新工科背景下地方高校機械制圖課程改革的探索

張向華，葉 霞

（江蘇理工學(xué)院 機械工程學(xué)院，江蘇 常州 213001）

2015年3月5日，李克強總理的政府工作報告中首次提出“中國制造2025”的宏大計劃，同年5月19日國務(wù)院正式印發(fā)《中國制造2025》。為主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、“中國制造2025”等一系列國家戰(zhàn)略，教育部于2017年2月18日在復(fù)旦大學(xué)召開了高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會，與會高校對新時期工程人才培養(yǎng)進行了熱烈討論，共同探討了新工科的內(nèi)涵特征、新工科建設(shè)與發(fā)展的路徑選擇，并達成了10點共識，稱為“復(fù)旦共識”。同年4月8日，教育部又在天津大學(xué)召開新工科建設(shè)研討會，60余所高校共同制定了《“新工科”建設(shè)行動路線》，簡稱“天大行動”。緊接著在6月9日，新工科研究與實踐專家組在北京通過了《新工科研究與實踐項目指南》，簡稱“北京指南”。復(fù)旦共識、天大行動和北京指南，構(gòu)成了新工科建設(shè)的“三部曲”，為工程教育改革拉開了序幕。

與老工科相比，“新工科”更強調(diào)學(xué)科的實用性、交叉性與綜合性，尤其注重信息通訊、電子控制、軟件設(shè)計等新技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)的緊密結(jié)合?？萍几锩淖兘逃齼?nèi)容，信息革命改變教育模式，工程教育必須主動適應(yīng)，幫助未來的工程師們建構(gòu)起符合時代要求的思維方式和知識結(jié)構(gòu)，并且更加注重培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力[1]。正因為如此，加快建設(shè)和發(fā)展“新工科”，培養(yǎng)新經(jīng)濟急需緊缺人才，培養(yǎng)引領(lǐng)未來技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的人才，已經(jīng)成為全社會的共識。新工科以新經(jīng)濟、新產(chǎn)業(yè)為背景。其建設(shè)一方面要設(shè)置和發(fā)展一批新興工科專業(yè)，另一方面要推動傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級改造。無論是發(fā)展新型工科專業(yè)還是升級傳統(tǒng)工科專業(yè)，最終落腳點都要落實到相關(guān)專業(yè)課程的建設(shè)與改革上。

1 新工科背景下機械制圖課程存在的問題

1.1 課程內(nèi)容陳舊，難以滿足新技術(shù)發(fā)展的要求

中國的圖學(xué)教育在上個世紀50年代并沒有統(tǒng)一的模式，50年代至70年代末參照前蘇聯(lián)的模式建立了完整的理論體系，70年代末開始學(xué)習(xí)美、英、日等國的模式，逐漸重視工程應(yīng)用，到了90年代，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，開始引入計算機繪圖的內(nèi)容，整個課程體系、內(nèi)容和教學(xué)手段都有了新的變革[2]。 但從進入21世紀至今，地方高校機械制圖課程的教學(xué)內(nèi)容與二十年前基本相同，主要內(nèi)容還是由點線面的投影、立體的投影、組合體三視圖、軸測圖、表達方法、標準件與常用件、零件圖、裝配圖和計算機輔助繪圖組成。

傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品設(shè)計與制造都是以二維圖紙為主線：產(chǎn)品設(shè)計工程師先構(gòu)思三維產(chǎn)品，然后根據(jù)構(gòu)思繪制二維工程圖紙；產(chǎn)品制造工程師根據(jù)二維圖紙確定加工方法，編制加工工藝；生產(chǎn)工人讀懂二維圖紙進行加工。但隨著計算機輔助設(shè)計技術(shù)的飛速發(fā)展，目前企業(yè)在進行產(chǎn)品設(shè)計時直接從三維模型展開設(shè)計已經(jīng)非常普遍。產(chǎn)品設(shè)計工程師利用三維設(shè)計軟件直接構(gòu)建三維模型，并完成虛擬裝配和運動仿真；產(chǎn)品制造工程師可根據(jù)三維模型生成數(shù)控代碼直接用于數(shù)控加工，或根據(jù)三維模型直接進行3D打印，如果企業(yè)的加工技術(shù)比較傳統(tǒng)還可以利用三維模型直接生成二維工程圖紙來加工。由此可見設(shè)計與制造技術(shù)有了飛速的發(fā)展，但反觀機械制圖課程的授課內(nèi)容變化并不大。大部分地方高校的授課體系還是以二維視圖為主線，從點、線、面的二維投影過渡到立體的二維視圖，最后到二維的零件圖與裝配圖。在教學(xué)過程中反復(fù)向?qū)W生去講解如何將三維形體投影得到二維視圖以及如何由二維視圖去構(gòu)思空間形體，通過不斷的二維視圖與三維形體的轉(zhuǎn)化達到培養(yǎng)學(xué)生空間想象能力的目的，這種授課體系與目前的面向三維模型的設(shè)計思路明顯沖突，因此有必要對課程的教學(xué)內(nèi)容進行改革。

1.2 教學(xué)方法傳統(tǒng)，課堂教學(xué)缺乏針對性和精準性

目前大部分地方院校機械制圖課程所采用的教學(xué)方法與二、三十年前相比變化不大，主要采用的還是講授法和練習(xí)法，外加少量的討論法。教學(xué)手段上將以前的掛圖、實物模型和幻燈片換成了現(xiàn)在的PPT、電子圖片和三維軟件繪制的模型。課堂上教師占主導(dǎo)地位，一般是教師在課堂上先向?qū)W生講授有關(guān)的知識點，然后講解幾個與知識點相關(guān)的例題，接著會在課堂上布置少量的課堂練習(xí)，并可能會對所做練習(xí)展開簡單的討論，最后通過課后作業(yè)進一步強化學(xué)生對相關(guān)內(nèi)容的理解。與以前相比，在教學(xué)手段上有了一些革新，多媒體輔助教學(xué)得到了全面的推廣，利用電子模型、電子圖片代替了早期的掛圖與木模。但教學(xué)效果并沒有什么改善，很多學(xué)生都反映在制圖課程的學(xué)習(xí)過程中存在課上能聽懂但課后不會做的現(xiàn)象，部分學(xué)生在課后可能要花很長時間來完成一道題，并且結(jié)果可能不完全正確，這樣嚴重打擊了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。并且由于機械制圖課堂所面對的學(xué)生空間思維能力參差不齊，但課堂上教師的教學(xué)采用的卻是“一刀切”的教學(xué)過程，教學(xué)缺乏針對性，導(dǎo)致出現(xiàn)能力強的學(xué)生吃不飽，而能力差的學(xué)生卻消化不了的現(xiàn)象。新工科建設(shè)對課程提出了新的要求，要求課堂教學(xué)具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，教學(xué)過程中要做到以學(xué)生為中心。要想讓工程圖學(xué)課程達到新工科建設(shè)的要求，就必須對教學(xué)方法開展全面的改革。

1.3 課堂沉默現(xiàn)象普遍，課堂上學(xué)生參與度不高

隨著大學(xué)教育由精英教育向素質(zhì)教育轉(zhuǎn)變，許多地方高校所招收的學(xué)生學(xué)習(xí)能力并不強，學(xué)習(xí)自覺性與主動性較差。在以講授法為主的課堂上，許多學(xué)生都習(xí)慣了老師講自己聽的授課節(jié)奏，教師在課堂上提出的問題很難得到學(xué)生的回應(yīng)，靜默課堂成了目前大部分地方高校的普遍現(xiàn)象。

1.4 課堂教學(xué)效果反饋滯后或失真

目前大部分地方高校的機械制圖相關(guān)課程的效果主要依靠課后作業(yè)來反映，教師必須在完全批改完學(xué)生的作業(yè)后才能了解學(xué)生的掌握情況，這樣導(dǎo)致教學(xué)效果反饋滯后，教師不能實時了解學(xué)生對當(dāng)堂課程內(nèi)容的掌握情況。另外還有部分學(xué)生存在抄襲作業(yè)的情況，這樣導(dǎo)致通過課后作業(yè)所反映出來的教學(xué)效果失真，部分學(xué)生可能出現(xiàn)平時作業(yè)成績較好，但到期末考試時成績卻很差的情況。

