新工科背景下的《工程制圖》課程改革

何嵐嵐 張海光 胡慶夕

（上海大學(xué)工程訓(xùn)練國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，上海市 200444）

一、引言

繼德國(guó)提出“工業(yè)4.0”，美國(guó)、日本、中國(guó)相應(yīng)提出“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”“工業(yè)智能化”“中國(guó)制造2025”，掀起了第四次工業(yè)革命的浪潮。為主動(dòng)應(yīng)對(duì)這一輪新的科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，2017年2月以來(lái)，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，支撐“中國(guó)制造2025”等一系列國(guó)家戰(zhàn)略，先后形成了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”，全力探索形成領(lǐng)跑全球工程教育的中國(guó)模式、中國(guó)經(jīng)驗(yàn)，助力高等教育強(qiáng)國(guó)建設(shè)?！靶鹿た啤保‥merging Engineering Education:3E）是基于國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)新形勢(shì)、立德樹(shù)人新要求而提出的我國(guó)工程教育改革方向?！靶鹿た啤钡膬?nèi)涵是以立德樹(shù)人為引領(lǐng)，以應(yīng)對(duì)變化、塑造未來(lái)為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來(lái)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才。它具有戰(zhàn)略性、創(chuàng)新性、系統(tǒng)化、開(kāi)放式的特征。對(duì)新工科的“新”可以理解為兩個(gè)方面:一是針對(duì)新興產(chǎn)業(yè)的專(zhuān)業(yè)，如人工智能、智能制造等；二是對(duì)傳統(tǒng)工科專(zhuān)業(yè)的升級(jí)改造。建設(shè)新工科并不等于一味增加新工科專(zhuān)業(yè)，更應(yīng)注重傳統(tǒng)工科的改革，它為新工科建設(shè)提供了重要基礎(chǔ)。機(jī)械工程是傳統(tǒng)的工程專(zhuān)業(yè)，在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中占有重要的地位，其人才培養(yǎng)課程體系的構(gòu)建也應(yīng)緊跟形勢(shì)，為國(guó)家培養(yǎng)工程實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型“新工科”人才。《工程制圖》課程是重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，對(duì)于《工程制圖》課程的改革也一直進(jìn)行著，如王熙雛等對(duì)電氣工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)的《工程制圖》課程進(jìn)行改革，從教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)模式和考核方式等進(jìn)行探討研究，制定了適合該專(zhuān)業(yè)的《工程制圖》課程模式，取得了一定的成效，提高了學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力；更多是探討針對(duì)該課程教育中存在一些具體的問(wèn)題從而改進(jìn)教學(xué)方式研究，注重學(xué)生的能力培養(yǎng)；穆志浩是順應(yīng)時(shí)代特征的《工程制圖》課程改革，該文提出工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證背景下的工程制圖課程改革，體現(xiàn)以學(xué)生為中心的教育理念，培養(yǎng)適應(yīng)區(qū)域發(fā)展和國(guó)際化需求的工程技術(shù)人才。新工科建設(shè)如火如荼，傳統(tǒng)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程更不應(yīng)該一成不變，特別是以往工程制圖的授課方式已經(jīng)出現(xiàn)一系列問(wèn)題:課堂主要是以老師主動(dòng)式傳授，學(xué)生被動(dòng)式接受，課堂多現(xiàn)“低頭族”，不符合新工科“以學(xué)生為中心”的理念；手繪幾張工程圖紙作為檢驗(yàn)課堂效果的標(biāo)準(zhǔn)，費(fèi)時(shí)效率低，跟不上計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）時(shí)代的步伐，并且與新工科重實(shí)踐的初衷相悖，學(xué)生在學(xué)完課程后進(jìn)入課程設(shè)計(jì)或畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)時(shí)，繪圖實(shí)踐能力欠缺，指導(dǎo)老師苦不堪言。因此針對(duì)以往《工程制圖》課程傳授存在的問(wèn)題，并且順應(yīng)新時(shí)代工程技術(shù)人員培養(yǎng)的目標(biāo)，提出了新工科背景下的《工程制圖》課程改革，將目前流行的CAD軟件-CATIA引入了工程圖學(xué)教學(xué)中，以全國(guó)大學(xué)生綜合能力競(jìng)賽命題小車(chē)為教學(xué)載體，完成三視圖、剖視圖、螺紋連接、零件圖、裝配圖等理論知識(shí)傳授，采用CATIA軟件經(jīng)歷從三維建模到二維工程圖紙的繪制等一系列流程，既完成了工程圖學(xué)理論知識(shí)的傳授，又培養(yǎng)了學(xué)生的計(jì)算機(jī)繪圖能力，而且將項(xiàng)目教學(xué)滲透到課程中，將競(jìng)賽命題作為一個(gè)課程大項(xiàng)目，學(xué)生需完成方案設(shè)計(jì)、圖紙繪制，很好地培養(yǎng)了學(xué)生的工程思維能力和實(shí)踐能力。此次改革內(nèi)容針對(duì)傳統(tǒng)專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課程，是新工科內(nèi)涵中典型的“舊瓶換新酒”類(lèi)型。

