新工科背景下工程圖學(xué)課程改革研究

欒英艷， 王 迎， 何 蕊

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

2017年2月，教育部下發(fā)了《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》，提出了工程教育改革要圍繞新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新體系開展，并給出了具體建設(shè)目標(biāo)[1]。隨后形成了“復(fù)旦共識(shí)”，指出我國(guó)高等工程教育改革已經(jīng)站在新的歷史起點(diǎn)，面臨新機(jī)遇和新挑戰(zhàn)[2]；2017年4月，教育部給出了新工科建設(shè)行動(dòng)路線，既“天大行動(dòng)”，明確了探索建立工科發(fā)展新范式和問(wèn)技術(shù)發(fā)展改革內(nèi)容，更新工程人才知識(shí)體系的行動(dòng)方向[3]。國(guó)家推動(dòng)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，實(shí)施“一帶一路”、“中國(guó)制造 2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大戰(zhàn)略，對(duì)工程科技人才提出了更高要求，迫切需要加快工程教育改革創(chuàng)新。對(duì)于整個(gè)高等教育而言，工程圖學(xué)課程是所有工科學(xué)生的技術(shù)基礎(chǔ)課，是機(jī)械類學(xué)生的核心課程，也是工科教育的基礎(chǔ)，引領(lǐng)學(xué)生學(xué)會(huì)用“工程語(yǔ)言”來(lái)描述設(shè)計(jì)思想，建立設(shè)計(jì)的概念，知曉創(chuàng)新設(shè)計(jì)的含義等等。因此，要適應(yīng)國(guó)家“新工科”人才培養(yǎng)計(jì)劃要求，作為工程圖學(xué)教師，必須認(rèn)真思考如何對(duì)課程進(jìn)行改革，并付諸實(shí)踐。文中闡述了在新工科背景下對(duì)工程圖學(xué)課程所做的教學(xué)改革。

1 “新”課程改革方案建立

經(jīng)過(guò)幾年的探討和研究，新工科的理念逐步清晰，內(nèi)涵不斷深化，已經(jīng)從理論探討進(jìn)入到具體操作階段[4]。在這一背景下，哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出了“面向?qū)I(yè)，對(duì)課程進(jìn)行供給側(cè)改革”的教改方針，借助學(xué)校人才培養(yǎng)方案調(diào)整的契機(jī)，緊扣“天大行動(dòng)”的行動(dòng)目標(biāo)，以“新工科”的“新”字為目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)人才培養(yǎng)上建立新理念，教學(xué)設(shè)計(jì)上有新結(jié)構(gòu)，教學(xué)方法上運(yùn)用新模式，教學(xué)評(píng)價(jià)采用新標(biāo)準(zhǔn)，課程架構(gòu)實(shí)行新體系。運(yùn)用多年積累的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)工程圖學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、評(píng)價(jià)方法、教學(xué)資源等開展了全方位的教學(xué)改革與建設(shè)。

1.1 問(wèn)技術(shù)發(fā)展進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容改革

電子技術(shù)的發(fā)展，給工程設(shè)計(jì)帶來(lái)革命性的變革，從最初的圖板圖紙繪圖到計(jì)算機(jī)二維繪圖，提升了設(shè)計(jì)精度，縮短了設(shè)計(jì)周期，進(jìn)而又實(shí)現(xiàn)了三維數(shù)字化設(shè)計(jì)和數(shù)字化制造。在互聯(lián)網(wǎng)普及的今天，工程設(shè)計(jì)更是邁向“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代，西門子公司兩年前就推出了實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)APP，使設(shè)計(jì)、制造、安裝能夠?qū)崟r(shí)溝通與協(xié)調(diào)。工程圖學(xué)課程內(nèi)容也隨之進(jìn)行了更新，全國(guó)各高校都在積極思考，出現(xiàn)了“面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)全過(guò)程的課程改革”方案[5]，有了“工程圖學(xué)語(yǔ)言教學(xué)模式改革”的方案[6]，都在努力對(duì)課程結(jié)構(gòu)和內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)新時(shí)代工程設(shè)計(jì)發(fā)展的要求。

