新工科背景下畫法幾何及機械制圖教材建設實踐與探討

萬亞軍 阮春紅

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?畫法幾何及機械制圖作為機械類專業(yè)的核心能力課程，具有很強的理論性與實踐性。在“新工科”建設大背景下，開展畫法幾何及機械制圖課程教學改革，并以華中科技大學編寫的新形態(tài)教材《畫法幾何及機械制圖》為例，介紹該教材的設計思路和內容建設過程，為其他同類教材的開發(fā)提供一定的幫助。

[關 ? ?鍵 ? 詞] ?新工科;畫法幾何及機械制圖;新形態(tài)教材;教材建設

[中圖分類號] ?G642 ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2020）36-0230-02

一、新工科背景下畫法幾何及機械制圖課程教學改革

新工科是指針對新興產業(yè)，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能為核心的工科專業(yè)，或將云計算、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、虛擬現(xiàn)實、人工智能和機器人等應用于傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級改造。其內涵是以立德樹人為引領，通過繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調與共享等方式，面向未來培養(yǎng)國際化、多元化和創(chuàng)新型卓越工程技術人才。

為推動新經(jīng)濟下我國高等教育的改革和發(fā)展，教育部高等教育司發(fā)布《關于開展新工科研究與實踐的通知》《關于推進新工科研究與實踐項目的通知》。近年來，華中科技大學積極開展新工科研究與實踐，申報了新工科研究與實踐項目“服務中國制造業(yè)轉型/升級的機械工程專業(yè)建設”。畫法幾何與機械制圖課程是針對機械類本科學生開設的一門必修課程，是既有系統(tǒng)理論，又有很強實踐性的學科基礎課程，課程內容包括運用投影理論在平面上表達空間幾何、機件的常用表達方法、標準件和常用件的表達方法、零件圖與裝配圖、計算機繪圖，主要培養(yǎng)學生的空間思維能力、繪圖與讀圖能力和工程思維能力。

“新工科”強調學科的實用性、交叉性與綜合性以及產業(yè)需求對人才培養(yǎng)的引導。在此背景下，我們對畫法幾何及機械制圖課程教學進行如下改革。

（一）理論教學內容改革

為支撐服務以新技術、新業(yè)態(tài)、新產業(yè)、新模式為特點的新經(jīng)濟發(fā)展，并滿足以智能制造、增材制造、互聯(lián)網(wǎng)制造等為代表的新型制造對人才的需求，機械類專業(yè)院校逐步開設了智能制造工程、微納制造、機器人工程等專業(yè)（專業(yè)方向）。例如，2020年3月發(fā)布的2019年度備案專業(yè)中智能制造工程和機器人工程新開設高校分別有80所、62所。這將導致機械類專業(yè)的課程體系逐步調整，進一步壓縮課堂理論教學課時。同時，隨著現(xiàn)在制造業(yè)中三維建模與仿真技術的應用日益廣泛，因此制圖課程教學內容除了理論知識點，還應當增加三維建模軟件UG、Inventor、Solidworks的教學內容。

（二）理論教學輔助手段改革

早在1997年，依托國家級工程技術中心華中科技大學CAD中心雄厚的科研實力，華中科技大學“畫法幾何及機械制圖”課程教學團隊較早開發(fā)了輔助教學的光盤和教學視頻，建有豐富的教學視頻和各類三維立體模型。隨著計算機輔助設計技術的發(fā)展，我們利用Inventor建模軟件將基本的幾何形體制作成各種三維立體模型，讓學生繪制三視圖，經(jīng)過反復進行投影訓練，學生可更好地理解形體分析法，掌握組合體三視圖投影的基本規(guī)律，提高空間思維能力、創(chuàng)新意識和實踐能力。

