以工程需求為導向的工程制圖測繪實踐教學模式探索

唐樂為 熊德紅 黃星梅 張愛軍 諶霖霖

[摘 要]面向新工科建設(shè)和“六卓越一拔尖”計劃2.0要求，工程基礎(chǔ)課教育工作者需要探索構(gòu)建新工科人才培養(yǎng)的教學新模式。為了培養(yǎng)具有新工科背景下的工科創(chuàng)新人才，以工程需求為導向初步探索工程制圖測繪實踐教學新模式，構(gòu)建以數(shù)字化設(shè)計為主線的工程制圖測繪教學課程新體系。以學生工程素質(zhì)和創(chuàng)新設(shè)計能力的發(fā)展為測繪課程教學設(shè)計的出發(fā)點，強調(diào)并突出探究性和個性化創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。該測繪實踐教學新模式為其他院校工程制圖實踐課程建設(shè)提供了思路與參照，對新工科其他專業(yè)實踐課程建設(shè)具有一定的參考意義。

[關(guān)鍵詞]工程教育;新工科;工程制圖測繪;工程實踐教學

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2020）11-0091-04

一、概述

高等學校新工科建設(shè)的主要任務是培養(yǎng)工科創(chuàng)新人才[1]。工程基礎(chǔ)課程作為基本載體，對工科人才創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有不可替代的作用。近年來，教育部積極推進各高校新工科建設(shè)，開展關(guān)于工程教育改革的五項新內(nèi)容（新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量和新體系）建設(shè)[2]，全面探索中國工程教育新模式，培養(yǎng)具有工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的人才，實現(xiàn)制造強國發(fā)展和建設(shè)的戰(zhàn)略目標。不同于傳統(tǒng)的工科教育，新工科建設(shè)要求高等學校工科課程新體系立足于國家戰(zhàn)略需求，加強校企交流合作，明確市場產(chǎn)業(yè)需求，以適應未來工科教育的發(fā)展。因此，新工科課程建設(shè)呈現(xiàn)如下三個特點：1.產(chǎn)業(yè)需求導向代替學科導向的課程教學，產(chǎn)教融合為產(chǎn)業(yè)發(fā)展培養(yǎng)創(chuàng)新高端人才[3];2.專業(yè)交叉融合取代單一專業(yè)學習，多學院通力合作共同培育創(chuàng)新人才[4];3.從適應企業(yè)服務過渡到引領(lǐng)國際化創(chuàng)新技術(shù)研究和開發(fā)[5-6]。面對新工科的實踐課程建設(shè)[7]，探索并構(gòu)建以數(shù)字化設(shè)計為主線的工程制圖測繪課程新體系，以學生工程素質(zhì)和創(chuàng)新設(shè)計能力的發(fā)展為教學設(shè)計的出發(fā)點，強調(diào)高校本科生探究性和個性化創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。該課程體系旨在為其他院校工程制圖實踐課程建設(shè)提供思路與參照，對新工科其他專業(yè)實踐課程建設(shè)具有一定的參考意義。

二、工程制圖實踐教學新模式

工程制圖可以認為是以圖形系統(tǒng)（包括工程圖形中的點、線、面和立體等幾何元素）為載體，用以表達工程對象客體屬性信息的基礎(chǔ)學科[8]。工程制圖作為本科生的第一門工程基礎(chǔ)課程，通過教授工程圖學知識，培養(yǎng)本科生工程圖學理論的應用能力，促進本科生工程圖學思維的產(chǎn)生和發(fā)展。工程制圖實踐教學目標在于從產(chǎn)品裝配體測繪操作、數(shù)字化產(chǎn)品建模和參數(shù)化設(shè)計等方面進一步加深和拓寬學生在工程制圖、機械數(shù)字化設(shè)計、互換性與檢測技術(shù)、工程材料等課程中所學的基本知識，結(jié)合產(chǎn)業(yè)需求提出的機械產(chǎn)品設(shè)計具體問題，培養(yǎng)學生用學科專業(yè)理論知識解決工程實際問題的能力，探索一種以數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計為目標的工程制圖實踐教學新模式。

