圖學(xué)實驗室以提高學(xué)生實踐創(chuàng)新能力[J]. 高教學(xué)刊, 2015(14): 163-166.

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The Promotion of Graphics Competition to Reform and Innovation in Graphics Teaching

CHEN Haibo1, TAO Ye1, WU Muchun1, HUANG Wenyong2, ZHANG Zhichao3

(1. Engineering Basic Teaching and Training Centre, South China Agricultural University, Guangzhou Guangdong 510642, China; 2. Academic Affairs Office, South China Agricultural University, Guangzhou Guangdong 510642, China; 3. Beijing Tianzheng Software Co., Ltd, Beijing 100081, China)

Reform and innovation in graphics teaching based on “Higher Education Cup” graphics competition is discussed from five aspects of curriculum system, teaching resources, teaching mode, laboratory construction and teacher’s teaching and research ability in this paper by using the case study of South China Agricultural University. In the aspect of the curriculum system, the curriculum system of engineering graphics was constructed which combined basic courses and comprehensive improvement courses. The “Internet +” teaching resources was builded and optimized in the teaching resources. The progressive stage project–based teaching was tried in the teaching mode. The hardware modernization was strengthened and an open subject competition laboratory was constructed. The effect of competition on the teacher’s teaching, scientific research and teaching reform is also expounded. According to “the undergraduate teaching quality and teaching reform project”, colleges should take “Higher Education Cup” graphics competition as an opportunity, combining with classroom learning and extracurricular practice to actively explore the reform of graphics teaching in favor of the cultivation of innovative talents.

competition; engineering graphics; innovation; teaching reform

G 642.0

10.11996/JG.j.2095-302X.2018010164

A

2095-302X(2018)01-0164-05

2017-04-13；

2017-06-15

2015廣東省教改項目(粵教高函173-135)；2017廣東省教改項目

陳海波(1973-),女，浙江余姚人，副教授，博士。主要研究方向為農(nóng)業(yè)工程。E-mail：huanongchb@scau.edu.cn