面向?qū)I(yè)，以學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)為中心，對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行供給側(cè)改革，分析課程在培養(yǎng)規(guī)劃中的作用和地位，重新定義課程目標(biāo)，規(guī)劃課程內(nèi)容，提出了“重能力培養(yǎng)、重創(chuàng)新意識(shí)建立、與工程設(shè)計(jì)相結(jié)合”的教學(xué)目標(biāo)。在內(nèi)容設(shè)置上重點(diǎn)加強(qiáng)計(jì)算機(jī)繪圖、三維數(shù)字建模、徒手繪圖能力，依此調(diào)整課程內(nèi)容，重構(gòu)課程結(jié)構(gòu)，提出了“以項(xiàng)目設(shè)計(jì)引領(lǐng)課程進(jìn)程”的課程改革方案。如圖1所示。

圖1 課程架構(gòu)框圖

傳統(tǒng)工程圖學(xué)注重產(chǎn)品視圖表達(dá)，學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中始終以形體表達(dá)為中心，被動(dòng)接受理論知識(shí)。現(xiàn)將“設(shè)計(jì)與制造一體化”的思想融入到課程教學(xué)之中，給學(xué)生充分自主的思考空間，建立“工程圖即是設(shè)計(jì)思想的體現(xiàn)”的理念，通過(guò)自主設(shè)計(jì)，用圖表達(dá)設(shè)計(jì)思想，在設(shè)計(jì)過(guò)程中學(xué)習(xí)工程圖學(xué)理論。如相貫線、截交線等教學(xué)難點(diǎn)問(wèn)題通過(guò)構(gòu)型設(shè)計(jì)和三維建模得到了很好地解決。課程內(nèi)容以模塊形式，融入在項(xiàng)目設(shè)計(jì)之中，旨在通過(guò)課程的學(xué)習(xí)不僅要學(xué)會(huì)“工程語(yǔ)言”的使用，還要培養(yǎng)主動(dòng)思考及探究問(wèn)題的能力，積極主動(dòng)尋求解決問(wèn)題方法3個(gè)目標(biāo)。

1.2 問(wèn)學(xué)生志趣進(jìn)行教學(xué)模式改革

當(dāng)代大學(xué)生思想活躍，求知欲強(qiáng)，有著強(qiáng)烈的表現(xiàn)欲望，對(duì)傳統(tǒng)的教師講授學(xué)生接受的教學(xué)模式認(rèn)同感較低，渴望與教師之間的互動(dòng)，這是培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑精神、創(chuàng)新意識(shí)的有利要素。同時(shí)本課程所面對(duì)的低年級(jí)大學(xué)生又普遍存在依賴性強(qiáng)，沒(méi)有良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，自主學(xué)習(xí)能力不夠等情況[7]。因此，課程中需要把握學(xué)生特點(diǎn)，積極對(duì)教學(xué)模式進(jìn)行變革，尋找適應(yīng)學(xué)生志趣，能夠培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的教學(xué)模式與手段。

通過(guò)多年的實(shí)踐與探索，總結(jié)出“精略結(jié)合、研討課堂、項(xiàng)目引領(lǐng)、場(chǎng)景模擬”多種教學(xué)手段聯(lián)動(dòng)的復(fù)合教學(xué)模式。課程內(nèi)容大致分為投影理論，形體描述和工程應(yīng)用 3個(gè)部分。精略是就講授過(guò)程的詳細(xì)程度而言，而對(duì)課程內(nèi)容的要求是一致的。精講理論與方法，讓學(xué)生樹立正確的投影概念，建立明晰的空間概念，難點(diǎn)部分精講作圖方法，訓(xùn)練空間想象能力，提升空間思維能力；理論應(yīng)用通過(guò)項(xiàng)目引領(lǐng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，如形體描述部分結(jié)合構(gòu)型設(shè)計(jì)項(xiàng)目，將主動(dòng)權(quán)交給學(xué)生，教師通過(guò)學(xué)生的設(shè)計(jì)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，在課堂上開展研討，針對(duì)問(wèn)題進(jìn)行講解，這樣極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，不斷完善設(shè)計(jì)的構(gòu)型結(jié)構(gòu)，描述準(zhǔn)確性逐步提高，同時(shí)也拓展了學(xué)生的思維，有利于創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。圖 2是學(xué)生構(gòu)型設(shè)計(jì)的作品；工程應(yīng)用部分對(duì)于沒(méi)有工程認(rèn)知的學(xué)生而言是個(gè)難點(diǎn)，通過(guò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)項(xiàng)目引領(lǐng)，開展研討課堂模式進(jìn)行授課，讓學(xué)生確認(rèn)自己的設(shè)計(jì)者角色，明確設(shè)計(jì)與制造一體化的概念，教師通過(guò)學(xué)生的設(shè)計(jì)項(xiàng)目提出問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生探究工程問(wèn)題，在設(shè)計(jì)進(jìn)程中學(xué)習(xí)課程內(nèi)容。同時(shí)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)三維建模，模擬零件、機(jī)器的加工、制造過(guò)程，多項(xiàng)手段并舉，有機(jī)結(jié)合，將理論融于工程實(shí)踐，引出設(shè)計(jì)與制造問(wèn)題，使學(xué)生能夠明晰理論的具體應(yīng)用，學(xué)到了真正的工程理論，而不是碎片的知識(shí)點(diǎn)。