二、改革內(nèi)容

1.改革必要性

眾所周知，所有工科專(zhuān)業(yè)中，機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)對(duì)制圖課的要求最高，因此必須保證改革后的制圖課教學(xué)滿(mǎn)足專(zhuān)業(yè)目標(biāo)要求，順應(yīng)新工科形勢(shì)。

傳統(tǒng)的工程制圖課程覆蓋兩個(gè)學(xué)期，第一學(xué)期的內(nèi)容從投影的基本概念開(kāi)始，按照點(diǎn)的投影、線(xiàn)的投影、面的投影、基本立體投影、立體截交、立體相貫、立體組合(組合體)，形體表達(dá)方法，循序講授，這部分內(nèi)容偏理論；而第二學(xué)期的機(jī)械制圖部分包含三視圖、螺紋連接、齒輪、彈簧等零件知識(shí)和再裝配知識(shí)，這部分內(nèi)容注重應(yīng)用，與后續(xù)的課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)緊密相連，直接影響學(xué)生繪圖與看圖能力的培養(yǎng)。而以往的教學(xué)模式主要是講練結(jié)合，輔以大量的課外練習(xí)（計(jì)算機(jī)繪圖或徒手繪圖），沒(méi)有項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)或是整體案例規(guī)劃，缺乏對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維或項(xiàng)目實(shí)踐上面的訓(xùn)練，與新時(shí)代人才要求脫節(jié)，特別是新工科形勢(shì)下，對(duì)人才培養(yǎng)提出了新的標(biāo)準(zhǔn)，如果按照原有的教學(xué)模式教學(xué)，必然不能適應(yīng)人才培養(yǎng)的教學(xué)要求。因此本文針對(duì)第二學(xué)期的《工程制圖》課程內(nèi)容提出改革，將CATIA軟件作為繪圖工具，以全國(guó)大學(xué)生工程能力綜合競(jìng)賽命題的無(wú)碳小車(chē)為載體，如圖1、2所示（無(wú)碳小車(chē)爆炸視圖和裝配圖），實(shí)踐無(wú)碳小車(chē)的三維零件圖和裝配圖，并將理論知識(shí)穿插其中，學(xué)生應(yīng)該學(xué)的工程制圖基礎(chǔ)知識(shí)、三視圖、零件工程圖和裝配工程圖等知識(shí)點(diǎn)并沒(méi)有減少，并且新增加了從三維建模到工程制圖的正向設(shè)計(jì)流程，既完成了基礎(chǔ)課程的傳授，又培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，為培養(yǎng)實(shí)踐型和創(chuàng)新型復(fù)合新工科機(jī)械專(zhuān)業(yè)人才提供了途徑。

