“工程圖學(xué)”課程教學(xué)改革的研究

薛小雯 蔡小華 朱 蕓

(江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122)

“工程圖學(xué)”作為一門技術(shù)基礎(chǔ)課程，主要研究如何用畫法幾何理論將三維實(shí)體表達(dá)在二維圖紙上，而二維圖紙是指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐的重要技術(shù)文檔,圖紙上的各種標(biāo)注、標(biāo)記可以培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐意識(shí)。課程的學(xué)習(xí)提高空間想象力，培養(yǎng)形象思維能力。

隨著3D技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件發(fā)展、無(wú)紙化生產(chǎn)等新技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)工程圖學(xué)的教學(xué)也帶來了沖擊，學(xué)生對(duì)該各個(gè)學(xué)校對(duì)工程圖學(xué)的教學(xué)改革做了有益的嘗試。從閱讀文獻(xiàn)發(fā)表情況來看，有些是從培養(yǎng)形象思維能力的角度出發(fā)[1-2]，對(duì)課程的培養(yǎng)模式進(jìn)行了改革；有些是從培養(yǎng)創(chuàng)新能力的角度出發(fā)[3-4]，對(duì)課程內(nèi)容和實(shí)踐環(huán)節(jié)的練習(xí)進(jìn)行了調(diào)整設(shè)計(jì)；有些是將現(xiàn)代三維造型設(shè)計(jì)與課程內(nèi)容有效融合，將三維設(shè)計(jì)思想引入到課程的教學(xué)中[5-6]。在教學(xué)方式上，傳統(tǒng)的“黑板+掛圖”方式已很少，大多采用CAI課件，有些以幻燈片為主[7]，有些用集成的網(wǎng)絡(luò)版[8]。對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)改革，如測(cè)繪周的教學(xué)目標(biāo)內(nèi)容[9-10]、試題庫(kù)的建立、作業(yè)的自動(dòng)批改等，也做了許多探討。有些學(xué)校結(jié)合國(guó)外教學(xué)[11-12]，從教學(xué)理念、突出能力培養(yǎng)和學(xué)生興趣等不同角度出發(fā)，對(duì)課程教學(xué)也做了改革嘗試，取得了一些成果。

綜上所述，“工程圖學(xué)”的教學(xué)改革主要從內(nèi)容的調(diào)整、教學(xué)方式的改變、教學(xué)手段的多樣化等多個(gè)方面實(shí)施。江南大學(xué)“工程圖學(xué)”的教學(xué)據(jù)此進(jìn)行了設(shè)計(jì)，首先明確課程的培養(yǎng)目標(biāo)：圖形的表達(dá)與繪制、空間形象思維能力培養(yǎng)、創(chuàng)造能力和工程實(shí)踐意識(shí)的培養(yǎng)。其中創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐意識(shí)的培養(yǎng)是最終的目標(biāo)。通過培養(yǎng)目標(biāo),調(diào)整了課程體系結(jié)構(gòu)、教學(xué)內(nèi)容，并結(jié)合現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)和教學(xué)理念對(duì)教學(xué)方法、教學(xué)手段進(jìn)行改革，同時(shí)對(duì)實(shí)施這一改革的主體——教師將提出更高的素質(zhì)要求。

1 課程體系、教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整

目前，對(duì)于課程體系的改革，主要有三種思想：(1)基礎(chǔ)平臺(tái)與綜合提高相結(jié)合的模式(融合式)。在運(yùn)用現(xiàn)代教育技術(shù)時(shí)，將三維 CAD 技術(shù)、構(gòu)形設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等新內(nèi)容融入“工程圖學(xué)”教學(xué)中，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生空間思維和構(gòu)形能力、創(chuàng)新能力、工程意識(shí)的培養(yǎng)。(2)分塊協(xié)調(diào)模式(分段式)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在第二學(xué)年按學(xué)生專業(yè)課程的深入情況，分別增加計(jì)算機(jī)輔助CAD 課程的學(xué)習(xí)，將工程部分與后續(xù)專業(yè)課結(jié)合。(3)課群融合式(大綜合)。將工程圖學(xué)與后續(xù)機(jī)械基礎(chǔ)課程(力學(xué)、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)等課程)大綜合。