圖2 構(gòu)型設(shè)計(jì)作品

1.3 重創(chuàng)新能力的教學(xué)設(shè)計(jì)改革

教學(xué)設(shè)計(jì)注重創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)，對(duì)每堂課教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分析，根據(jù)內(nèi)容確定教學(xué)策略，包括確定教學(xué)模式，教學(xué)內(nèi)容推進(jìn)方式，課堂節(jié)奏如何把握等等。為每一教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行課堂教學(xué)設(shè)計(jì)，保證教學(xué)內(nèi)容傳授的同時(shí)更加注重能力的培養(yǎng)，改革始終圍繞學(xué)以致用進(jìn)行設(shè)計(jì)，運(yùn)用了以下3種教學(xué)設(shè)計(jì)。

(1) 精講互動(dòng)式。圖3的教學(xué)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要是針對(duì)基礎(chǔ)理論的知識(shí)，課堂設(shè)置思考題，注重引導(dǎo)學(xué)生積極思考，循序漸進(jìn)開展教學(xué)活動(dòng)。本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是如何設(shè)置思考題，問(wèn)題不只局限于知識(shí)點(diǎn)本身，要有引申。要求教師要把握課堂教學(xué)節(jié)奏，保證課堂圍繞教學(xué)內(nèi)容有序進(jìn)行。

圖3 講授互動(dòng)式教學(xué)設(shè)計(jì)

(2) 研討課堂式。該教學(xué)設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，主要用于理論應(yīng)用方面，如構(gòu)型設(shè)計(jì)、綜合表達(dá)、測(cè)繪等等，教師要規(guī)劃課堂研討內(nèi)容，掌控課堂節(jié)奏，引導(dǎo)學(xué)生去探究問(wèn)題，具體設(shè)計(jì)模型如圖 4所示。這一設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在課堂進(jìn)程如何規(guī)劃，結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)研討問(wèn)題等。

圖4 研討堂教學(xué)設(shè)計(jì)

(3) 場(chǎng)景帶入式。該設(shè)計(jì)主要針對(duì)課程與工程設(shè)計(jì)緊密結(jié)合的特點(diǎn)，讓學(xué)生將自己定位為設(shè)計(jì)者去思考問(wèn)題，重在使學(xué)生建立工程概念，考慮有關(guān)設(shè)計(jì)與制造的相關(guān)問(wèn)題。教學(xué)設(shè)計(jì)要把握課程內(nèi)容與工程實(shí)際相結(jié)合的關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生去思考，學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)方法，工程描述手段。在實(shí)踐活動(dòng)中講解理論問(wèn)題，樹立“工程圖——設(shè)計(jì)——制造”密不可分的一體化設(shè)計(jì)意識(shí)。課前教師要將產(chǎn)品設(shè)計(jì)拆分為若干細(xì)部問(wèn)題，逐步引導(dǎo)，按照先局部后整體的過(guò)程完成最終設(shè)計(jì)推進(jìn)課堂進(jìn)度。

