賓州州立大學工程圖學課程教學方法啟發(fā)

田 劼，王紅堯，WU Xin-li，BUSKIRK Gracevan

(1. 中國礦業(yè)大學(北京)機電與信息工程學院，北京 100083；2. 美國賓州州立大學工學院，賓夕法尼亞州 16802)

隨著先進制造技術、機器人及人工智能、計算機輔助技術的不斷發(fā)展，工程圖學課程如何更好的確定內涵和外延？更有效地培養(yǎng)學生的空間想象能力和形象思維能力，以滿足工程教育專業(yè)認證培養(yǎng)質量的要求，更好地滿足新時代的畢業(yè)要求等問題備受關注[1-4]。

不少專家學者借鑒了發(fā)達國家的教學模式，進行了教學改革相關研究。舒宏等[5]論述了中日兩國制圖教材及教學的異同點，提出了應從機械類人才培養(yǎng)總體最優(yōu)的角度，建設包括機械制圖教材在內的機械制圖課程。王迎和羅云霞[6]介紹了英國機械制圖課程成績評定的多樣性、綜合性和設計性。通過對比分析指出，我國機械制圖課程的考試方法在成績評定中，應以學生的實踐能力、創(chuàng)新能力和綜合能力的培養(yǎng)程度，作為主要考核目標。曹素紅[7]基于中德合作項目“IHK技術制圖師”方向，“技術制圖”課程整體教學框架采取“理論教學與實訓教學”相結合的設計方式。

國外各高校的工程圖學教育注重教學內容與設計思維的結合，從專業(yè)人才培養(yǎng)的需求出發(fā)，強調實踐性和時效性，強調成果導向教育[8]。劉晶[9]介紹了紐約大學機械專業(yè)和航空專業(yè)圖學課程的主要教學內容、教學特點及課程的優(yōu)缺點。朱科鈐等[10]介紹了普渡大學印第安納波利斯分校工程圖學課程的教學模式。張彥娥等[11]對中美工程制圖及CAD系列課程的教學目標、課程內容和學生對課程評價進行了比較。

賓夕法尼亞州州立大學，是美國第一所建立工業(yè)工程學系的大學，也是美國最大的十所公立研究型大學之一。其工程科學的教學和科研能力走在世界前列，尤其是工程圖學作為其重點課程之一，為學校培養(yǎng)了諸多的杰出工程師。本文作者以訪問學者身份赴賓州州立大學(PSU)交流一年，觀摩了工學院(SEDTAPP)(College of Engineering-the School of Engineering Design, Technology, and Professional Programs)工程圖學課程EDSGN100，包括課堂旁聽、輔導作業(yè)和上機實驗、平時測驗及期末考試、項目設計等諸多教學環(huán)節(jié)，并與學院的相關教授、助教、學生進行了大量交流，借此對美國的工程圖學教育進行較為全面的了解并受到了深刻的啟發(fā)和思考?；诖?，提出了工程圖學教學改革方法探索研究，為國內相關課程教學提供借鑒和參考。主要集中在重塑教學內容，以零件圖作為思維導圖開展模塊化主題式教學；制作三維虛擬教具及視頻，強化學生讀圖能力；以三維設計為導向的延展實踐教學應用，這些是與其他研究不同的較為具體的研究思路。

1 國際背景下工程圖學教學模式對比研究

1.1 教學內容—重視三維構形，關注細節(jié)

EDSGN100工程圖學被評為全美示范課程。主講教師吳新利教授已有二十多年的授課經驗。有40名大一新生選擇了這門課程。該課程一周授課3次，歷時15周，共90學時。分別在3個功能教室完成分組討論、理論學習和上機實踐。有2位助教，協(xié)助學生答疑和上機實踐。助教在電腦上用進度條長短表征學生每一個部分的完成情況。

吳教授在第一堂課重點闡述了課程的重要性，整個架構體系，每堂課程應覆蓋的知識點，考核模式等。且課前均發(fā)放課上和課后的練習作業(yè)，統(tǒng)一采用特制的方格紙。