1.5 師資力量薄弱

隨著老一輩的圖學(xué)課程任課教師陸續(xù)到了退休年齡，大量新教師補充進來。目前，絕大部分地方高校在招聘專業(yè)任課老師時都要求具有博士學(xué)位，而機械工程專業(yè)的博士培養(yǎng)周期長，部分博士畢業(yè)后直接進了企業(yè)或研究院所，再加上地方高校地理位置、學(xué)科平臺及薪資待遇等吸引力不強，導(dǎo)致地方高校招人困難，要招聘一位本、碩、博均為機械類專業(yè)的博士來地方高校承擔(dān)工程圖學(xué)課程的教學(xué)任務(wù)非常困難。這樣導(dǎo)致一些地方高校所招聘的制圖課程任課教師可能本科并非機械類專業(yè)，以前沒學(xué)過工程圖學(xué)課程，或只是學(xué)過少學(xué)時的圖學(xué)課程，并且絕大部分新引進的老師都沒有工廠的實際工作經(jīng)驗，這樣的師資力量很難滿足新工科背景下高等工程教育教學(xué)改革的要求。

2 地方高校機械制圖課程改革實施方案

2.1 更新機械制圖課程教學(xué)內(nèi)容

教育部在“天大行動”的行動方案中提出了一條“問技術(shù)發(fā)展改內(nèi)容，更新工程人才知識體系”的行動路線[3]。隨著面向三維模型的設(shè)計技術(shù)的廣泛推廣，機械制圖課程的教學(xué)內(nèi)容也必須與此相適應(yīng)。

近十多年來，如何將三維建模技術(shù)與工程圖學(xué)課程進行結(jié)合一直是圖學(xué)教育工作者的一個研究熱點[4]。新的工程圖學(xué)課程內(nèi)容應(yīng)該是面向三維設(shè)計，但還不能完全擺脫二維視圖，可以將三維設(shè)計知識融入傳統(tǒng)的圖學(xué)教材內(nèi)容中。在教學(xué)內(nèi)容的組織上可以選取某一三維設(shè)計軟件，將軟件中的草圖繪制、零件建模、裝配建模、標準件的調(diào)用以及生成工程圖融入教材的各個章節(jié)中。比如，在制圖基本知識的平面圖形的繪制知識點部分增加三維軟件草圖繪制的介紹；在立體的投影部分增加基本立體的建模方法介紹，棱柱建?！旆?、圓柱建?！旎蛐D(zhuǎn)法、棱錐建?！艠臃?；在組合體部分增加復(fù)雜形體建模的內(nèi)容；在機件的表達方法部分介紹各種視圖、剖視圖和斷面圖的自動生成方法；在標準件與常用件部分介紹標準件的調(diào)用方法；在零件圖部分增加各種典型零件的建模方法及零件圖的自動生成；在裝配圖部分增加裝配建模及運動仿真。通過將三維建模技術(shù)融入畫圖與看圖相關(guān)知識的講授，不僅使所講授的知識更適應(yīng)新技術(shù)發(fā)展的需要，而且更加有助于學(xué)生空間思維能力的培養(yǎng)。

要想真正實現(xiàn)機械制圖課程教學(xué)內(nèi)容的更新，首先必須完成教材內(nèi)容的更新。1996年原國家教委啟動了“面向21世紀高等工程教育教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革計劃”，推動了工程圖學(xué)教程的編寫工作，全國許多院校組織編寫了一批面向21世紀的工程圖學(xué)教材[5]。目前許多地方高校所使用的工程圖學(xué)教材內(nèi)容與近二十年前所編教材相差不大。隨著面向三維模型的設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，新的教材應(yīng)以產(chǎn)品設(shè)計表達方法為主線，從三維與二維之間的關(guān)聯(lián)入手，建立三維設(shè)計表達與二維工程圖表達相互融合的知識結(jié)構(gòu)體系。