江南大學(xué)采用融合式的教學(xué)思路，已在2013—2015年作了初步探索，從2016年開始正式實(shí)施新的教學(xué)計(jì)劃。教學(xué)分成兩學(xué)期，第一學(xué)期主要學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的畫法幾何理論、點(diǎn)線面體、立體的交線、組合體、表達(dá)方法、軸測(cè)圖、標(biāo)準(zhǔn)件常用件等內(nèi)容，同時(shí)將以前放在第二學(xué)期的AutoCAD軟件學(xué)習(xí)提前到這一期，共安排76學(xué)時(shí);第二學(xué)期主要學(xué)習(xí)零件圖裝配圖的繪制，同時(shí)學(xué)習(xí)三維軟件的使用及設(shè)計(jì)方法，共60學(xué)時(shí)。課程總學(xué)時(shí)136學(xué)時(shí)，理論學(xué)時(shí)88學(xué)時(shí)，實(shí)踐學(xué)時(shí)32學(xué)時(shí)，上機(jī)16學(xué)時(shí)。將課程的學(xué)習(xí)由原來大一兩學(xué)期的學(xué)習(xí)，調(diào)整為大一下學(xué)期和大二上學(xué)期，金工實(shí)習(xí)仍安排在大一的第二學(xué)期，這樣在第二學(xué)期課程內(nèi)容講解時(shí)學(xué)生對(duì)實(shí)體零件已有一些感性認(rèn)識(shí)。

教學(xué)內(nèi)容的改革是核心。受課時(shí)限制及現(xiàn)代三維設(shè)計(jì)在社會(huì)上廣泛應(yīng)用的需求，學(xué)校在內(nèi)容上做了以下調(diào)整：保留畫法幾何中和投影相關(guān)的主要內(nèi)容，刪減了求解空間點(diǎn)線面之間一般位置幾何問題(距離、角度)；在相貫線、截交線的教學(xué)中，刪減了偏貫、斜交等復(fù)雜立體求交線問題；刪減手工繪圖學(xué)時(shí)，將手工繪圖一部分改為草繪；引入三維軟件造型以求達(dá)到更好的效果；在組合體部分增加創(chuàng)新構(gòu)形設(shè)計(jì)，突出對(duì)學(xué)生形象思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；對(duì)零件圖和裝配圖部分的內(nèi)容也做了較大的調(diào)整，將三維設(shè)計(jì)思想及三維設(shè)計(jì)軟件使用引入，提高對(duì)產(chǎn)品的表達(dá)能力；零部件測(cè)繪部分的教學(xué)設(shè)計(jì)為綜合訓(xùn)練，從手工繪草圖練習(xí)到三維軟件繪零件及裝配體，再到轉(zhuǎn)化為工程圖并進(jìn)行適當(dāng)標(biāo)注，通過這些調(diào)整，以強(qiáng)化工程實(shí)踐能力、工程設(shè)計(jì)能力與工程創(chuàng)新能力。結(jié)合這些內(nèi)容的調(diào)整，學(xué)生作業(yè)方式的提交和教學(xué)方法也做了相應(yīng)改變，具體安排如表1所示。

2 教學(xué)方法與教學(xué)手段的實(shí)施

確定好教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，如何才能有效地實(shí)施呢？通過研究，課題組認(rèn)為可以從教材的選用、CAI課件的制作、實(shí)踐環(huán)節(jié)的改革、課外學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)的改革等多方面開展。

2.1 教材的制定與選用

教材作為教學(xué)的基礎(chǔ)性資源，不僅是知識(shí)的載體，更應(yīng)該體現(xiàn)教學(xué)理念、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容，是提高教學(xué)質(zhì)量的重要保證。目前,《工程圖學(xué)》教材從編寫的模式來看，大部分教材按圖學(xué)理論和機(jī)械制圖兩部分編寫，在編寫過程中，按教學(xué)目標(biāo)的不同，在順序上做了調(diào)整，有的以三維設(shè)計(jì)為主線，有的與機(jī)械設(shè)計(jì)系列課程融合等。從教材的內(nèi)容來看，對(duì)畫法幾何部分作了較多刪改，難度有所降低，機(jī)械制圖部分以培養(yǎng)學(xué)生的形體表達(dá)、讀圖能力、構(gòu)型設(shè)計(jì)、學(xué)生的創(chuàng)新能力為重點(diǎn)，對(duì)立體交線部分做了簡(jiǎn)化，與三維實(shí)體造型結(jié)合講解交線的生成和二維投影圖，計(jì)算機(jī)繪圖部分增加三維造型等內(nèi)容。