(1) 重視三維構形。相比國內授課的教學內容，該課程更強調三維形體的重要性，深入探討正交視圖、尺寸標注、軸測投影等內容。課程內容進行了精心的安排，圍繞著機械工程設計開展理論、軟件應用、小組協(xié)同設計等多方面的訓練。

課程講解沒有具體的教材，有利于教師根據科技發(fā)展的要求隨時調整教學內容，與時俱進，充滿時代感。開篇直接講解正交投影、三視圖的繪制。教師通過圖1中的膠片投影展示借助玻璃容器觀測三維實體，引出6個視圖之間的三等關系，并闡明ISO國標標準和ANSI國標的差別。隨后的每個主題便圍繞三維實體的繪制逐漸深入講解，從基礎的繪圖比例、圓弧切線、尺寸標注到軸測圖的表達。在理論課上教師會詳細剖析案例的繪圖步驟，和學生同步繪制三視圖，再加上課后大量的練習，整體學習效果明顯。

圖1 膠片投影展示通過玻璃容器觀察三維實體Fig. 1 3D solids film projection shows through glass containers

此外每周安排有SolidWorks的主題訓練，學生通過軟件引導，逐步完成最終的圖形繪制學習，進一步推進了三維實體空間想象力的訓練。

這種重視三維構形的內容設置是美國工程圖學教學的精髓。圖學理論中離散孤立的知識點被精心地串聯(lián)起來，學生的思維也很自然地從三維形體設計發(fā)散到表達方式的正確選擇、尺寸的合理標注以及零件加工的精度等方面。同時，三維繪圖軟件被恰到好處地融合在教學中，成為快速、便捷地表達設計思維的輔助工具。真正實現(xiàn)傳授設計規(guī)范“圖紙”的目的，而非只傳授學生繪制“圖形”。

(2) 關注難點和細節(jié)。雖然不同于國內授課重視基礎理論知識點，但授課教師很注重難點和細節(jié)。如強調虛線的畫法：若虛線為粗實線的延長線時，虛線在連接處應留有空隙。圖2右上角為圖形的軸測圖。學生在教師的引導下，通過對比圖形占的方格數(shù)，能夠按比例快速繪制出頂視圖、主視圖和側視圖。因美國國家標準ANSI與國內標準ISO體系不同，所以3個視圖略有差別。通過實例的訓練，學生既能在腦海中將軸測立體圖形轉換為平面三視圖，也能理解虛線的正確畫法。

圖2 三視圖及虛線畫法的訓練Fig. 2 Three-view and dashed-line painting

對難點組合體部分。教師會引導學生詳細分析形體，看視圖抓特征，分解形體對投影，最終在腦海里構思出整體構形。并且會舉一反三，將同組的圖形放在一起強化訓練，使學生能真切理解知識的運用。如圖3所示。2組視圖層次較多，頂視圖完全一樣，主視圖也很像，但空間形體卻絕然不同。突破口就是分解形體抓視圖特征。以第1組為例，教師將主視圖按照封閉線框及特征分解為4部分。頂視圖根據長方形分解為3部分。然后將頂視圖與主視圖比對，如：4對應位置Ⅰ嗎？如果對，則4在最前端且高度最高，4之后的圖形都不可見，則1，2，3所指圖形均為虛線，與主視圖不符；4對應位置Ⅲ嗎？如果對，則4在最后端，4之前的部分均可見，則主視圖3對應的圖線不應是虛線……，如此通過“工程語言”與圖形反復對話，直到正確對應。

圖3 2組組合形體視圖分析Fig. 3 Analysis of two sets of combined views

1.2 教學實踐——立足項目設計，理論與實踐有機融合

在美國大學，尤其是研究型大學的工程圖學教學中，多包含項目設計的訓練內容。EDSGN100課程也不例外。學生從第二周開始，就進入了分組項目設計階段，40名新生共分為8個小組(每組5名)，并貫穿整個學期。要求學生在設計過程中自上而下，完成設計目標的確定、設計任務的分解、功能性分析、經濟性分析、結構性設計等等。針對各個設計環(huán)節(jié)，教授均提出非常明確的要求，并給與有效的指導和必要的考核。