2.2 變革機械制圖課程教學(xué)方法與手段

李培根院士在“工科何以而新”的論文中專門指出“新工科”要體現(xiàn)在教育教學(xué)的新方法上。其中特別指出了一個新方法那就是“去中心化”。他指出“傳統(tǒng)的教育是以教師為中心的，教師教什么，學(xué)生學(xué)什么；教師講什么，學(xué)生聽什么。未來的教育不能以教師為中心。教師要更多地考慮如何開發(fā)學(xué)生的潛能”[6]。筆者認為這里所說的去中心化只是指去除以教師為中心，去中心化并不是不要中心，而是要將以教師為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心?！疤齑笮袆印敝械?條也指出“落實以學(xué)生為中心的理念，增強師生互動，改革教學(xué)方法和考核方式，形成以學(xué)習(xí)者為中心的工程教育模型”。

要想實現(xiàn)教學(xué)中心的轉(zhuǎn)變就必須改變傳統(tǒng)的教學(xué)方法，信息技術(shù)的飛速發(fā)展為教學(xué)方法的變革提供了強有力的支撐。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，與機械制圖課程相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)資源變得越來越豐富。教育部從2003年開始開展精品課程建設(shè)工作，2012年開始將原國家精品課程擇優(yōu)升級改造為精品資源共享課，2019年又開始推進國家一流本科課程的建設(shè)工作，同時隨著慕課、微課的發(fā)展，每門課程的線上資源變得越來越豐富。在中國大學(xué)MOOC平臺網(wǎng)站上，以“機械制圖”為檢索詞可以查到近50門與此相關(guān)的課程，其中有國家精品在線開放課程8門。線上教學(xué)資源的發(fā)展推動了線上教學(xué)方式的推廣。

2020年上半年，受到新冠肺炎疫情的影響，全國大部分高校都開展了線上教學(xué)。但經(jīng)過一個學(xué)期的線上教學(xué)，最后考核發(fā)現(xiàn)許多地方高校學(xué)生的學(xué)習(xí)效果對比傳統(tǒng)線下教學(xué)的效果要差。這主要是由于純粹的線上教學(xué)缺乏對學(xué)生的有效約束管理，學(xué)生與老師不能方便的交流，并且地方高校學(xué)生的自制力及學(xué)習(xí)能力相對偏弱所造成的。雖說線上教學(xué)存在這些缺點，但也展示出了傳統(tǒng)線下課堂所不具備的優(yōu)點。比如教學(xué)視頻可以反復(fù)觀看、學(xué)習(xí)時間可以自由安排。正是由于線上和線下課堂都存在各自的優(yōu)缺點，因此未來的理想教學(xué)方法應(yīng)該是“線上+線下”的混合式教學(xué)。地方高?？梢砸劳袊揖吩诰€開放課程中的慕課，建立自己的SPOC，完成線上資源的建設(shè)。有條件的高校也可獨立建設(shè)自己學(xué)習(xí)的慕課。具體的混合式教學(xué)可讓學(xué)生抽取部分課后時間用于線上學(xué)習(xí)，通過慕課視頻自學(xué)簡單知識點，在線下的教學(xué)過程中教師主要針對難點內(nèi)容展開分析與討論，同時增加課堂練習(xí)、測試與討論時間，提高學(xué)生的參與度，通過提高學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的存在感與成就感來激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。