1.4 學(xué)科融合

工程圖學(xué)具有較強(qiáng)的實(shí)踐性，學(xué)生的繪圖實(shí)踐對(duì)課程的學(xué)習(xí)起著至關(guān)重要的作用。以產(chǎn)品設(shè)計(jì)項(xiàng)目學(xué)習(xí)來(lái)推進(jìn)課程進(jìn)展，以大作業(yè)的形式檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，同時(shí)使學(xué)生掌握設(shè)計(jì)的基本方法，懂得工程圖的作用，建立工程設(shè)計(jì)理念。

新工科要求學(xué)科之間的交融，工程圖以機(jī)械設(shè)計(jì)為主線，結(jié)合不同專業(yè)的特點(diǎn)，通過(guò)設(shè)計(jì)項(xiàng)目來(lái)逐步推動(dòng)課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)。學(xué)生首先繪制設(shè)計(jì)草圖，完善設(shè)計(jì)方案，再進(jìn)行零件工作圖和裝配工作圖的繪制，進(jìn)而進(jìn)行計(jì)算機(jī)三維建模，通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真檢驗(yàn)零件結(jié)構(gòu)的合理性，尺寸的協(xié)調(diào)性等等。產(chǎn)品設(shè)計(jì)項(xiàng)目使學(xué)生了解了設(shè)計(jì)的基本過(guò)程，懂得工程圖的作用和工程圖的內(nèi)容與要求，知曉零件加工的工藝要求和零件結(jié)構(gòu)的合理性等概念，同時(shí)也使學(xué)生清楚工程圖學(xué)課程在相關(guān)專業(yè)中作用，項(xiàng)目學(xué)習(xí)教學(xué)模型框架如圖5所示。

圖5 項(xiàng)目學(xué)習(xí)教學(xué)模型

1.5 重能力培養(yǎng)進(jìn)行考核方式改革

考核方式是實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的必要手段，建立科學(xué)的考核評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是教學(xué)改革的重要環(huán)節(jié)。本次改革從完成度和目標(biāo)達(dá)成度等方面實(shí)行考核，見(jiàn)表1。

表1 考核標(biāo)準(zhǔn)一覽表

2 配合教學(xué)改革進(jìn)行教學(xué)資源建設(shè)

2.1 教學(xué)改革需要輔助配套的教學(xué)資源建設(shè)

以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心，驅(qū)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，主動(dòng)探究，開發(fā)教學(xué)網(wǎng)絡(luò)，輔導(dǎo)助學(xué)系統(tǒng)軟件，這套軟件在校計(jì)算機(jī)繪圖中心運(yùn)行，供學(xué)生學(xué)習(xí)使用。

2.2 錄制MOOC課程

在線學(xué)習(xí)，為學(xué)生提供了課外教學(xué)資源，如錄制 MOOC課程，教學(xué)視頻。其不僅為在校學(xué)生補(bǔ)充了教學(xué)資源，也為其他人員學(xué)習(xí)工程圖學(xué)的相關(guān)內(nèi)容提供了幫助。

2.3 設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)項(xiàng)目

合理規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容，保證課程目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。項(xiàng)目學(xué)習(xí)中的設(shè)計(jì)內(nèi)容由學(xué)生完成，但教師需給定項(xiàng)目的設(shè)計(jì)條件，把握項(xiàng)目的基本難度，以保證學(xué)生能從設(shè)計(jì)項(xiàng)目中學(xué)到課程所要求的教學(xué)內(nèi)容。還須保證能在授課進(jìn)程中順利完成教學(xué)內(nèi)容，特組織教學(xué)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行調(diào)研，與專業(yè)教師溝通，收集相關(guān)資料，設(shè)計(jì)出不同的設(shè)計(jì)項(xiàng)目，隨著課程的進(jìn)展還在不斷充實(shí)之中。

2.4 建設(shè)實(shí)驗(yàn)室

使學(xué)生能夠?qū)⒗碚撆c實(shí)踐緊密結(jié)合，實(shí)驗(yàn)室面向?qū)W生開放。圖學(xué)部建設(shè)圖學(xué)繪圖實(shí)驗(yàn)室9間，配備計(jì)算機(jī)約 700臺(tái)，均安裝好了二維和三維繪圖軟件，為學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)、繪圖、建模提供良好的硬件條件。還建有模型展室 2間，幫助學(xué)生建立二維圖形與空間形體之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，增強(qiáng)空間思維能力。