例如：教師要求設計一個折疊購物車，設計要求：①是運輸日用品和其他材料的理想選擇；②緊密折疊，便于存放；③材料成本不得超過50美元；④重量應為100磅。以第6小組為例，小組成員通過仔細分析項目要求，采用頭腦風暴等方法選定設計方案；通過三維軟件SolidWorks對購物車局部及整體進行建模，如圖4所示；然后在工作室制作出實體模型，如圖5所示；最后撰寫完成項目報告并答辯。項目報告包括完整的問題陳述、任務說明、客戶需求評估、甘特圖、設計方法、工作圖、模型、工程分析、費用分析、結論、參考資料、致謝。小組成員任務分工見表1。

圖4 購物車車輪及整體結構三維建模Fig. 4 3D modeling of shopping cart wheels and overall structure

圖5 實驗室購物車模型制作Fig. 5 Laboratory shopping cart modeling

表1 任務分工Table 1 Division of tasks

此外，該學院很多設計項目都是由公司贊助的。在每學期末舉行大型的機械設計項目展示會。每個系優(yōu)選的項目模型參加展示及評選，很多研究都已申報專利并進一步產品化。

這些產、學、研、用的項目都極大的激發(fā)了學生的學習和創(chuàng)新熱情，整個設計過程中，學生團隊是實施的主體。通過一系列的教學實踐，學生能夠融合串聯(lián)工程圖學課上各知識點及專業(yè)課理論知識，并將三維軟件有效的應用到項目設計實施中去。

1.3 教學手段——膠片投影、多媒體、白板“三位一體”

教學手段利用膠片投影儀、多媒體、板書 “三位一體”教學媒介全方位闡述。徒手繪圖與計算機繪圖“雙管齊下”，將知識點有效的融匯到圖樣中。教師會選部分案例，利用膠片投影儀詳細剖析繪圖思路和步驟。

教師通過膠片同時展示三維立體圖和平面三視圖，剖析立體每次截切后對應的三視圖繪制思路。如圖6所示，在長方體的基礎上，先左右斜截切+底部凹型槽截切(對應紅色標示)，再進行垂直+斜切到底(對應綠色標示)。學生精準地緊跟教師的繪制步驟腳踏實地的去實踐。一方面教師親自繪制圖樣，可以有效把握講解的節(jié)奏，傳授重要的知識點，且能得到學生的反饋，清晰解答學生疑惑的問題；另一方面學生在與教師的同步繪圖中，有足夠的思考時間，能及時提出問題，分析解決問題。在教與學的良性互動中，學生不斷加強空間三維實體與二維三視圖之間的轉換理解。另外教師可利用膠片的特點，靈活延展不同實例，加深學生對同類知識點的深入思考。

對于不能用二維清晰表達的圖樣(圖7)，教師會采用多媒體及繪圖軟件，協(xié)助學生進行空間形體的想象，并映射到二維圖形中，完成“圖紙”到“形體”的多次轉換訓練。

圖7 利用多媒體協(xié)助學生理解二維圖樣Fig. 7 Use multimedia to help students understand two-dimensional drawing

此外對于重要的概念及總結，教師也會利用白板進行解釋。

教師靈活運用“三位一體”的教學模式不僅保留了傳統(tǒng)教學的課堂互動性，又充分發(fā)揮了多媒體的形象化和高效性，極大地幫助學生構建空間觀念，實現(xiàn)“體”與“形”的接軌，更能加深學生的理解。

2 國內教學方法改革探索與實踐

通過對比國際化工程圖學教學模式，結合國內授課特點，深入思索，進行如下教學方法改革實踐。

2.1 模塊化教學內容編排

目前國內多數(shù)高校工程圖學課程的教學內容，依舊是從最基礎的基本知識與基本技能入手，逐步講授形體幾何要素-點線面的投影、基本形體的三視圖及尺寸標注，組合體的構造及三視圖，機件常用表達方法，零件圖，裝配圖等。如果學時充裕，該種模式由易入難，類似“搭積木”的模式，最終系統(tǒng)化完成零件圖、裝配圖的讀圖及繪圖的學習。