2.3 完善教學(xué)設(shè)計，打破課堂沉默

混合式教學(xué)為激發(fā)學(xué)生的參與提供了支撐，但要真正實現(xiàn)以學(xué)生為中心的目標，打破課堂沉默，還必須做好混合式教學(xué)的教學(xué)設(shè)計。首先，教師應(yīng)該分配好線上與線下的學(xué)習(xí)內(nèi)容?？蓪⒚看握n的三分之一的內(nèi)容安排于線上學(xué)習(xí)，該部分內(nèi)容應(yīng)相對簡單，核心內(nèi)容及難點內(nèi)容安排在線下課堂學(xué)習(xí)。其次，應(yīng)保證線上學(xué)習(xí)的有效性，要求所有學(xué)生都能按要求完成線上資源的學(xué)習(xí)，可以在線下課堂教學(xué)過程中使用一些數(shù)字化教學(xué)工具，如“雨課堂”“慕課堂”和“云班課”等，對學(xué)生線上學(xué)習(xí)情況開展測評，通過測評即可督促學(xué)生完成線上學(xué)習(xí)，也可檢驗學(xué)習(xí)效果。最后要做好線下課堂的重構(gòu)設(shè)計，打破教師滿堂灌的現(xiàn)象。線下課堂教學(xué)設(shè)計是最重要一環(huán)。教師可在課堂的前十五分鐘左右完成上次課內(nèi)容的回顧及線上學(xué)習(xí)內(nèi)容的評測，該評測可直接通過雨課堂等工具完成，教師再根據(jù)評測結(jié)果對相關(guān)知識進行歸納總結(jié)。接著進行新知識點的分段學(xué)習(xí)與討論，每個新知識點的學(xué)習(xí)情況都可通過雨課堂等工具進行測評及總結(jié)歸納。測評時除了選用客觀題外也可設(shè)置主觀題，讓學(xué)生拍照上傳答案，然后將一些犯有典型錯誤的答案投屏展示后讓學(xué)生展開討論。在課程的最后階段進行本次課內(nèi)容總結(jié)，這時可引導(dǎo)學(xué)生利用雨課堂上的“彈幕”工具發(fā)送知識點關(guān)鍵詞，再通過“詞云”工具將關(guān)鍵詞歸納匯總，然后引導(dǎo)學(xué)生進行總結(jié)。通過這樣的教學(xué)設(shè)計后，學(xué)生在教學(xué)的每個階段都能充分參與，課堂沉默現(xiàn)象自然會被打破。

2.4 改革評價方法，增強過程考核

打破單純依靠課后作業(yè)來評價學(xué)生學(xué)習(xí)效果的現(xiàn)狀，增加課堂測驗和單元測驗等多種過程考核形式。數(shù)字化教學(xué)工具“雨課堂”、“慕課堂”等為課堂開展小測驗提供了支撐。比如教師可以利用雨課堂在機械制圖課件中插入一些題目，對相關(guān)的知識點開展考核。在復(fù)習(xí)上次課的內(nèi)容時，改變傳統(tǒng)課堂教師直接講授的方法，將上次課的主要內(nèi)容用幾道選擇題來呈現(xiàn)，通過學(xué)生的回答結(jié)果統(tǒng)計可很快了解學(xué)生對相關(guān)內(nèi)容的掌握情況。對于新知識點的掌握情況也可采用相同的方法考核。但由于數(shù)字化教學(xué)工具只能對客觀題給出答題是否正確的判斷，而對于作圖題等主觀題必須要靠教師去逐個批閱，這導(dǎo)致單純依靠這種工具很難對學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況進行全面的評價，因此還需要利用單元測驗來進行更深入的評價，所設(shè)置的單元測試題主要是作圖題。

2.5 加強師資隊伍建設(shè)

工程圖學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量與任課教師的相關(guān)素養(yǎng)是緊密相連的，這些素養(yǎng)包括教師的教學(xué)理念、教學(xué)方法、專業(yè)素養(yǎng)和學(xué)術(shù)水平等。因此對新教師的培養(yǎng)就顯得非常重要。要建設(shè)好師資隊伍，首先必須建好基層教學(xué)組織并充分發(fā)揮其作用。目前，大部分地方高校都保留了工程圖學(xué)教研室或課程組，但其作用主要是分配教學(xué)任務(wù)、討論教學(xué)大綱、組織考試試卷以及考試結(jié)束后組織閱卷等常規(guī)性的教學(xué)工作。要實現(xiàn)對新教師的快速培養(yǎng)，基層教學(xué)組織除了這些具體的教學(xué)事情外，還必須開展更多的實質(zhì)性指導(dǎo)工作，比如定期開展教學(xué)研討及交流，集體備課，老教師上示范課，新教師上公開課并集中點評，組織編寫教材，指導(dǎo)新教師申報教改課題等，這樣可以很快的幫助年輕老師熟悉整個教學(xué)過程。學(xué)校也應(yīng)該創(chuàng)造機會讓新教師進企業(yè)一線進行實踐鍛煉，使老師的理論知識與實踐能力更好的融合。