基于工程應(yīng)用意識培養(yǎng)的工程圖形學(xué)課程教學(xué)體系改革研究

王力 趙建平 費葉琦

[摘 要]文章在分析當(dāng)前工程圖形學(xué)課程教學(xué)改革的基礎(chǔ)上提出從工程圖形學(xué)課程教學(xué)入手，打破傳統(tǒng)的課程教學(xué)章節(jié)的知識壁壘，以“產(chǎn)品生產(chǎn)過程”為主導(dǎo)思想，建立工程圖形學(xué)課程新的教學(xué)體系。課程教學(xué)體系包括優(yōu)化制圖基礎(chǔ)知識，加強拆裝與測繪環(huán)節(jié)教學(xué)，手工制圖與計算機繪圖、圖紙繪制與加工過程相融合，采用多層次、多環(huán)節(jié)的考核方式。課程教學(xué)體系實現(xiàn)專業(yè)知識的大融合，培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用意識，提高學(xué)生的工程應(yīng)用能力。

[關(guān)鍵詞]工程圖形學(xué);課程教學(xué)體系;工程應(yīng)用;考核方式

[中圖分類號] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）08-0059-04

工程圖樣是按照規(guī)定的方法表達(dá)出機器或建筑物的形狀、大小、材料和技術(shù)要求來表達(dá)和交流技術(shù)思想的重要工具，是技術(shù)部門的一種重要技術(shù)文件。在現(xiàn)代工業(yè)中，設(shè)計、制造、安裝各種設(shè)備時都離不開工程圖樣，在使用、維修、檢測過程中也需要閱讀工程圖樣來了解其結(jié)構(gòu)和性能。因此，每個工程技術(shù)人員都必須能夠繪制和閱讀工程圖樣。

工程圖形學(xué)課程是一門研究繪制和閱讀工程圖樣的原理和方法，培養(yǎng)學(xué)生的形象思維能力，既有系統(tǒng)理論又有較強實踐性的技術(shù)基礎(chǔ)課。其教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生閱讀與繪制工程圖樣的能力以及整體工程素質(zhì)、形象思維和創(chuàng)新性思維能力，其重心不在于傳授知識，而在于培養(yǎng)和訓(xùn)練獲得知識的思維方式及方法[1-2]。

傳統(tǒng)的工程圖形學(xué)課程是將實體模型、三維CAD技術(shù)及制圖測繪融入制圖課程教學(xué)過程中，使學(xué)生的制圖、讀圖能力得到提高。但長期的教學(xué)實踐表明，由于實踐環(huán)節(jié)課時較少，傳統(tǒng)的工程圖形學(xué)課程教學(xué)體系的建設(shè)思路只是停留在對教學(xué)方法、教學(xué)手段及教學(xué)模式的改變，理論教學(xué)與實踐教學(xué)之間也只是簡單的融合，各門課程的知識點仍然各自孤立，不夠重視學(xué)生工程應(yīng)用意識的系統(tǒng)培養(yǎng)，缺少將工程圖樣與生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品設(shè)計、制造、檢驗等過程聯(lián)系起來的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，造成工程圖紙缺少配合要求、形位公差要求、技術(shù)要求等內(nèi)容，學(xué)生秀而不實，這點在其機械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計及畢業(yè)設(shè)計中表現(xiàn)得尤為突出。因此，需要將工程應(yīng)用教學(xué)理念融入工程圖形學(xué)的教學(xué)過程中，以提高學(xué)生的工程素質(zhì)。

