基于新工科的圖學(xué)課程體系建設(shè)與實(shí)踐

張學(xué)昌 楊慧梅 許少鋒 陸俊杰 李繼強(qiáng)

[摘 要]新工科圖學(xué)課程體系建設(shè)要通過教學(xué)理念更新、教學(xué)內(nèi)容調(diào)整，將實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容真正融入在線開放課堂教學(xué)中;以工程圖樣表達(dá)機(jī)械運(yùn)動原理及功能性設(shè)計為核心，在零件結(jié)構(gòu)功能設(shè)計上充分利用形體特征分析方法，形成工程圖學(xué)新體系;通過工程制圖內(nèi)容的重新組織，引入工程項目案例式教學(xué)，強(qiáng)化工程制圖功能創(chuàng)新設(shè)計，破解工程制圖課程圖形表達(dá)與功能設(shè)計割離、教學(xué)內(nèi)容封閉性與跨專業(yè)知識融通的問題。

[關(guān)鍵詞]新工科;工程制圖;功能設(shè)計;教學(xué)方法;工程素養(yǎng)

[中圖分類號] G642.3 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2021）05-0052-04

當(dāng)前，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加速演進(jìn)，人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)、新應(yīng)用、新業(yè)態(tài)方興未艾[1]。但目前我國高等工程教育面臨著很多問題，學(xué)校專業(yè)人才培養(yǎng)過程中教學(xué)內(nèi)容陳舊，實(shí)踐技能與企業(yè)技能需求“兩張皮”，專業(yè)技能與企業(yè)技能需求最后“一公里”問題，即所學(xué)專業(yè)技能與產(chǎn)業(yè)需求不完全契合等[2-4]，高等工程人才培養(yǎng)瓶頸對國家工業(yè)高速發(fā)展形成了巨大制約。

對于機(jī)械類學(xué)生而言，工程制圖能力是專業(yè)能力的基礎(chǔ)。作為工程師的語言，工程制圖課程培養(yǎng)工科學(xué)生空間思維與表達(dá)能力，同時，在繪圖過程中大量國家標(biāo)準(zhǔn)的正確運(yùn)用能讓學(xué)生形成嚴(yán)謹(jǐn)、規(guī)范、認(rèn)真的工作作風(fēng)。以工程應(yīng)用為支撐的工程制圖課程為大一新生開啟了專業(yè)學(xué)習(xí)的首道大門。工程制圖課程打開專業(yè)之門，呈現(xiàn)在學(xué)生面前的應(yīng)是一幅多彩如幻的工程世界。

一、圖學(xué)課程現(xiàn)狀分析

浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院（以下簡稱“我?！保┕こ讨茍D類課程雖然經(jīng)過一系列改革和教學(xué)創(chuàng)新，但實(shí)踐性訓(xùn)練教學(xué)仍然是課堂教學(xué)的薄弱環(huán)節(jié)，其普遍存在如下問題。

（一） 重理論，輕實(shí)踐，教學(xué)理念存在一定偏差

現(xiàn)代科技的發(fā)展，三維建模工具如Solidworks、UGNX、CATIA等給產(chǎn)品表達(dá)帶來質(zhì)的變化，三維設(shè)計、二維工程出圖和有限元仿真分析已是軟件工具的必備功能，三維軟件的引入使工程制圖教學(xué)內(nèi)容更貼近企業(yè)實(shí)際需求。但在工程制圖教學(xué)實(shí)踐中，三維設(shè)計軟件操作的方便性和三維模型的易表現(xiàn)性會使學(xué)生熱衷于產(chǎn)品的外觀概念設(shè)計，而對于機(jī)械結(jié)構(gòu)零件間的配合關(guān)系、技術(shù)要求及復(fù)雜裝配二維工程圖樣的表達(dá)等知識掌握不到位，在畢業(yè)設(shè)計、課程設(shè)計環(huán)節(jié)需要按工作原理對設(shè)計內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計時，學(xué)生往往不知所措，一臉茫然，提交的設(shè)計中看不中用，與工程設(shè)計和制造的要求相距甚遠(yuǎn)。