3 教學(xué)改革實(shí)踐及數(shù)據(jù)分析

哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院、能源學(xué)院、材料學(xué)院3個(gè)學(xué)院的學(xué)生，均完成同一類別的工程圖學(xué)課程學(xué)習(xí)。借“卓越工程師計(jì)劃”契機(jī)，在2015級(jí)機(jī)電學(xué)院開展產(chǎn)品設(shè)計(jì)項(xiàng)目、三維建模改革，期末同一考卷機(jī)電學(xué)院學(xué)生優(yōu)秀率和平均成績(jī)均高于其他2個(gè)學(xué)院的成績(jī)，見(jiàn)表2。2016年，在3個(gè)學(xué)院同時(shí)推廣了教改方案，并將考題難度加大，學(xué)生成績(jī)差異明顯縮小，見(jiàn)表3。通過(guò)對(duì)這2屆學(xué)生在課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)對(duì)指導(dǎo)教師進(jìn)行回訪中，普遍反映學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、三維建模能力和及讀圖能力較往屆學(xué)生有很大提高。

表2 2015級(jí)學(xué)生考核成績(jī)分析表

表3 2016級(jí)學(xué)生考核成績(jī)分析表

對(duì)于教學(xué)模式，選擇同一教師的不同班級(jí)進(jìn)行對(duì)比研究。其中一個(gè)班級(jí)采用新教改方案中的研討課堂方式授課，運(yùn)用構(gòu)型設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)項(xiàng)目等推進(jìn)教學(xué)進(jìn)程，注重學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。課程結(jié)束后，新模式下學(xué)習(xí)的成績(jī)要好于傳統(tǒng)教學(xué)模式，這里不再贅述。學(xué)生對(duì)授課模式的認(rèn)可度見(jiàn)表4~5和圖6~7所示，其中表4是傳統(tǒng)教學(xué)模式班級(jí)學(xué)生反饋結(jié)果，表5是教改模式班級(jí)學(xué)生調(diào)查反饋結(jié)果；圖6和圖7將2組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可以明顯看出學(xué)生對(duì)項(xiàng)目引領(lǐng)研討型教學(xué)模式的認(rèn)可度較高。另一方面，教師也感受到，新教改模式的課堂氣氛活躍、自主學(xué)習(xí)程度要高于傳統(tǒng)授課模式的班級(jí)，學(xué)生能夠積極思考，提出問(wèn)題，對(duì)課程內(nèi)容的理解要更深刻。

表4 傳統(tǒng)授課模式學(xué)生反饋表

表5 教改模式學(xué)生反饋表

圖6 評(píng)價(jià)優(yōu)秀比例對(duì)比圖

圖7 評(píng)價(jià)低分比例對(duì)比圖

4 結(jié) 束 語(yǔ)

“新工科”對(duì)工程教育提出了新要求，不僅僅是在培養(yǎng)理念上的更新，重要的是要實(shí)現(xiàn)所培養(yǎng)的人才能夠適應(yīng)當(dāng)今世界的人才需求。工程圖學(xué)課程面向全體工科學(xué)生，是大學(xué)生最先接觸的技術(shù)基礎(chǔ)課，課程還承載著對(duì)學(xué)生建立工程概念的啟蒙。本次課程改革注重學(xué)科交融，面向?qū)I(yè)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，著重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，工程圖學(xué)課程質(zhì)量的提升不僅有利于培養(yǎng)學(xué)生的形象思維能力、設(shè)計(jì)能力，而且有助于提升學(xué)生的融合創(chuàng)新能力。此次教學(xué)改革在教材建設(shè)，資源建設(shè)等方面學(xué)校都給予大力支持。隨著技術(shù)的不斷更新，社會(huì)對(duì)人才的要求也會(huì)隨之變化，新技術(shù)為課程改革提供了支撐條件，MOOC、SPOC、線上線下混合教學(xué)等等，教學(xué)改革也不拘泥于某一定式。培養(yǎng)適應(yīng)時(shí)代需求的人才是根本目標(biāo)，要不斷改革，不斷完善。