一、工程圖形學(xué)課程教學(xué)改革現(xiàn)狀分析

多年來，在各高校制圖教研組的不斷改革和創(chuàng)新下，工程圖形學(xué)已形成特有的課程體系和教學(xué)規(guī)律。雖然教師在教學(xué)過程中積累了大量的教學(xué)經(jīng)驗，但是從學(xué)生和企業(yè)的調(diào)研反饋看，還是存在學(xué)生制圖讀圖能力差、對基本零件的表達(dá)方法不清楚、圖紙規(guī)范不夠、內(nèi)容不完整等一系列問題。隨著現(xiàn)代制造技術(shù)和計算機技術(shù)的聯(lián)合發(fā)展，相應(yīng)的繪圖軟件諸如AutoCAD、Pro/E、UG等作為工程圖形學(xué)教學(xué)不可或缺的重要內(nèi)容，許多高校在引入CAD二維繪圖、三維建模來提高學(xué)生的邏輯思維能力和空間想象能力的教學(xué)改革方面做了大量的探索[3-5]。同時在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)體系上形成了以三維建模為主線的CG導(dǎo)入式教學(xué)模式，即在入學(xué)時先采用融入式教學(xué)，后期再采用獨立式的CAD教學(xué)，這樣既可保證手工繪圖學(xué)時的工作量，又可體現(xiàn)工程圖形學(xué)課程教學(xué)的連續(xù)性。

近年來，在圍繞應(yīng)用型技術(shù)和技能型人才的培養(yǎng)目標(biāo)來大力發(fā)展高等職業(yè)教育的背景下，興起了工程圖形學(xué)課程又一輪的教學(xué)改革熱潮。根據(jù)國家提出的“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，部分高校根據(jù)專業(yè)建設(shè)的特點，將專業(yè)課程教學(xué)和工程圖形學(xué)課程相融合，并通過行業(yè)、企業(yè)和高校合作辦學(xué)，致力于提高學(xué)生的工程意識、工程素質(zhì)和工程創(chuàng)新能力，取得了良好的效果[6-7]?；趶娀茍D實踐教學(xué)的制圖課程教學(xué)體系改革層出不窮[8-9]，主要表現(xiàn)在將制圖與零部件測繪相結(jié)合、制圖與金工實習(xí)相結(jié)合，這樣能夠大大提高學(xué)生對制圖學(xué)習(xí)的興趣和積極性，也能提高學(xué)生繪圖、讀圖的能力。工作過程系統(tǒng)化的課程教學(xué)是高職教育的重要教學(xué)理念[10]，課程教學(xué)過程要打破原有學(xué)科知識模塊化構(gòu)建體系，將課程教學(xué)各個知識點與實際工作崗位需求相結(jié)合，按照教學(xué)情境進(jìn)行設(shè)計。教學(xué)情境是圍繞工程實際案例來設(shè)計的，突出培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)能力，體現(xiàn)知識點的整體性、連續(xù)性和實用性[11]。

與我國工程圖形學(xué)教育相比，國外制圖教育更注重工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)[12]。從知識點上比較，二者不存在本質(zhì)的區(qū)別，但是在內(nèi)容的安排次序上卻存在比較大的差異。國內(nèi)的制圖教學(xué)注重重復(fù)訓(xùn)練課程的重點和難點，偏重于投影理論，而國外的制圖教學(xué)把重點放在滿足工程應(yīng)用需求上。作業(yè)主要以項目設(shè)計的綜合練習(xí)為主，其選擇范圍十分廣泛，這樣能大大提高學(xué)生的工程意識、工程應(yīng)用能力。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，未來的機械制圖將成為工程圖形學(xué)和計算機圖形學(xué)的集成，它將滿足從概念設(shè)計到數(shù)字化制造各個階段中工程信息模型的基本需要，不再是簡單學(xué)習(xí)工程圖樣的單一課程，而是將設(shè)計、制造、裝配和檢驗等多個生產(chǎn)環(huán)節(jié)所需要的知識與能力集于一體的課程體系。

因為大多數(shù)高校將與工程圖形學(xué)相關(guān)的制圖課程開設(shè)在大一和大二階段，所以針對工程圖形學(xué)的教學(xué)改革研究主要停留在單一的課程教學(xué)改革或是二者之間的簡單融合，而到大三、大四階段，涉及設(shè)計、加工工藝和生產(chǎn)制造等方面的課程教學(xué)時，只是簡單地傳授專業(yè)知識，卻忽視了工程圖樣的重要性，導(dǎo)致學(xué)生的專業(yè)知識比較零碎，系統(tǒng)性不夠，而且缺乏工程應(yīng)用意識。因此，如何培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用意識和工程應(yīng)用能力是工程圖形學(xué)課程體系改革的首要任務(wù)。