（一）工程制圖實踐教學體系

工程制圖實踐教學的總體設(shè)計需要從教學內(nèi)容、教學方法、時間安排和能力評價四個方面進行綜合思考?；谛鹿た埔?，工程制圖實踐教學體系的構(gòu)建如圖1所示。教學內(nèi)容包括圖學知識理論講解、產(chǎn)業(yè)工程概念導入、專業(yè)知識綜合運用和團隊協(xié)作能力培養(yǎng)。圖學知識理論學習階段主要集中在本科一年級期間，通過繪圖作業(yè)和集中討論課加深和拓展畫法幾何、投影理論及國家標準的學習?；诮虒W課題組實踐經(jīng)驗，在本科一年級適當引入產(chǎn)業(yè)工程理念和產(chǎn)品構(gòu)型設(shè)計相關(guān)教學內(nèi)容，這對后續(xù)機械類專業(yè)課程的學習會起到一定的促進作用。工程圖學實踐教學體系第二步，即學生處于大一下學期時，建議結(jié)合機械制圖中零件和裝配體內(nèi)容，導入相應的工程概念。要求學生具有讀懂工程零件圖的能力，通過工程材料選擇和零件構(gòu)型分析，完成產(chǎn)品實物數(shù)字化模型的創(chuàng)建和再創(chuàng)作。在工程圖學零件圖和裝配圖講解時，需要教師適當增加產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計和功能原理分析，同時加強學生對制造工藝流程的認識和理解。在綜合運用專業(yè)知識的基礎(chǔ)上，團隊協(xié)同合作能力的培養(yǎng)對本科生從學生到工程師的轉(zhuǎn)變起到重要的支撐作用。測繪實踐課程設(shè)計教學開設(shè)在機械類專業(yè)本科二年級，通過產(chǎn)品的參數(shù)化建模和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，培養(yǎng)具有一定專業(yè)設(shè)計能力的機械類創(chuàng)新人才。

（二）測繪實踐任務與要求

要求每位學生按照指導教師的總體要求和小組分配的產(chǎn)品裝配件設(shè)計任務，制定任務截點時間表，以小組為單位（每組4—5名學生）獨立完成測繪實踐課程各個環(huán)節(jié)的學習。在實踐課程答辯前，要求以小組為單位提交一套完整的測繪草圖、一套完整的二維工程零件圖及裝配圖、完整的產(chǎn)品三維裝配體模型及測繪實踐報告。

測繪實踐教學過程著重培養(yǎng)學生的動手能力、合作能力、協(xié)調(diào)能力和解決工程實際問題的創(chuàng)新能力。要求學生從機械產(chǎn)品設(shè)計者的角度出發(fā)，將工程軟件應用與機械設(shè)計專業(yè)知識、工程技術(shù)規(guī)范和國家標準的應用緊密結(jié)合，要讓學生認識到此實踐課程設(shè)計是運用先進三維信息（數(shù)字孿生）技術(shù)進行產(chǎn)品設(shè)計。這個過程不僅僅要完成繪圖、建模和編程的訓練，更重要的是實踐一種先進的數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計工程實踐模式。

（三）測繪實踐教學設(shè)計

測繪實踐教學設(shè)計是教師為實現(xiàn)測繪實踐課程目標、完成教學任務，對教學內(nèi)容進行系統(tǒng)規(guī)劃和組織的過程。目前，該實踐課程共32學時，記2學分，課程時間安排在本科二年級暑假學期，為期兩周。根據(jù)課程內(nèi)容和能力評價的要求，測繪實踐教學設(shè)計分為5個環(huán)節(jié)，如圖2所示。下面以桌虎鉗（圖3）為例進行測繪實踐課程教學設(shè)計介紹。

1.產(chǎn)品裝配體測繪

課程教學設(shè)計第一步產(chǎn)品裝配體測繪包含以下四項內(nèi)容。

（1）繪制裝配示意圖

繪制裝配示意圖前，學生通過分組討論分析產(chǎn)品工作原理、結(jié)構(gòu)功能、裝配關(guān)系和主要的性能參數(shù)。指導教師講解拆裝工具的安全使用要求，旨在讓學生了解合理正確使用工具的必要性。督促學生查找產(chǎn)品相關(guān)專業(yè)手冊，采用類比的方法確定產(chǎn)品型號和主要性能參數(shù)，完成桌虎鉗的裝配示意圖。

（2）繪制零件草圖

分析裝配體各零件類型是否為標準件，確定設(shè)計基準和視圖表達方法。對于標準件，要求學生熟練掌握查閱機械設(shè)計標準手冊、確定標準件類型的方法。對于非標準零件，培養(yǎng)學生的產(chǎn)品二次設(shè)計能力，著重考查學生對于零件材料、粗糙度和幾何公差等技術(shù)要求的理解和設(shè)計。同時，通過繪制零件草圖，加深學生對機械加工制造方法和互換性等課程知識點的理解。

