“新工科”背景下面向工程能力培養(yǎng)的工程圖學課程體系建設

杜秀華 祝娟 王妍

摘? 要：“新工科”教育注重培養(yǎng)學生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力，使其成為具備國際競爭力的復合型人才，而工程教育改革歸根結底要落實到課堂教學的改革上。受教面很廣的“工程圖學”課程改革以工程設計為主線構建了新的教學內(nèi)容體系，考慮層次化、模塊化，注重頂層設計和知識關聯(lián)，以能力培養(yǎng)為核心進行了講練式互動、研討式互動和引領式互動三種教學設計，構建了注重過程的多元化考核機制，形成了具有“新工科”特色的“工程圖學”新的課程體系。

關鍵詞：新工科;工程設計能力;工程圖學;課程體系

中圖分類號：G642? ? ?文獻標識碼：A

圍繞“一帶一路”“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”等國家重大戰(zhàn)略的實施，教育部發(fā)布了“開展新工科研究與實踐的通知”，隨后啟動612個“新工科”研究與實踐項目?！靶鹿た啤比瞬排囵B(yǎng)目標是培養(yǎng)學生的設計思維、工程思維、批判性思維和數(shù)字化思維，提升創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、跨學科交叉融合、自主終生學習、溝通協(xié)商能力和工程領導力[1]?！靶鹿た啤彼珜У奈鍌€“新”對傳統(tǒng)工科人才培養(yǎng)模式提出了新的挑戰(zhàn)，為工程教育改革指明了方向。

“新工科”專業(yè)涵蓋了人工智能、大數(shù)據(jù)、智能制造等19個類別，存在新興交叉復合型學科專業(yè)，但更多的是老專業(yè)融合新科技，升級改造后的傳統(tǒng)專業(yè)?！皺C械工程專業(yè)”作為工科院校的必備專業(yè)，也面臨互換網(wǎng)時代的挑戰(zhàn)，需要順應社會發(fā)展，提高行業(yè)競爭力，培養(yǎng)具備較高工程實踐能力和創(chuàng)新能力的復合型 “新工科”人才。

“工程圖學”課程是機械工程專業(yè)的技術基礎課，通過基礎投影學習，掌握繪制和閱讀工程圖樣的方法，重在培養(yǎng)學生的形象思維能力、圖形構思能力、基礎圖形表達能力和高階創(chuàng)新設計能力，錘煉工程師素質，提升自主學習能力和團隊協(xié)作能力。該課程教學目標的實現(xiàn)將對傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級改造和專業(yè)發(fā)展具有強有力的支撐。本文在“新工科”人才培養(yǎng)目標的指導下， 以工程應用為主線，能力培養(yǎng)為核心，構建“工程圖學”課程的教學新體系。

一、構建具有“新工科”特色的課程新體系

“新工科”人才培養(yǎng)將課堂教學視為工程教育人才培養(yǎng)質量的關鍵與保障，將教學過程視為人才培養(yǎng)的生命線[2]。為此，東北石油大學以“新工科”人才培養(yǎng)為目標，專業(yè)認證為契機，調(diào)整了各專業(yè)的人才培養(yǎng)方案，注重人才培養(yǎng)的新理念，課程教學的新內(nèi)容、新方法、新手段，教學過程評價的新體系等。作者總結了30余年的教學經(jīng)驗，對“工程圖學”課程進行了全面的教學改革。

（一）基于設計思維的課程內(nèi)容調(diào)整

“新工科”要求學生要具備工程設計與實踐能力和創(chuàng)新思維能力，需要對現(xiàn)有“工程圖學”課程的內(nèi)容與結構進行調(diào)整，具體如圖1所示。

課程結構采用模塊化設計，模塊1將圖學理論和三維數(shù)字建模有機結合進行構型設計，培養(yǎng)學生的形象思維和創(chuàng)新能力。模塊2以產(chǎn)品設計全過程為主線，利用頂層設計思想，以裝配圖為引領，采用項目設計的方式切入，對零件圖、標準件和表達方法展開學習，有效地改善了學生以往知其然不知其所以然的狀況，培養(yǎng)學生的工程表達和工程設計能力。

教學內(nèi)容改革的具體思路是“三弱三強”，即弱化截交相貫，強化尺寸注法，弱化尺規(guī)繪圖，強化徒手草圖[3]，弱化知識點學習，強化設計提升，對“新工科”創(chuàng)新型人才培養(yǎng)，奠定堅實的圖學基礎。