（二） 工程圖樣表達(dá)與產(chǎn)品功能設(shè)計割離，教學(xué)內(nèi)容銜接不當(dāng)

機(jī)械結(jié)構(gòu)都具有特定的功能，工程制圖課程重點(diǎn)在機(jī)械結(jié)構(gòu)的表達(dá)，機(jī)械設(shè)計課程重點(diǎn)在機(jī)械結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計，二者之間相互銜接。由于大學(xué)一年級的學(xué)生還沒有學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計的相關(guān)知識，工程制圖教師要具有豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗，將產(chǎn)品功能與工程圖樣表達(dá)融合在一起，避免就事論事。如果工程制圖課程只講形體結(jié)構(gòu)的表達(dá)，不涉及機(jī)件的功能結(jié)構(gòu)分析，學(xué)生在學(xué)習(xí)時只是機(jī)械記憶作圖的規(guī)范，當(dāng)在畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)中需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)功能表達(dá)時，不能用合理的表達(dá)方法正確表達(dá)自己的設(shè)計思想，這樣的教訓(xùn)每屆畢業(yè)生都有學(xué)生會遇到。

（三） 教學(xué)內(nèi)容封閉性與跨專業(yè)知識融通之間的矛盾

工程制圖針對專業(yè)不同劃分為機(jī)械類、近機(jī)械類和非機(jī)械類，知識體系與專業(yè)緊密耦合，表達(dá)出知識結(jié)構(gòu)的完整性和封閉性，而工程實(shí)際需要跨專業(yè)、跨領(lǐng)域交叉融合，現(xiàn)有的工程制圖內(nèi)容體系不能滿足新工科跨界融合特點(diǎn)。

二、圖學(xué)課程教學(xué)體系改革

基于上述問題，本文以新工科圖學(xué)體系建設(shè)與實(shí)踐為突破口，以在線開放課程、新形態(tài)教材和學(xué)科競賽為載體，以新技術(shù)、新理念及新模式為支撐，破解目前工程圖學(xué)課程存在的教學(xué)困境。

（一）課程內(nèi)容體系的改革

以新工科圖學(xué)課程體系建設(shè)為切入點(diǎn)，以結(jié)構(gòu)功能表達(dá)為主線縱向貫通課程知認(rèn)體系，從零件圖及工藝結(jié)構(gòu)的深入了解引導(dǎo)學(xué)生步入機(jī)械設(shè)計、機(jī)械制造領(lǐng)域，裝配圖的讀圖和繪制帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入機(jī)械專業(yè)高級階段。以圖學(xué)技能需求為基礎(chǔ)橫向貫穿課程知識體系，通過跨專業(yè)項目引領(lǐng)，凝練各專業(yè)圖學(xué)技能，構(gòu)筑跨新工科圖學(xué)課程知識構(gòu)架，突出基于功能的零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計和表達(dá)，可促進(jìn)學(xué)生形體結(jié)構(gòu)創(chuàng)新能力和設(shè)計表達(dá)能力的提高[5]。

重新梳理工程圖學(xué)理論基礎(chǔ)及相互知識點(diǎn)的邏輯聯(lián)系，以樹狀圖為綱，在圖樣表達(dá)技巧、工程圖樣方面突出專業(yè)特性，所有案例既有工程實(shí)際的二維圖樣，也有SolidWorks等工具可以打開的三維模型。典型零件圖及裝配圖涵蓋機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)、高分子材料與工藝專業(yè)、能源與環(huán)境工程專業(yè)、機(jī)械電子工程專業(yè)、電器工程及其自動化專業(yè)，其二維圖樣具有真實(shí)的工藝及相關(guān)技術(shù)要求，學(xué)生接觸到的是企業(yè)實(shí)際產(chǎn)品。