（3）量注尺寸

零件量取的尺寸一般采用尺寸優(yōu)先數(shù)。配合尺寸一般只在配合兩零件中的一個零件量取。對于一些重要尺寸（比如最小軸徑），量取后需要通過理論計算進行強度和剛度校核。另外，零件上已有標準化的結(jié)構(gòu)尺寸（比如退刀槽和燕尾槽）需要查閱有關(guān)標準確定。

（4）確定并標注有關(guān)技術(shù)要求

學生需要查閱工程材料教材和機械設(shè)計手冊，確定零件技術(shù)要求和材料類型。

完成零件草圖繪制后，由具有相同裝配體的不同小組學生完成產(chǎn)品零件草圖互審，初步培養(yǎng)學生作為工程師的審圖能力。

2.數(shù)字化建模

從裝配體零部件的基準（設(shè)計、工藝、測量、加工、裝配等基準）入手，分析各個零部件的合理建模方法及過程，分析基準、草圖平面和建模步驟等的內(nèi)聯(lián)關(guān)系，學會更好地利用草圖平面表達產(chǎn)品基準等設(shè)計概念，使結(jié)構(gòu)建模過程更為合理。分析1—2個典型零件結(jié)構(gòu)和主要加工制造工藝，討論采用不同三維數(shù)字化建模方法的合理性和零件的尺寸標注。確定相關(guān)零件尺寸相關(guān)性，進一步修改草圖，具體分析步驟如下。

（1）分析指出裝配體的各裝配主線及其作用，分析各個零部件的裝配基準、接合面和運動副的類型等。

（2）對各個零部件之間的裝配關(guān)系、裝配配合公差以及零部件之間的連接、緊固和密封方法進行說明。

（3）指出組成運動副的各個零件之間的運動約束關(guān)系。

（4）建立裝配體三維數(shù)字化裝配模型，如圖4所示。利用三維數(shù)字化裝配模型檢測零部件之間的潛在干涉，完善修改測繪草圖和二維零件工程圖。

基于產(chǎn)品裝配體數(shù)字化模型，分析運動部件的仿真需求。

（1）分析主運動及其實現(xiàn)方法。

（2）指出不同的建模方法（如草圖平面、基準的處理等）與仿真分析的關(guān)系，理解CAD與CAE兩種技術(shù)的相互依存關(guān)系。

（3）從裝配體工作性能分析的角度指出需要進行哪些仿真分析，并盡可能指出仿真分析用的方法和軟件系統(tǒng)。

3.零件參數(shù)化設(shè)計

引入Open Grip 等編程語言，讓學生嘗試使用程序語言進行三維模型的設(shè)計與繪制，提高學生的產(chǎn)品二次開發(fā)及編程的能力，具體實施流程如下。

（1）分析需要參數(shù)化設(shè)計的零部件結(jié)構(gòu)，確定參數(shù)及其輸入方式、建模方法等，繪制程序設(shè)計框圖。

（2）根據(jù)確定的建模方法和流程，設(shè)計主程序以及子程序結(jié)構(gòu)。

（3）針對參數(shù)特點和輸入方式，設(shè)計用戶交互式界面，根據(jù)規(guī)定的參數(shù)范圍，設(shè)計程序的糾錯功能。

（4）按照程序書寫規(guī)范（如主詞和輔詞一律大寫，變量小寫;根據(jù)程序結(jié)構(gòu)采用縮進方式編程;適當進行標注，增強程序的可讀性等）完成程序編碼及調(diào)試，輸出設(shè)計結(jié)果。

4.測繪實踐報告

此部分極其重要但又經(jīng)常為工科學生所忽略。工科學生往往將重點放在規(guī)范化設(shè)計及圖紙繪制，而忽視報告撰寫的重要性。此環(huán)節(jié)重在提高學生報告撰寫的能力，提高學生文檔編排的能力，讓學生明白“既要做好，更要展示好”的重要性。

5.實踐課程答辯

（1）答辯PPT的制作。此部分是整個課程設(shè)計中非常重要的環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生PPT的展示能力，讓學生盡可能展示工作亮點，這有利于提高學生的表達能力。