圖1 無(wú)碳小車(chē)爆炸圖

圖2 無(wú)碳小車(chē)工程圖

2.課程內(nèi)容

課程內(nèi)容以無(wú)碳小車(chē)為載體，包含常用的典型機(jī)械零件類(lèi)型和標(biāo)準(zhǔn)件，難度適中，非常適合做教學(xué)案例。無(wú)碳小車(chē)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，其中的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中有轉(zhuǎn)向軸、繞線(xiàn)輪、軸承等典型零部件，涵蓋了軸套類(lèi)零件（轉(zhuǎn)向軸）、盤(pán)類(lèi)零件（繞線(xiàn)輪）等大部分典型機(jī)械零件類(lèi)型以及螺紋連接件、軸承、齒輪、彈簧等標(biāo)準(zhǔn)件和常用件，將該學(xué)期的《工程制圖》的所有知識(shí)點(diǎn)（零件圖知識(shí)、標(biāo)準(zhǔn)件與常用件知識(shí)和裝配圖知識(shí)）展露無(wú)遺，通過(guò)案例的形式使理論知識(shí)傳授的更加生動(dòng)形象，有利于學(xué)生融匯貫通。

圖3 無(wú)碳小車(chē)知識(shí)結(jié)構(gòu)圖

將三維CAD技術(shù)引入了工程圖學(xué)教學(xué)中，使傳統(tǒng)工程制圖的理論知識(shí)與三維CAD的實(shí)踐技能很好的結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐教學(xué)的緊密結(jié)合。傳統(tǒng)工程制圖的理論知識(shí)與操作技能沒(méi)有很好的結(jié)合，學(xué)生通過(guò)空間想象生成工程圖，不但復(fù)雜而且容易出錯(cuò)。而改革后，學(xué)生可以通過(guò)CAD軟件三維建模過(guò)程理解典型零件的結(jié)構(gòu)，淡化了相貫線(xiàn)等知識(shí)難點(diǎn)，突出零件特征及制造工藝性等知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)將傳授通過(guò)三維模型利用圖學(xué)知識(shí)，生成工程圖，準(zhǔn)確清楚表達(dá)零件及產(chǎn)品信息的實(shí)踐能力。圖4為前輪上架的教學(xué)示例，學(xué)生可完成單個(gè)零件建模，前輪子裝配圖虛擬裝配，無(wú)碳小車(chē)總裝配，以及各個(gè)部分的工程圖，既能體現(xiàn)從建模到裝配的縱向知識(shí)又體現(xiàn)了從零件到工程圖、裝配到工程圖的橫向知識(shí)，這是傳統(tǒng)的制圖課程無(wú)法比擬的。

圖4 前輪上架教學(xué)實(shí)例

總的來(lái)說(shuō)，此次課程改革將通過(guò)無(wú)碳小車(chē)案例將工程圖學(xué)、三維建模裝配以及二維工程圖的繪制串聯(lián)起來(lái)，真正做到了三維建模貫穿于整個(gè)傳統(tǒng)的工程制圖教學(xué)中，使三維CAD技術(shù)很好地融合在工程圖學(xué)知識(shí)中。

三、實(shí)施過(guò)程

1.實(shí)施基礎(chǔ)

上海大學(xué)工程技術(shù)訓(xùn)練中心成立于1999年，是面向全校的綜合實(shí)踐教學(xué)基地，是國(guó)家級(jí)實(shí)踐教學(xué)示范中心。中心擁有普通切削、數(shù)控加工、加工中心等多個(gè)機(jī)加工實(shí)訓(xùn)室，并且也承接外協(xié)加工服務(wù)，聚集了一批制圖和工藝知識(shí)豐富的工程技術(shù)人才，此外，中心的CAD/CAM室在2014年與法國(guó)達(dá)索公司建立教育合作伙伴關(guān)系，成為中國(guó)首個(gè)CATIA V5認(rèn)證考試中心，具有深厚的三維CAD軟件基礎(chǔ)。因此將CATIA軟件與傳統(tǒng)機(jī)械制圖內(nèi)容融合，以CATIA軟件作為工具，將傳統(tǒng)的制圖內(nèi)容展現(xiàn)出來(lái)，是最合適不過(guò)的。最后，中心在國(guó)家和省級(jí)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力大賽上成績(jī)逐步上升，目前一直保持名列前茅的好成績(jī)，共獲得國(guó)家和省級(jí)訓(xùn)練大賽獎(jiǎng)項(xiàng)二十余項(xiàng)，因此可提供成熟的課堂案例素材，特別是對(duì)無(wú)碳小車(chē)的設(shè)計(jì)和制造已經(jīng)非常成熟，為課程內(nèi)容提供零件、裝配等整體素材，并將工程制圖的理論知識(shí)貫穿無(wú)碳小車(chē)始終。