但為了加快建設一流本科教育，促進人才培養(yǎng)質量顯著提升，國家對學生的素質有更高的要求，同時學時大幅縮減。這種“細而全”的授課模式不一定能達到預期的效果，或出現(xiàn)“頭重腳輕”，分配給零件圖、裝配圖的學時很少，無法有效達到課程的授課目的；或出現(xiàn)“囫圇吞棗”，學生無法及時理解消化知識點的問題。教與學的效果都受到一定的影響。為此，嘗試對教學內容進行模塊化的編排，重新制訂完善培養(yǎng)方案，突顯時代特征。

以《工程制圖B》為例，授課對象為近機類本科生，共48理論學時。將原有教學內容重新排列組合，刪減基礎的形體幾何要素-點線面的投影，以裝配圖作為引導，由零件圖作為課程開展的思維導圖，拆解各知識要點，以專題的形式逐一攻破。實踐由全局到局部，再綜合的講授模式，多角度培養(yǎng)學生空間想象能力和形象思維能力。

因軸套類零件使用非常廣泛，所以選擇帶有軸套類的裝配圖入手，拆分出軸套類零件。如圖8所示。

零件圖里涵蓋了工程制圖的所有知識點，就像一個“寶庫”，由其分解各主題，進行深入講解。學生在學習的過程中，首先認知了整體的裝配圖、零件圖的構形表征。再逐一專題學習包括正投影法三視圖的投影規(guī)律，組合體(曲面體相貫)，剖視圖、斷面圖及向視圖等機件表達方式，尺寸標注等。由具體應用實例帶動課程內容的專題展開，目的性明確，效果會更好。

圖8 軸套類零件圖涉及的知識點Fig. 8 The knowledge points involved in the parts diagram

2.2 利用三維虛擬教具，強化讀圖能力

通過多年的教學實踐，真切感受到學生在剛開始學習時，興趣濃厚。但隨著內容的深入，尤其在學習截割體及組合體后，理解難度加大，部分同學不能在第一時間跟上講授的步伐，直接影響授課效果。究其原因是學生腦海中積累的三維形體庫存較少，雖然書中繪制有立體軸測圖形，但學生依舊很難在頭腦中構建出對應的三維形體。縱觀傳統(tǒng)教學，教師會展示一些實體教具，增強學生的視覺感官，促進理解，但因不同課時所需教具類別不同，且不能照顧到所有同學，效果受限。而目前盛行的多媒體課件，重心在精美的動畫制作，不在三維實體的細節(jié)展示，效果依舊未達到預期。因此嘗試結合傳統(tǒng)與現(xiàn)代教學媒體的優(yōu)勢，利用SolidWorks制作所有例題、習題、及課外拓展的三維虛擬教具視頻動畫(圖9)，可以實現(xiàn)不同角度尤其是三視圖的展示。將其提前發(fā)給學生預習，這樣在課堂講授時，教師和學生可以有針對性的對難點進行研討。通過實踐，學生三維形體庫儲備得到提升，在教學相互匹配的基礎上，授課質量大幅提升，也促進了學習的積極性。

圖9 三維虛擬教具示例Fig. 9 3D virtual examples

2.3 延展實踐教學應用

要想真正掌握工程圖學的精髓，單依賴課堂授課是遠遠不夠的，必須要進行拓展實踐應用。學生只有在獨立運用知識點解決問題的過程中，才能感悟掌握。

國外比較重視學生的動手實踐環(huán)節(jié)，多數(shù)課程都配套有相關聯(lián)的實驗設備和場所，有完善的實驗室使用管理制度。對比國內教學，實踐環(huán)節(jié)還有待進一步完善提升。因此在現(xiàn)有教學條件下，可以借鑒國外項目設計的理念，通過專業(yè)綜合設計版塊，強化學生的實踐。近年來，嘗試引導學生通過SolidWorks軟件虛擬設計機械構件，行星齒輪等。再通過3D打印各零件，裝配出最終的機件，圖10是學生設計的轉動手柄，共包含有9個零件。打印的實體件要滿足設計要求，且能實現(xiàn)機構的運動。