教學(xué)內(nèi)容的改革體現(xiàn)在新形態(tài)教材及在線開放課程之中。通過微視頻、微動畫、PPT及微課堂將新工科圖學(xué)知識體系呈現(xiàn)出來。

（二）教學(xué)方法的改革

1.形體構(gòu)思為主線。以案例式教學(xué)方法為主，引入企業(yè)真實(shí)產(chǎn)品，通過產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型講解其功能，并進(jìn)一步分析零件形體結(jié)構(gòu)的合理性，以啟發(fā)學(xué)生的空間思維。以截止閥、齒輪油泵等簡單產(chǎn)品為例，分析其功能及工作條件，然后由功能構(gòu)思合理的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而完成圖樣表達(dá)。在實(shí)際教學(xué)過程中，融入學(xué)生創(chuàng)造性思維，加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐動手能力培養(yǎng)。

2.空間思維能力培養(yǎng)是新工科圖學(xué)的重點(diǎn)。建設(shè)浙江省線上開放共享課程——新工科圖學(xué)，新的課程理念、新的教學(xué)模式會隨著線上的推廣而使學(xué)生受益。工程圖學(xué)空間思維的訓(xùn)練需要大量的練習(xí)才能內(nèi)化為學(xué)生的專業(yè)技能，通過新形態(tài)教材構(gòu)建課程習(xí)題集完整視頻解析答案，所有實(shí)例真實(shí)體現(xiàn)繪圖的每一個步驟，每一筆動作，學(xué)生身臨其境般體驗工程圖樣的誕生，學(xué)生在自學(xué)、會學(xué)的環(huán)境下，形成樂學(xué)的良好學(xué)風(fēng)生態(tài)。

3.加強(qiáng)工程意識的培養(yǎng)。工程案例進(jìn)課堂、科研成果進(jìn)教材，將機(jī)械制圖課程教學(xué)與計算機(jī)輔助設(shè)計、工程仿真分析結(jié)合起來，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識。實(shí)體測繪與產(chǎn)品數(shù)字化建模，訓(xùn)練學(xué)生從測量工具的使用，到徒手草圖繪制，再到三維模型建立及裝配，最后輸出合格的工程圖樣，這個過程鍛煉了學(xué)生綜合運(yùn)用工程制圖的知識與能力，使學(xué)生對工程圖樣的理解從作圖規(guī)范上升到功能合理性和生產(chǎn)制造的理解。

三、新工科圖學(xué)課程實(shí)施方案

（一） 構(gòu)建了適應(yīng)多專業(yè)、易擴(kuò)充的新工科圖學(xué)課程資源體系，促進(jìn)了不同專業(yè)大學(xué)生的圖形技術(shù)和圖形素養(yǎng)能力培養(yǎng)

根據(jù)高水平應(yīng)用型人才培養(yǎng)要求和各類專業(yè)應(yīng)有的圖形素養(yǎng)和專業(yè)能力、不同教育類型、不同層次教學(xué)要求，制訂了不同的課程培養(yǎng)方案，即符合人才培養(yǎng)需要的三個層次（即兩個平臺、一個提高）的課程體系。第一層次面向非機(jī)械類、信息類、藝術(shù)設(shè)計類、經(jīng)管類等專業(yè)，以培養(yǎng)形象思維、工程意識和一般圖形處理技術(shù)為特色的圖學(xué)通識教育工程圖學(xué)課程基礎(chǔ)平臺;第二層次為面向機(jī)械類、近機(jī)械類的以專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)為特色的圖形技術(shù)基礎(chǔ)平臺;第三層次為以培養(yǎng)設(shè)計、創(chuàng)新、實(shí)踐能力為一體的機(jī)械類專業(yè)圖形處理技術(shù)課程提高體系，同時建立了實(shí)踐模塊以加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐技能培養(yǎng)。