（三）理論教學模式改革

基于新工科下校內外機械類專業(yè)人才培養(yǎng)要求，我們開展了“轉變教育理念，引進工程場景，翻轉課堂圖學教育研究與實踐”等一系列教學改革研究項目。在教學上，采用混合式教學模式，根據(jù)課程內容及教學目標將傳統(tǒng)的課堂教學與在線教學有機結合，為教師和學生提供一種高效的“教”與“學”模式。通過與超星等公司的合作，在華中科技大學教務處的支持下，我們建設了畫法幾何及機械制圖慕課，順利使愛課程網(wǎng)上線，并對全社會公開，校內外學生均可以在線上開展學習。

在慕課上，通過發(fā)布教學視頻、學習任務點與資料，幫助學生進行數(shù)字化預習與復習，對課堂教學起到輔助和鞏固的作用;通過創(chuàng)建討論，提高學生的參與性，教師也可以通過討論情況了解學生對知識點的掌握程度，然后有針對地講解知識點，提高教學效率;通過群組“聊天”功能，可以給學生提供一個自主交流的平臺，并且可以實現(xiàn)在線答疑。

二、新工科背景下畫法幾何及機械制圖教材建設思路

教材作為課程教學內容和教學方法的載體，是實現(xiàn)課程教學目標的工具，也是進行教學改革和提高教學質量的重要保證。《教育部關于“十二五”普通高等教育本科教材建設的若干意見》指出：不斷豐富教材類型，繼續(xù)開發(fā)數(shù)字化教材;鼓勵編寫、出版不同載體和不同形式的教材，包括紙質教材和數(shù)字化教材。

新時代全國高等學校本科教育工作會議于2018 年 6 月 21 日在四川成都舉行，會議強調本科教育的內涵發(fā)展時指出，要“推動課堂革命，建好質量文化”。而撬動課堂革命的基石則為教材建設?；诖?，針對“畫法幾何及機械制圖”課程的特點，形成該課程教材建設思路如下。

（一）反映教學改革成果，適應工程思維培養(yǎng)要求

在眾多前輩的努力下，筆者所在的教研室一直重視教材建設，先后編寫并出版了多本機械制圖教材及練習冊。其中，《畫法幾何及機械制圖（第六版）》（配光盤）為普通高等教育“十二五”國家級規(guī)劃教材，被許多學校使用，受到眾多教師的好評。然而，隨著計算機技術的發(fā)展，該書逐漸顯示了以下不足之處：教學理念上以二維繪圖為主，不能反映當前制造業(yè)中廣泛應用的三維建模與仿真能力要求;隨著個人計算機基本上取消光驅配置，教材配套的光盤成為雞肋，需要專門訪問網(wǎng)站讀取，不適應智能手機普及的趨勢;另外，光盤配套的數(shù)字資源需要下載專用軟件打開，使用性不好?；诖?，結合該課程教學改革實踐，確定了機械制圖新形態(tài)教材的定位：總結新工科下課程中工程思維培養(yǎng)的教學要求，體現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+教學產品”特色，滿足學生自主學習、個性化學習和討論式學習的要求。

（二） 根據(jù)課程定位，精心規(guī)劃各類資源

1.紙質教材內容與各類教學資源如課件、習題、視頻等同步規(guī)劃和創(chuàng)作，實現(xiàn)紙質教材與數(shù)字教學資源的同步化。

2.同傳統(tǒng)的黑白紙質教材相比，新形態(tài)教材內容呈現(xiàn)形式更加多元，如動態(tài)圖、視頻、三維動畫。

3.在教材中主要知識點的強化以資深專業(yè)授課教師現(xiàn)場講授視頻為主的二維碼呈現(xiàn)，與紙質教材內容緊密配合，形成線上線下結合的新形態(tài)立體化教材體系。

4.通過網(wǎng)絡平臺可以獲得更多數(shù)據(jù)，如視頻點擊量、瀏覽時間、網(wǎng)站登錄次數(shù)、習題正確率、成績分布規(guī)律，更加準確和快捷地反饋學習效果。