目前,機(jī)械類選用同濟(jì)大學(xué)《機(jī)械制圖》教材，該教材屬國(guó)家優(yōu)秀教材、規(guī)劃教材，與教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)順序一致。習(xí)題集選用自編的習(xí)題集，同時(shí)在學(xué)生的課外學(xué)習(xí)中，輔助選用校編教材，主要有蔡小華主編的《工程制圖》和蔣曉主編的《AutoCAD2014中文版機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)例教程》。三維設(shè)計(jì)軟件根據(jù)專業(yè)和教師不同，主要使用UG、Creo和SolidWorks等軟件。教材內(nèi)容中充分體現(xiàn)了教學(xué)思路，將實(shí)用性、創(chuàng)新性的觀點(diǎn)貫穿于其中，如蔡小華主編的《工程制圖》增加了徒手繪平面圖、繪軸測(cè)圖等內(nèi)容，它是現(xiàn)代設(shè)計(jì)中的第一步，同時(shí)也鍛煉了學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)表達(dá)能力；在講解點(diǎn)線面的投影及性質(zhì)時(shí)，直接將點(diǎn)、線、面放置在體上，使學(xué)生一開始就從體的角度出發(fā)學(xué)習(xí)，更符合認(rèn)知規(guī)律；在組合體部分，增加組合方式的類型，不只是疊加、切割，結(jié)合三維技術(shù)，還有拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠等方式，同時(shí)將構(gòu)形設(shè)計(jì)引入，這也是對(duì)學(xué)生發(fā)散思維和創(chuàng)造力的培養(yǎng)。這些教材內(nèi)容以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力為主線，提高學(xué)生的讀圖繪圖能力，能使教學(xué)目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。

表1 教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整

2.2 課堂學(xué)習(xí)CAI課件制作

課堂學(xué)習(xí)是學(xué)生掌握知識(shí)、教師實(shí)現(xiàn)教學(xué)任務(wù)的重要過程，課堂教學(xué)的靈活多樣可以使學(xué)生在同樣的時(shí)間內(nèi)掌握更多知識(shí)。

目前,大部分學(xué)校制圖課程已經(jīng)采用多媒體教學(xué)，教學(xué)課件中真實(shí)的立體投影、新穎的動(dòng)畫表現(xiàn)形式能使學(xué)生快速進(jìn)入三維立體空間，使學(xué)習(xí)直觀化和形象化，同時(shí)信息量大，在有效時(shí)間內(nèi)可以傳授更多的教學(xué)內(nèi)容。但是多媒體課件也有它的缺點(diǎn)，信息停留在學(xué)生大腦的時(shí)間短，記憶不深刻，學(xué)生作業(yè)效果差。傳統(tǒng)的教學(xué)，課堂用時(shí)多，信息量少，能引導(dǎo)學(xué)生一步步思考問題，熟悉解題的過程，對(duì)照實(shí)物模型的繪圖更加符合認(rèn)知規(guī)律，特別是對(duì)于想象力差的同學(xué)，更容易讓他們建立起空間概念，強(qiáng)化學(xué)生規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的徒手繪圖意識(shí)。

在課堂教學(xué)中，主要以CAI課件為主，除采用與教材配套的課件外，還自制幻燈片，主要以PowerPoint 為主，將教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)融入課件中?；脽羝淖?、圖形、動(dòng)畫于一體，平面圖用PowerPoint自帶的繪圖功能和AutoCAD軟件繪制，三維立體用AutoCAD 或UG等軟件構(gòu)建，動(dòng)畫用 Flash等軟件制作，創(chuàng)設(shè)一個(gè)靈活顯示教學(xué)內(nèi)容、實(shí)現(xiàn)互動(dòng)的學(xué)習(xí)情境，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性。如在截交線和相貫線的講解過程中，通過計(jì)算機(jī)建模后運(yùn)用交并叉集的方式形成立體的交線，再形成投影視圖，將這一過程做成動(dòng)畫，鏈接在幻燈片課件中，形象直觀，可在有效時(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)更多內(nèi)容；在工程圖教學(xué)部分，錄制部分典型零件加工過程，拍攝常見標(biāo)準(zhǔn)件及零件表達(dá)圖片，用于課堂教學(xué)中，可提高學(xué)生的工程意識(shí)。此外，在講解例題時(shí)，運(yùn)用黑板板書“+”實(shí)物模型的方式，實(shí)物模型直觀明了，板書的書寫過程是對(duì)問題的分析、解決過程，幫助學(xué)生更好地掌握知識(shí)。