2.教學(xué)方式

（1）團(tuán)隊(duì)授課，發(fā)揮特長(zhǎng)?！度S建模與工程制圖》授課團(tuán)隊(duì)既有理論基礎(chǔ)知識(shí)扎實(shí)、三維CAD軟件熟練的青年教師，又有幾十年制造經(jīng)驗(yàn)的工程技術(shù)人員，他們對(duì)圖紙表達(dá)方式的合理性以及工藝合理性等知識(shí)是通過(guò)幾十年的實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)積累下來(lái)的。因此課程以多人授課的方式，分工明確，針對(duì)自身擅長(zhǎng)的部分來(lái)專(zhuān)門(mén)授課。例如在傳授工藝特性在零件圖和裝配圖中的表達(dá)、產(chǎn)品技術(shù)要求及公差配合等知識(shí)時(shí)，由經(jīng)驗(yàn)豐富的工程技術(shù)人員完成，他們可結(jié)合加工案例，給學(xué)生講解工藝和配合知識(shí)，生動(dòng)形象，加深了學(xué)生對(duì)制造設(shè)計(jì)的印象。而三維建模及生成工程圖的軟件操作，則安排獲得達(dá)索公司全球認(rèn)證的CATIA機(jī)械設(shè)計(jì)模塊證書(shū)的青年老師來(lái)傳授，老師們會(huì)將自己的建模經(jīng)驗(yàn)和注意點(diǎn)及方法傳授學(xué)生，使學(xué)生學(xué)習(xí)CAD軟件操作事半功倍。而且在上課過(guò)程中，落實(shí)以學(xué)生為中心的理念，由一名老師主講，多名老師輔助教學(xué)，學(xué)生在練習(xí)操作過(guò)程中可以實(shí)時(shí)與老師交流互動(dòng)，使課堂知識(shí)高效吸收，效率大大提高。這樣的授課團(tuán)隊(duì)分工明確，取長(zhǎng)補(bǔ)短，授課效果明顯。

（2）理論課與實(shí)踐操作課穿插進(jìn)行，教學(xué)互補(bǔ)。將原來(lái)每周4學(xué)時(shí)的課程改成5學(xué)時(shí)，其中2學(xué)時(shí)為上機(jī)操作實(shí)踐，安排在3學(xué)時(shí)理論課后，學(xué)生可以在上機(jī)操作過(guò)程中理解先前講授的理論知識(shí)，并利用所學(xué)理論知識(shí)完成對(duì)工程圖的準(zhǔn)確表達(dá)，理論知識(shí)由實(shí)踐踐行和檢驗(yàn)，實(shí)踐操作由理論來(lái)支撐。學(xué)生能基本掌握基于三維CAD技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法和產(chǎn)品的圖形表達(dá)方法，綜合工程素養(yǎng)有較大提升。

三、考核方式

考核方式改變純理論知識(shí)的筆試，注重理論和實(shí)踐檢驗(yàn)，進(jìn)行全方位考核，分別從平時(shí)成績(jī)、隨堂上機(jī)實(shí)踐操作、理論知識(shí)筆試三個(gè)方面考核，所占比例分別為總評(píng)分的30%、30%和40%，如表1所示:平時(shí)成績(jī)由考勤和作業(yè)成績(jī)，其中還包一個(gè)大的項(xiàng)目作業(yè)，即創(chuàng)新設(shè)計(jì)一輛無(wú)碳小車(chē)，課程結(jié)束后上交。實(shí)踐操作考核穿插在平時(shí)的課堂中。分別設(shè)計(jì)兩個(gè)隨堂考核，一是從零件三維建模設(shè)計(jì)——零件工程圖的上機(jī)隨堂測(cè)試；二是考核一個(gè)自底向上的裝配三維設(shè)計(jì)——裝配工程圖的隨堂測(cè)試；理論知識(shí)考試形式為筆試，在學(xué)?？荚囍芙y(tǒng)一考核，由于增加實(shí)踐考核環(huán)節(jié)，因此理論知識(shí)考試所占比例由以往的70%降為40%。