（二）構(gòu)建了基于結(jié)構(gòu)功能設(shè)計的機(jī)械制圖課程內(nèi)容新體系，使機(jī)械制圖與結(jié)構(gòu)設(shè)計有機(jī)結(jié)合，機(jī)械制圖與機(jī)械設(shè)計平滑銜接

機(jī)件或機(jī)器的結(jié)構(gòu)決定于其功能需要和制造條件，但一般機(jī)械制圖僅對機(jī)件或機(jī)器已經(jīng)確定的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表達(dá)描述，脫離對功能設(shè)計理解的表達(dá)，難以使學(xué)生掌握圖樣表達(dá)的合理性和工程性，靠機(jī)械地記憶圖形規(guī)范和典型結(jié)構(gòu)，學(xué)生只知其然而不知其所以然，難以達(dá)到預(yù)期教學(xué)效果。因此，我們構(gòu)建了全新的、基于功能設(shè)計的圖樣設(shè)計表達(dá)內(nèi)容新體系，加強(qiáng)學(xué)生對機(jī)件或機(jī)器基于功能的結(jié)構(gòu)合理性和工程性的理解，并與后續(xù)課程作平滑銜接。學(xué)生在功能理解的基礎(chǔ)上理解結(jié)構(gòu)形狀的合理性和工程性，既能學(xué)懂又能記住。

（三）構(gòu)建了“助學(xué)”與“助教”相結(jié)合的新工科圖學(xué)教學(xué)網(wǎng)絡(luò)資源平臺，促進(jìn)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)，有效提升了工程圖學(xué)教學(xué)質(zhì)量

依據(jù)工程圖學(xué)課程規(guī)范、知識點(diǎn)特征，將教學(xué)視頻、知識點(diǎn)微課、原理動畫、多媒體課件等教學(xué)資源集成于一體，構(gòu)建立體化新形態(tài)教材。將教材、作業(yè)測試等教學(xué)內(nèi)容中的原理、方法、過程全部呈現(xiàn)于網(wǎng)站，對典型例題的分析和解答過程進(jìn)行設(shè)計制作，每題均給出解題思路、步驟與標(biāo)準(zhǔn)答案，在題目的教學(xué)設(shè)計過程中，加入討論的環(huán)節(jié)，留給學(xué)生獨(dú)立思考的空間，更好地體現(xiàn)教師“引”與“導(dǎo)”的作用。結(jié)合CAD等級考試，學(xué)科競賽、數(shù)字化裝配等形成線上線下、課前課后不受時空限制的實(shí)踐教學(xué)虛實(shí)化體系，實(shí)現(xiàn)學(xué)生工程圖學(xué)能力四年不斷線的培養(yǎng)。

（四）構(gòu)建“變被動為主動”新工科圖學(xué)課程作業(yè)評價體系

在工程圖學(xué)課程課時不斷壓縮、課外作業(yè)批改工作量不計入考核的情況下，采用新的教學(xué)手段來解放教師的勞動。線上線下混合式教學(xué)過程中，加大線上測試環(huán)節(jié)，學(xué)生作業(yè)增加學(xué)生互批環(huán)節(jié);同時，引入學(xué)生自批訂正作業(yè)環(huán)節(jié)。這一方面促使學(xué)生利用新形態(tài)教材建設(shè)成果，培養(yǎng)了學(xué)生的嚴(yán)謹(jǐn)作風(fēng)和負(fù)責(zé)精神，另一方面使教師從單純的批改大量作業(yè)的事務(wù)中解脫出來[6]。

（五） 構(gòu)建了專業(yè)視頻資源庫和廊道展示墻，多方面提升教師素質(zhì)