2.3 實(shí)踐環(huán)節(jié)訓(xùn)練

在教學(xué)環(huán)節(jié)中，作為教學(xué)的另一主體——學(xué)生，如何有效地掌握所學(xué)內(nèi)容，完成既定的教學(xué)目標(biāo)，就需要在實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行合理安排，設(shè)計(jì)出行之有效的方案。

在練習(xí)方式上，主要有尺規(guī)繪圖、繪草圖、計(jì)算機(jī)繪圖。尺規(guī)繪圖主要用于習(xí)題作業(yè)的訓(xùn)練，掌握課程的基本內(nèi)容，熟悉國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。在作業(yè)內(nèi)容方面，與教學(xué)內(nèi)容同步；與改革前相比，除基本的知識(shí)點(diǎn)訓(xùn)練外，平面圖和軸測(cè)圖部分增加草繪練習(xí)；組合體部分增加一題多解、一形多種形成方式等構(gòu)形練習(xí)；表達(dá)方法和零件圖部分增加方案和典型零件表達(dá)方法強(qiáng)化等訓(xùn)練；CAD繪圖訓(xùn)練與課程進(jìn)度同步，熟練掌握CAD繪制二維圖。作業(yè)的合理安排可增強(qiáng)學(xué)生繪圖能力、空間思維能力的訓(xùn)練。

零部件測(cè)繪是機(jī)械制圖中培養(yǎng)學(xué)生能力必不可少的實(shí)踐環(huán)節(jié)，是學(xué)生對(duì)本課程所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用。零部件測(cè)繪以分組的形式進(jìn)行，測(cè)繪對(duì)象是齒輪油泵，在了解其工作原理后，要求先繪制草圖，然后采用計(jì)算機(jī)來繪制零件圖和裝配圖。這樣可以綜合訓(xùn)練學(xué)生的徒手繪圖和計(jì)算機(jī)繪圖能力。在繪圖過程中，將加工、工藝、設(shè)計(jì)理念等融合到測(cè)繪實(shí)驗(yàn)中，起到綜合訓(xùn)練的效果。

模型制作可以通過繪圖軟件三維構(gòu)型設(shè)計(jì)來完成，這樣既能訓(xùn)練學(xué)生的計(jì)算機(jī)繪圖能力，也能激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，進(jìn)一步開拓他們的想象空間，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)意設(shè)計(jì)能力。此外，選用教材中零件不多的銅球閥為例，先三維造型，并裝配成部件，然后轉(zhuǎn)換成工程圖，從視圖轉(zhuǎn)換到表達(dá)方案的選擇，加強(qiáng)表達(dá)能力和工程意識(shí)的訓(xùn)練。

除基本知識(shí)掌握外，增加的主要實(shí)踐環(huán)節(jié)訓(xùn)練內(nèi)容，如圖1所示。

圖1 實(shí)踐環(huán)節(jié)練習(xí)

2.4 課外學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)補(bǔ)充

除課堂教學(xué)外，為配合教學(xué)內(nèi)容的掌握，還制作了三維電子模型庫(kù)、構(gòu)形設(shè)計(jì)訓(xùn)練軟件和典型產(chǎn)品的加工錄像等作為課外補(bǔ)充。

三維電子模型庫(kù)采用Flash軟件制作，用Dreamwave合成，便于將來在網(wǎng)上瀏覽。三維電子模型庫(kù)主要制作了立體截交線、相貫線、組合體和表達(dá)方法四章節(jié)主要習(xí)題的動(dòng)畫，對(duì)學(xué)生快速建立空間概念起到幫助作用。每部分都設(shè)計(jì)一個(gè)界面，將這部分的習(xí)題列于其中，圖2是三維電子模型庫(kù)截交線部分的網(wǎng)頁(yè)，點(diǎn)每幅圖的文字就可鏈接各圖的flash動(dòng)畫，動(dòng)畫展示立體的形成過程并最終顯示立體的二維投影圖[12]。構(gòu)形設(shè)計(jì)訓(xùn)練軟件用VB設(shè)計(jì)主界面，有一題多解等訓(xùn)練題，選擇題、判斷題可在軟件界面中選擇，需要大量畫圖的題，可用VB調(diào)用AutoCAD，或直接打開CAD界面繪圖，如圖3所示。