針對以上現(xiàn)狀，課題組提出從工程圖形學(xué)課程教學(xué)開始，打破傳統(tǒng)的課程教學(xué)章節(jié)的知識壁壘，以“產(chǎn)品生產(chǎn)過程”為主導(dǎo)思想，引入工程應(yīng)用實例，建立工程圖形學(xué)的課程體系，實現(xiàn)知識的大融合，以培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用意識和提高學(xué)生的工程應(yīng)用能力。

二、重視培養(yǎng)工程應(yīng)用意識的工程圖形學(xué)課程體系構(gòu)建

工程圖形學(xué)課程是既具有工程實踐背景又與工程實際有密切關(guān)系的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，而培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用意識的最有效辦法是能夠讓學(xué)生熟悉工程實際中工程圖樣表達(dá)的正確性、合理性，并有機會親身體會完成工程圖樣的工藝性。因此，工程圖形學(xué)課程教學(xué)體系力求完成以下幾部分內(nèi)容：一是讓學(xué)生掌握工程圖形學(xué)基礎(chǔ)知識、投影規(guī)律和零件的表達(dá)方法，培養(yǎng)學(xué)生手工草圖及尺規(guī)繪圖的能力。二是讓學(xué)生掌握零部件拆裝與測繪的步驟和方法以及量具的使用方法，培養(yǎng)學(xué)生對機電產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)認(rèn)知和零部件拆裝與測繪能力。三是讓學(xué)生掌握CAD/CAM技術(shù)，能夠運用軟件對零件進(jìn)行設(shè)計、分析及模擬加工，培養(yǎng)學(xué)生的計算機輔助設(shè)計與制造能力。四是讓學(xué)生掌握普通機加工及快速成型技術(shù)的加工方法，完成零件的工藝性實現(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生的工程技術(shù)能力?；谏鲜鰩撞糠謨?nèi)容構(gòu)建課程教學(xué)體系如圖1所示。

（一）優(yōu)化制圖基礎(chǔ)知識

工程圖形學(xué)課程現(xiàn)行的教材仍然按照傳統(tǒng)的教學(xué)思路編排，教學(xué)內(nèi)容較多，而且理論性較強，知識點比較零散，缺乏系統(tǒng)性，特別是制圖標(biāo)準(zhǔn)的基本規(guī)定部分。課程一開始，各種制圖標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)定充斥著學(xué)生的大腦，讓初學(xué)者即刻產(chǎn)生厭倦或是恐懼心理，造成學(xué)生對此部分內(nèi)容重視不夠，基本功不夠扎實。由于課程教學(xué)前后時間跨度較大，因此到工程圖形學(xué)教學(xué)后期，學(xué)生的繪圖規(guī)范度、完整度嚴(yán)重缺失。此時，還需要對此部分內(nèi)容再重新提起，這就影響到教學(xué)進(jìn)度和教學(xué)效率。因此，在課程教學(xué)學(xué)時不斷縮減的情況下，需要對知識點進(jìn)行合理整合與優(yōu)化，即將制圖標(biāo)準(zhǔn)的基本規(guī)定部分融入后期教學(xué)環(huán)節(jié)中。

要將制圖基礎(chǔ)知識中的圖紙幅面和格式這部分內(nèi)容融入零件圖和裝配圖中，按照畫零件圖和裝配圖的過程，完成圖幅選擇、圖幅樣板制作及圖幅空間布局;尺寸標(biāo)注的內(nèi)容，只強調(diào)尺寸標(biāo)注的基本規(guī)則，而將尺寸標(biāo)注的基本方法與組合體視圖及尺寸標(biāo)注整合在一起，同時在講解過程中，結(jié)合階梯軸、軸承架、減速器箱體等實際案例，完成典型零件的尺寸標(biāo)注。