針對年輕教師“校門對校門”專業(yè)實(shí)踐知識不足的問題，采用“請進(jìn)來”措施，請有豐富工程經(jīng)驗的企業(yè)工程師來校進(jìn)行專業(yè)講授，并建立相關(guān)專業(yè)視頻資庫。通過企業(yè)典型案例的學(xué)習(xí)提升年輕教師的產(chǎn)品設(shè)計及工藝規(guī)劃能力，從而進(jìn)一步提升工程圖學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量。

四、課程建設(shè)成效

（一）學(xué)生受益面廣，人才培養(yǎng)成效顯著

實(shí)施范圍以機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)為主，同時兼顧機(jī)械電子工程專業(yè)、包裝工程及能源與環(huán)境工程專業(yè)。浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)是學(xué)校最早建立的專業(yè)之一。學(xué)校下設(shè)8個學(xué)院，其中機(jī)械與能源工程學(xué)院下設(shè)四個專業(yè)，分別是機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)、機(jī)械電子工程專業(yè)、包裝工程及能源與環(huán)境工程專業(yè)，共計學(xué)生1560人，其中機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)有學(xué)生640人。

（二）實(shí)驗教學(xué)培養(yǎng)模式得到企業(yè)、同行認(rèn)可

我校針對學(xué)生的特點(diǎn)，設(shè)計了系列實(shí)踐環(huán)節(jié)，并發(fā)揮學(xué)生的主動性成立機(jī)械圖形協(xié)會，引導(dǎo)學(xué)生自下而上積極學(xué)習(xí)，使大部學(xué)生較為完整地掌握圖樣表達(dá)和工程建模方法，有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計和實(shí)踐能力。5年來，學(xué)生取得了不少成績，約有200余人次在CAD等級考試及全國先進(jìn)圖形創(chuàng)新大賽活動中獲得獎勵。

五、結(jié)語

新工科圖學(xué)尤其要注重學(xué)生個性和創(chuàng)造性的培養(yǎng)，加大跨學(xué)科課程資源的開發(fā)與整合，擴(kuò)大通識教育課程的可選擇性，為學(xué)生提供更多滿足個性發(fā)展需要的課程選擇機(jī)會。本文以工程圖學(xué)為切入點(diǎn)，以新工科實(shí)施內(nèi)涵為引導(dǎo)，以在線開放課程和新形態(tài)教材建設(shè)為載體，實(shí)現(xiàn)工程人才的跨界融合及個性化培養(yǎng)。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 新華社.習(xí)近平向第六屆世界互聯(lián)網(wǎng)大會致賀信[EB/OL].（2019-10-20）[2020-01-21].http：//courtapp.chinacourt.org/fabu-xiangqing-191761.html.

[2] 中國新聞.陳寶生：高等教育要堅持以本為本 推進(jìn)四個回歸[EB/OL]. （2018-06-21）[2020-01-21].http：//news.cctv.com/2018/06/21/ARTIr1dVmrcIKRZfjRJvSOZU18062

1.shtml.

[3] 搜狐.吳巖：嚴(yán)起來 難起來 實(shí)起來 忙起來 把本科教育質(zhì)量實(shí)實(shí)在在提起來[EB/OL]. （2019-08-29）[2020-01-21].http：//www.sohu.com/a/337300754_691624.

[4] 李拓宇，李飛，陸國棟.面向“中國制造2025”的工程科技人才培養(yǎng)質(zhì)量提升路徑探析[J]，高等工程教育研究，2015（ 6） ： 17-23.

[5] 施岳定，張學(xué)昌，許少鋒，等.加強(qiáng)實(shí)踐能力培養(yǎng)的機(jī)械制圖課程改造研究：基于產(chǎn)品功能表達(dá)與設(shè)計[J].大學(xué)教育，2017（1）：58-59+62.

[6] 張學(xué)昌，施岳定，吳紅兵，等.“變被動為主動”機(jī)械類工程圖學(xué)課程作業(yè)評價模式改革與應(yīng)用實(shí)踐[J].大學(xué)教育，2016（11）：92-94.

[責(zé)任編輯：劉鳳華]