此外，課程結(jié)束后，學(xué)生可自愿報(bào)名參加達(dá)索CATIA全球認(rèn)證證書(shū)，包含零件設(shè)計(jì)模塊、裝配模塊，通過(guò)考試者可獲得CATIA認(rèn)證考試證書(shū)，此證書(shū)為行業(yè)內(nèi)全球權(quán)威認(rèn)證，具備高含金量和實(shí)用價(jià)值。

表1 考核指標(biāo)分布與所占比例表

四、教學(xué)成效

課程改革首次在卓越工程師班試行，教學(xué)成果顯著，受到專(zhuān)業(yè)教師的一致好評(píng)，該模式成為學(xué)院的特色專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。其成果影響總結(jié)如下:

（1）學(xué)生由難以接受到喜愛(ài)的轉(zhuǎn)變。從一開(kāi)始學(xué)生認(rèn)為課程難，不知道從何學(xué)起，到最后對(duì)課程喜愛(ài)，特別是最終自己完成作品時(shí)的欣喜不言而喻。他們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)課程學(xué)習(xí)后，自己可以用CAD軟件去嘗試體驗(yàn)，大大提高了對(duì)學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的興趣。

（2）課程為大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽和機(jī)械創(chuàng)新大賽培養(yǎng)了實(shí)力競(jìng)賽選手。工程訓(xùn)練綜合能力、機(jī)械創(chuàng)新大賽等專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)的比賽學(xué)生都沒(méi)有底氣參與，經(jīng)過(guò)課程的訓(xùn)練后，該類(lèi)比賽報(bào)名人數(shù)增加50%以上。在2018年5月舉辦的第七屆上海市機(jī)械創(chuàng)新大賽，兩個(gè)班近百人均參加了該比賽，并且一組學(xué)生獲得了一等獎(jiǎng)。而全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽是納入中國(guó)高校創(chuàng)新人才培養(yǎng)暨學(xué)科競(jìng)賽教育部重點(diǎn)資助項(xiàng)目之一，中心非常重視。以往學(xué)生參與少，指導(dǎo)老師選人比較困難，經(jīng)過(guò)課程改革后，報(bào)名參加學(xué)生人數(shù)大幅度提升，為競(jìng)賽選拔人才提供了重要基礎(chǔ)。此次第八屆上海大學(xué)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽報(bào)名課程中比較優(yōu)秀的學(xué)生大多數(shù)參與其中，為競(jìng)賽提供了優(yōu)質(zhì)的選手。

（3）參加認(rèn)證考試，拓展學(xué)生的知識(shí)和技能。通過(guò)課程，獲得CATIA全球認(rèn)證證書(shū)的學(xué)生占總?cè)藬?shù)的20%，說(shuō)明這些學(xué)生獲得了扎實(shí)的CATIA建?；A(chǔ)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)。初步具備機(jī)械從業(yè)人員的工程素養(yǎng)，在新時(shí)期增強(qiáng)了自身的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

（4）課程為《機(jī)械制造基礎(chǔ)與實(shí)踐》、《機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)踐與創(chuàng)新》等專(zhuān)業(yè)后續(xù)課程的項(xiàng)目式教學(xué)奠定了基礎(chǔ)，學(xué)生的設(shè)計(jì)能力顯著提高。

五、總結(jié)

國(guó)家正在實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、“中國(guó)制造2025”“網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)”“一帶一路”等一系列重大戰(zhàn)略，為服務(wù)國(guó)家戰(zhàn)略需求，高校課程體系和課程內(nèi)容改革也應(yīng)順應(yīng)時(shí)代，推進(jìn)新工科建設(shè)。新工科建設(shè)需要加強(qiáng)研究和實(shí)踐，而此次《工程制圖》的改革，無(wú)疑為傳統(tǒng)基礎(chǔ)課程的升級(jí)做了一次大膽的嘗試，并且已初具成效，使得高校的人才培養(yǎng)跟進(jìn)時(shí)代步伐，培養(yǎng)科學(xué)基礎(chǔ)厚、工程能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高的工程人才，掌握我國(guó)未來(lái)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展主動(dòng)權(quán)。