（2）答辯材料的完整性。答辯前需學生使用檔案袋封裝好一套完整圖紙、測繪實踐設(shè)計說明書一份以及電子文檔光盤一份，以培養(yǎng)學生材料整理的規(guī)范能力。

（3）其他組對答辯組提問。其他組對答辯組進行提問，答辯組進行解答，這將作為評價體系內(nèi)容之一。對非答辯組的學生來說，這有利于他們進行思考，積極參與討論;對答辯組的學生來說，這可以增強他們答辯過程的臨時應變能力，有助于提高他們的表達能力。

（4）答辯材料修改。依據(jù)答辯教師及學生的意見，對答辯材料進行修改。此環(huán)節(jié)有利于學生對答辯材料中存在的錯誤進行更加深刻的了解，有助于學生綜合實踐能力的提升。

（5）組內(nèi)匿名互評。通過此環(huán)節(jié)，進一步培養(yǎng)學生積極主動思考的能力，對組內(nèi)成員工作進行合理評價，同時這也提高了組內(nèi)學生的責任感。

（四）測繪實踐綜合能力評定

實踐課程評價體系由9個部分組成，如表1所示。草圖測繪、裝配圖、UG建模、CAD裝配圖、UG參數(shù)化設(shè)計均有教師現(xiàn)場批改，成績占比均為5%。CAD零件圖和課程報告采用課后批改，成績占比分別為5%和10%。著重強調(diào)課程報告內(nèi)容與格式的書寫，為后續(xù)專業(yè)課程設(shè)計報告的規(guī)范撰寫奠定堅實的基礎(chǔ)。答辯環(huán)節(jié)由任課教師主持，答辯學生在完成課程設(shè)計展示后，需要回答教師和其他學生的提問。教師綜合學生設(shè)計展示和回答問題的表現(xiàn)給出相應的答辯分數(shù)。組內(nèi)評分實行階梯差異化評分，按1、0.8、0.6、0.4記錄成績。最終，結(jié)合以上9個方面的內(nèi)容，完成學生課程總體評價。

三、總結(jié)

在工程制圖測繪實踐教學過程中，工程概念始終貫穿于其中，旨在打造堅實的機械專業(yè)金課基礎(chǔ)。通過導入工程標準化概念，在產(chǎn)品裝配測繪和數(shù)字化建模裝配過程中，增強本科生對于工程材料、熱處理、互換性技術(shù)和加工工藝對尺寸要求等工程內(nèi)容的理解和應用。在零件參數(shù)化設(shè)計教學中，培養(yǎng)學生創(chuàng)新設(shè)計思維和工程軟件開發(fā)能力。

工程制圖實踐教學體系從教學內(nèi)容、教學形式、時間安排和能力評價四個方面，為高等院校工程制圖課程建設(shè)提供了新思路。特別是工程制圖測繪實踐教學課程給出了教學設(shè)計過程安排，對我國新工科基礎(chǔ)實踐課程安排和創(chuàng)新設(shè)計人才培養(yǎng)進行了初步探索，具有借鑒和參考意義。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 胡弼成.高等教育學[M].長沙：湖南師范大學出版社，2015：161-167.

[2] 教育部高等教育司.關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知（教高司函〔2017〕6號）[R].2017.

[3] 施曉秋，徐贏穎.工程教育認證與產(chǎn)教融合共同驅(qū)動的人才培養(yǎng)體系建設(shè)[J].高等工程教育研究，2019（2）：33-39.

[4] 姚威，胡順順，儲昭衛(wèi).基于設(shè)計綜合體學習（DBAL）的創(chuàng)新設(shè)計人才培養(yǎng)路徑研究[J].高等工程教育研究，2019（2）：73-78.

[5] 馮軍，路勝利.借鑒德國經(jīng)驗構(gòu)建“六化”本科應用型人才培養(yǎng)模式[J].高等工程教育研究，2019（2）：129-133.

[6] 劉敬，劉衍聰.OBE-CDIO理念下工業(yè)設(shè)計專業(yè)課程實踐教學體系構(gòu)建[J].圖學學報，2019，40（2）：416-421.

[7] 黃志高，林應斌，陳水源，等.“一體兩創(chuàng)三應用”新能源工科實踐體系的構(gòu)建與實踐[J].中國大學教學，2018（7）：72-76.

[8] 毛昕.工程圖學教學思想與方法[M].北京：清華大學出版社，2016：5-6.

[責任編輯：陳 明]