圖10 3D打印轉動手柄Fig. 10 3D print rotation handle

雖然最終的機構件由3D打印機完成，但整個實踐過程依舊給了學生自由發(fā)揮的空間。學生不再是被動的純知識輸入體，而是主動創(chuàng)新設計的實施者。從初始的解讀文字性的設計要求，再到轉換成電腦里的“零件圖紙”工程語言，最終完成零件的打印、裝配。整個過程學生全程參與，不僅體悟到如何運用工程圖學的知識分析問題和解決問題，還能掌握三維軟件的使用。相信學生的收獲是非常大的。在此也建議在未來的工程圖學考核環(huán)節(jié)改革中，應加大學生動手能力、創(chuàng)新能力和綜合能力的考核環(huán)節(jié)。以使學生的能力和素質得到全面的培養(yǎng)和提高。

2.4 教學改革實踐成效分析

作者從2016年就開始嘗試工程圖學的改革，2017年在課堂上融入了部分三維建模的理念，學生反響較好，學習成績有一定的提高。表2為16，17級測控和材料專業(yè)(授課難度一致)學生的成績對比。可以看出學生出勤率、考試優(yōu)秀率、平均分均有所提高，不及格率降低。

表2 兩屆學生的成績對比Table 2 Scores comparison of two grades students

2018年全程參與了賓州州立大學工程圖學的授課，2019年即以材料2班作為試點進行了具體的三維設計的教改實踐，增加了三維虛擬教具的使用，加入了課堂研討及綜合設計板塊。圖11為教改實踐成效對比。可以看出材料2班學生課堂回答問題積極參與率高，作業(yè)、隨堂測驗、綜合設計、卷面等優(yōu)秀率都高于1班，且無不及格。

圖11 教改實踐成效對比Fig. 11 Effectiveness comparison of the education reform practice

通過教學模式的探索實踐，教師深切感受到，學生的設計能力、三維建模及讀圖能力都有大幅提高，激發(fā)了教與學的積極性，煥發(fā)課堂生機活力。

3 結 論

通過深刻透徹的接觸賓州州立大學工程圖學課程EDSGN100的教育理念，從教學內容、實踐、手段等多個方面，探討了課程教學特色，重新審視國內教學現(xiàn)狀，對工程圖學教改尤其是機械設計的應用具有如下借鑒價值，建議國內的教師學者能夠結合實際環(huán)境，有效開展教學。

(1) 強調三維教學，突破教學章節(jié)的限制，而不是面面俱到灌授。課程內容體系構建合理，授課內容“少而精”。建議國內工程圖學教育工作者能適當?shù)瘋鹘y(tǒng)內容中的圖解法，突出三維實體在未來設計中的地位。

(2) 將圖學教學內容與設計思維相結合，強調與工程實際緊密結合，強化學生的表達技能訓練和主觀能動學習，強調實踐性教學。在團隊項目設計實踐中，學生主觀能動性強，自主參與到項目設計中，有效融合基礎理論知識，軟件輔助繪圖。既加強了工程圖學語言交流，又加強了團隊協(xié)作。此外可考慮將教學和實操緊密結合，將課堂教學適當移動到工程機械裝備制造廠車間現(xiàn)場教學，以增強對工程機械結構感性認知和實踐能力。

(3) 教學手段中不全依賴多媒體課件，而是綜合靈活運用三維軟件、多媒體和板書的教學模式。徒手繪圖與計算機繪圖“雙管齊下”，教師的言傳身教強化學生規(guī)范化、標準化的徒手繪圖意識。因此國內圖學教師需重新評估傳統(tǒng)的教學手段，嘗試在傳統(tǒng)和現(xiàn)代化教學媒介中尋找兩者的平衡點，以獲得最佳效果。

(4) 建議國內的工程圖學考試改革中，不僅要考核學生基本理論知識的掌握情況，更應該將學生動手能力以及創(chuàng)新能力列為成績評定的重要指標。多元化評估機制可以提高學生的綜合能力，激發(fā)學生的潛能。這樣才能與時俱進，培養(yǎng)新一代應用型創(chuàng)新人才。

總之，作為圖學教育工作者，應適應當前時代發(fā)展趨勢，轉變原有的教育教學理念。從工程出發(fā)，以人為本，在高校與企業(yè)間發(fā)揮橋梁作用，促進產、學、研、用有效結合。努力培養(yǎng)造就新一代應用型的“雙一流”創(chuàng)新人才。