點、線、面的投影規(guī)律是立體投影的基礎(chǔ)，此部分內(nèi)容將各種點、線、面均作了詳細(xì)介紹，而在實際應(yīng)用中，重點的還是一些特殊的點、線、面的投影關(guān)系。因此，將此部分內(nèi)容直接與基本體投影整合，在基本體投影中講解特殊點、線、面的投影關(guān)系，使得學(xué)生更能容易理解點、線、面的投影關(guān)系;刪減換面法部分的內(nèi)容，重點強調(diào)直角三角形法的應(yīng)用。截交線和相貫線是制圖教學(xué)內(nèi)容的重點和難點，也是學(xué)生理解難度較大、容易出錯的地方。在教學(xué)過程中，一是借助多媒體技術(shù)動畫演示截交線和相貫線的形成過程;二是借助三維CAD技術(shù)建立實體模型，并從實際案例中找到相關(guān)零件來展示截交線和相貫線的應(yīng)用場合。

在手工制圖作業(yè)方面，要打破傳統(tǒng)的題海戰(zhàn)術(shù)，跳出制圖習(xí)題集的范圍，從工程實際中搜集一些案例，讓學(xué)生在課堂上學(xué)會產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的表達(dá)方法。以常見的三通水管為例，三通水管是由兩個內(nèi)部貫通的外圓柱體相貫而成，外圓柱不等徑，內(nèi)孔等徑相貫。學(xué)生在繪制其三視圖時，能夠想到圓柱體兩兩相貫的畫法（內(nèi)、外相貫），順利完成三通水管的三視圖，從而加深對相貫線的理解。

（二）加強零部件拆裝與測繪環(huán)節(jié)

手工繪圖環(huán)節(jié)著重培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力和空間想象能力，讓學(xué)生具備一定的工程素質(zhì)。但是在繪圖過程中，學(xué)生仍然缺乏產(chǎn)品設(shè)計的概念，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、公差要求、工藝結(jié)構(gòu)等方面認(rèn)識不夠，零部件拆裝與測繪環(huán)節(jié)不僅能夠讓學(xué)生充分理解機械結(jié)構(gòu)，也有助于彌補以上的缺陷。

對制圖基礎(chǔ)知識進(jìn)行優(yōu)化后，可以加強零部件拆裝與測繪環(huán)節(jié)。本環(huán)節(jié)要做好三個方面的工作：一是讓學(xué)生掌握零部件拆裝與測繪的基本步驟和方法，可以通過多媒體動畫演示，同時結(jié)合實物講解，包括一級減速器、千斤頂、回轉(zhuǎn)工作臺等。二是讓學(xué)生掌握通用量具的使用方法，主要包括鋼直尺、卡鉗、游標(biāo)卡尺及螺紋規(guī)等。三是引導(dǎo)學(xué)生分組完成動手實踐過程，不同的小組可以按照題目的難易程度分，也可以將不同層次的學(xué)生進(jìn)行組合搭配，以達(dá)到如期完成工作任務(wù)的目的。在拆裝與測繪環(huán)節(jié)，學(xué)生自己動手拆、裝部件，測繪零件，查閱機械工程手冊，訓(xùn)練學(xué)生觀察、動手和動腦的協(xié)調(diào)能力以及團(tuán)隊精神和相互協(xié)作能力。

（三）將手工繪圖與計算機繪圖相結(jié)合

計算機繪圖的出現(xiàn)，使工程設(shè)計領(lǐng)域發(fā)生了質(zhì)的飛躍，計算機繪圖工具具有快速、精確、易編輯、易線上溝通等特點，是手工繪圖無法比擬的[13]。計算機繪圖要求學(xué)生運用AutoCAD繪制單一、復(fù)雜的組合體三視圖、剖視圖、零件圖和裝配圖等，培養(yǎng)學(xué)生的繪圖能力。手工繪圖與計算機繪圖采用主線式教學(xué)模式[14]，即手工繪圖與計算機繪圖不脫節(jié)，制圖基礎(chǔ)知識學(xué)完一個章節(jié)就將所學(xué)知識用在手工繪圖和計算機繪圖中。這就激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，提高了學(xué)生的繪圖能力。同時使學(xué)生切身體會到運用AutoCAD繪圖不僅僅是運用一組繪圖命令完成一個圖形，還能按照制圖標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范完成一張工程圖紙，符合產(chǎn)品設(shè)計及加工要求，增強了學(xué)生的工程意識和專業(yè)素質(zhì)。