圖2 三維電子模型庫(kù)

(a) 構(gòu)形練習(xí)主界面

(b) 組合體部分構(gòu)形練習(xí)

3 教師素質(zhì)的提高及考核體制的改革

教學(xué)改革的完成與實(shí)施都是由教師作為主體來完成的，學(xué)術(shù)生命是高校教師的第二生命?；A(chǔ)課教師隊(duì)伍，雖然也參加科研項(xiàng)，但受課程繁重、研究方向、現(xiàn)有考核體制等因素的影響，加上青年教師都是博士畢業(yè)到校，都有自己的專攻方向，造成制圖教師嚴(yán)重缺編。

創(chuàng)新和實(shí)施新的教學(xué)改革需要穩(wěn)定教師隊(duì)伍，一方面要減輕制圖教師的教學(xué)負(fù)擔(dān)，鼓勵(lì)并在政策上支持制圖教研室搞科研；另一方面要引入年輕教師參與教學(xué)和教研工作，從根本上穩(wěn)定教師隊(duì)伍，同時(shí)改革教師評(píng)價(jià)機(jī)制，通過改革績(jī)效評(píng)估機(jī)制，保證改革順利進(jìn)行和實(shí)施。

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)“工程圖學(xué)”教學(xué)目標(biāo)的制定和教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法立體化的改革，有效地提高了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，對(duì)學(xué)生思維、創(chuàng)新能力的開拓起到了很好的作用。實(shí)踐環(huán)節(jié)的綜合訓(xùn)練和課外學(xué)習(xí)軟件的使用，使得學(xué)生的工程實(shí)踐意識(shí)、形象思維和空間想象力得到了更好的訓(xùn)練。

[1] 陸國(guó)棟，孫毅.面向思維力、表達(dá)力、工程力培養(yǎng)的圖學(xué)教學(xué)改革[J].高等工程教育研究,2015(5): 1-7.

[2] 童秉樞.圖學(xué)思維的研究與訓(xùn)練[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2010, 10(1):1-5.

[3] 熊志勇，羅志成，陳錦昌，等.基于創(chuàng)新性構(gòu)型設(shè)計(jì)的工程圖學(xué)教學(xué)體系研究[J].圖學(xué)學(xué)報(bào), 2012,33(2): 108-112.

[4] 劉斌，吳雪，王晶，等.以實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心的工程圖學(xué)課程模塊化教學(xué)思考與探索[J].教學(xué)研究,2013，36(6): 97-101.

[5] 張京英，羅會(huì)甫.三維造型設(shè)計(jì)與工程圖學(xué)的有效融合[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報(bào),2010(6):151-154.

[6] 任麗娜，王林軍.基于三維構(gòu)型創(chuàng)新設(shè)計(jì)的工程圖學(xué)教學(xué)改革[J].甘肅科技, 2013, 29(19): 80-83.

[7] 國(guó)玉，蘭朝鳳. 機(jī)械制圖融合式交互課件研究與教學(xué)實(shí)踐[J]. 圖學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 36(6):960-965.

[8] 徐蘇燕. 在線教育發(fā)展下的高校課程與教學(xué)改革[J]. 高教探索, 2014(4):97-102.

[9] 楊莉，郝育新.工程制圖測(cè)繪周教學(xué)改革效果分析[J]. 圖學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 35(4): 603-606.

[10] 王淑俠.制圖系列課程實(shí)踐教學(xué)存在的問題及改進(jìn)措施探討[J].圖學(xué)學(xué)報(bào),2016, 37(4): 573-576.

[11] 朱科鈐，劉善淑.美國(guó)教授圖學(xué)課程短期授課的實(shí)踐及啟示[J].圖學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 36(2):622-625.

[12] 韓玉騰，薛小雯，王奇安.三維模型庫(kù)電子教具設(shè)計(jì)[J].無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào), 2016, 15(5):51-53.