三、新工科背景下畫法幾何及機械制圖教材建設實踐

華中科技大學工程圖學教學團隊黃其柏、阮春紅等主編的《畫法幾何及機械制圖（第七版）》是在原來第六版的基礎上，總結該課程教學改革成果修訂出版的新形態(tài)教材，教材可與3D工程圖學在線慕課配合使用，是一本與移動網(wǎng)絡教學相結合的教材，符合機械類專業(yè)“畫法幾何及機械制圖”課程教學標準。

本教材具有如下顯著特點：

1.本教材是傳統(tǒng)紙質教材與移動網(wǎng)絡教學有機結合的多媒體教材，實現(xiàn)了移動學習功能。讀者可以通過掃描書中二維碼進行微視頻的學習，微視頻內容涉及重要知識點、難理解概念講解、三維構型分析、三維立體表達等。需要特別說明的是，微視頻均為授課教師制作并講解。讀者在閱讀本書的同時，配合智能手機，可以結合微視頻更便捷地學習，對難理解的形體分析法等內容可以對照立體三維模型反復觀看，加深理解。

2.教材強調以學生為中心、以產出為導向，為引導學生有效進行課前預習與課后復習，教材的每章開始設置“學習目的與要求”“學習內容”“學習重點與難點”“本章的地位及特點”，每章結束設置“思考題”和“問題與討論”。這對幫助讀者系統(tǒng)地歸納本章的重點、難點可以起到提綱挈領的作用，而文中的微視頻為翻轉課堂教學方法的實施創(chuàng)造了有利條件。

3.積極引進現(xiàn)代制造業(yè)三維模型設計成果，在教材中引進基于模型的工程定義簡介、零件建模的總體原則、總體要求和流程，介紹軸測圖的尺寸注法，方便學生盡早適應當前制造業(yè)設計三維化的趨勢，并為后續(xù)開展創(chuàng)新實踐打下識圖、繪圖基礎。

四、新工科背景下畫法幾何及機械制圖教材建設探討

隨著新工科教學改革的推進，機械類專業(yè)課程體系還會進一步調整，“畫法幾何及機械制圖”課程內容還會與機械原理、機械設計、計算機輔助設計與制造等課程內容進一步交叉融合，加強空間思維能力、繪圖與讀圖能力和工程思維能力培養(yǎng)。因此，畫法幾何與機械制圖教材中還需要進一步加強課程邊界的再設計，按照新工科下機械類專業(yè)創(chuàng)新性卓越工程人才培養(yǎng)要求，在機械零件結構、計算機繪圖、三維建模中滲透機械零部件創(chuàng)新設計、計算機建模與仿真等能力培養(yǎng)。

通過引入虛擬現(xiàn)實（VR）技術，實現(xiàn)學生與教學資源的適時互動，將大大促進學生對形體空間分析與幾何處理問題的理解。在畫法幾何及機械制圖教材中，通過鏈接到相關VR資源，可以進行形體的多視角觀看、拆裝、漫游等互動操作，加深學生對剖視圖中剖切面與物體相交的截面形狀或者剖視圖形成規(guī)律的認識，讀懂零件圖和裝配圖中的信息，包括零件圖視圖的表達方式、尺寸標注、極限與配合、形狀和位置公差及熱處理等，裝配圖中零件的相對位置、連接方式及裝配關系。

五、總結

以紙質教材為核心，并輔以二維碼數(shù)字化資源的畫法幾何及機械制圖新形態(tài)教材的出版，一方面，豐富了教學內容，順應了當前大學生的心理特點，提高學生學習的興趣和主動性;另一方面，“互聯(lián)網(wǎng)+”技術不斷深入融合傳統(tǒng)教學，推動以學生為中心的教學改革。新形態(tài)教材的使用有利于及時反饋學生的學習效果，促進學生和教師雙向互動，越來越多的學校和大眾逐漸熟知并開始認可新形態(tài)教材。目前，國內新形態(tài)教材的建設與使用尚不廣泛，適應混合式教學的教材建設還需要積累經(jīng)驗。筆者開展的新形態(tài)教材《畫法幾何及機械制圖》的建設和使用可為當前各高校開展混合式教學提供參考。

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編輯 趙瑞峰