（四）強調(diào)工程圖紙工藝性實現(xiàn)

金工實習(xí)是理工科高校開設(shè)的一門集中實踐環(huán)節(jié)課程，其教學(xué)目的是讓學(xué)生通過親身實踐了解產(chǎn)品加工的全過程，包括普通機加工、數(shù)控加工及特種加工等內(nèi)容，基本上是讓學(xué)生完成一個鐵錘的制作，作為實習(xí)的考核內(nèi)容，一般開設(shè)在大二下學(xué)期。學(xué)生在實習(xí)過程中表現(xiàn)出對大一所學(xué)的機械制圖基本功不夠扎實，工程圖紙的規(guī)范度和完整度均存在缺失現(xiàn)象，缺乏工程素質(zhì)培養(yǎng)，從而導(dǎo)致零件工藝性實現(xiàn)艱難。所以在課程教學(xué)體系構(gòu)建中，要將金工實習(xí)實踐環(huán)節(jié)與機械制圖課程相結(jié)合，打破傳統(tǒng)的單一的課程實踐過程。在講授零件圖和裝配圖的過程中，實施零件加工過程，完成產(chǎn)品從結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝分析到生產(chǎn)制造全過程，真正培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和工程素質(zhì)。

金工實習(xí)課程對實驗場地、師資配置、時間安排及原材料要求都比較高，所以在具體實施過程中很難統(tǒng)一協(xié)調(diào)。近年來，隨著快速成型技術(shù)的發(fā)展，3D打印技術(shù)也得到充分發(fā)展。在課程教學(xué)體系中，可以將3D打印環(huán)節(jié)作為課程教學(xué)外實踐環(huán)節(jié)，在講授零件圖和裝配圖的過程中，學(xué)生完成零件圖和裝配圖手工繪圖后，可以利用三維設(shè)計軟件建立零件圖和裝配圖三維模型，在3D打印機上完成實體制作，體會快速成型技術(shù)的實現(xiàn)過程。在實施過程中，以3至5名學(xué)生為一個興趣小組，小組成員分別負(fù)責(zé)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、圖紙繪制、三維模型建立、打印過程調(diào)試等，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和團(tuán)隊精神。

三、過程實施及考核方式

新的課程教學(xué)內(nèi)容體系建立以后，應(yīng)對傳統(tǒng)的教學(xué)實施計劃進(jìn)行修訂。打破各個課程之間的界限，將實踐教學(xué)環(huán)節(jié)融入工程圖形學(xué)課程教學(xué)過程中，其實施計劃如表1所示。

考核的目的是評價學(xué)生對制圖知識與技術(shù)掌握的程度，同時也是對教學(xué)效果的評估。傳統(tǒng)的課程考試主要以最終考試成績?yōu)樵u定依據(jù)，注重結(jié)果，而忽略了過程。新的課程教學(xué)體系建立以后，在考核方式上應(yīng)改變傳統(tǒng)的單一課程考核形式，建立多層次、多環(huán)節(jié)的考核體系，科學(xué)、合理地對學(xué)生進(jìn)行綜合評價，既考核學(xué)生對專業(yè)知識的掌握程度，也考核學(xué)生的工作態(tài)度、團(tuán)隊協(xié)作能力及工程素質(zhì)能力。其具體實施過程包括：（1）工程圖形學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)知識占40%，主要體現(xiàn)在習(xí)題集、課堂作業(yè)等，對學(xué)生作業(yè)提交和課堂回答問題的情況進(jìn)行評價。（2）拆裝與測繪環(huán)節(jié)占20%，主要考核學(xué)生對拆裝步驟與方法的掌握程度及提交的圖紙質(zhì)量。（3）計算機繪圖占20%，主要對學(xué)生提交AutoCAD文檔的正確性和圖紙的規(guī)范度進(jìn)行評價。（4）金工實習(xí)與3D打印技術(shù)占20%，主要對學(xué)生所提交作品的完成度進(jìn)行評價。