弱化截交線和相貫線的內(nèi)容，是基于學生三維圖形軟件的可視化，截交線和相貫線的畫法晦澀艱深，難懂難求，而在圖形軟件中則為顯而易見;強化尺寸注法是由于尺寸是零部件加工和檢驗的重要依據(jù)，是文件的強指令部分，不僅要將尺寸完整和正確地標注，還要保證符合工程加工工序，符合國家標準，符合清晰性表達的基本要求，因此學生只有具備這些綜合性理論知識，了解工程實踐背景，才能夠完全合理地標注全部尺寸，并有效地提升學生的實踐應用能力。

由于徒手繪圖能與思維同步，能快速地表達出設計者的創(chuàng)意構思和設計思想，并且能根據(jù)草圖直接利用計算機繪圖軟件畫出零件圖和裝配圖，來代替人工的尺規(guī)繪圖，所以作為工程設計人員必須具備熟練的徒手繪圖的能力。特別在徒手繪制軸測圖時，可利用美學手法進行適度的潤色，在很大程度上激發(fā)學生的創(chuàng)作激情，培養(yǎng)學生的美學品質[4]。

強化設計提升，圖學知識終究是為工程設計、創(chuàng)新設計服務的，要在設計中把握各知識之間的關聯(lián)[5]，才能更好地掌握知識，并將其應用于設計中。弱化知識點逐條學習，主要針對標準件和常用件的規(guī)定畫法，剛從高中進入大學的學生，不能很好地把這些零件和結構（螺栓、螺母、鍵槽等）的作用和視圖表達的必要性建立關系，應該從原理講清楚，抓住問題的主要矛盾，舉網(wǎng)以綱，千目皆張;振裘持領，萬毛自整。以設計的角度展開思維，實踐環(huán)節(jié)輔助繪制裝配圖和零件圖進行強化，能夠更好地認知標準結構和標準件的作用，對畫法的學習將水到渠成。另外機件常用表達方法服務于零部件結構的表達，在分析各類零件和裝配的表達過程中學習效果更佳?？傊?，實踐檢驗真知，通過發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的過程，讓學生振葉尋根，觀瀾溯源，獲得分析問題能力的提升，逐漸成長。踐行在應用中學習，在實踐中成長的教學理念。

（二）基于教-學互動的教學設計

“新工科”人才培養(yǎng)目標不僅要培養(yǎng)學生的設計思維和工程思維，還要結合課程思政教育，提升學生的自主學習、終生學習、溝通合作、創(chuàng)新思維等方面的能力。這些能力在以教師為中心的“靜悄悄”的課堂上是難以實現(xiàn)的，一定要將課堂模式由傳統(tǒng)的單向傳遞知識轉變?yōu)殡p向互動的動態(tài)學習模式，打造教師和學生共同參與的高效“活課堂”[6]。以學生為中心，教師為主導，才能讓學生的思想活躍起來，充分發(fā)揮他們的想象力和創(chuàng)造力，把以往的“要我學”變成“我要學”，為學生自主終身學習打下基礎。作者根據(jù)新的教學內(nèi)容從以下幾個方面進行了具體的教學設計。

1.講練式互動

這種教學方式主要應用于模塊1基本理論知識的教學內(nèi)容中。根據(jù)對學生的問卷調(diào)查顯示，學生課堂專注聽課的時間在20～30分鐘之間，因此每小節(jié)課前30分鐘教師采用啟發(fā)式教學精講理論內(nèi)容，后15分鐘學生動手訓練，教師發(fā)現(xiàn)問題及時引導，通過這種教學互動，大大提高課堂學習效率。這種互動方式的關鍵在于教師要在課前規(guī)劃好訓練題，題目要包含當前各知識點，且還要稍有延伸，如構型設計等，讓學生“墊墊腳能夠到”，保護學生的自信心，長此以往，學生的知識儲備和創(chuàng)新能力會逐步增長。

2.研討式互動

這種教學方式主要應用于模塊2的理論應用方面，如各類零件的結構表達。課前教師布置作業(yè)，學生分組進行討論，得出表達的初步方案，徒手繪出草圖。課堂上每組代表分析講解該組的表達方案，各組之間互相討論、學習、質疑，甚至否定，在辯論中激發(fā)學生的大腦，開闊思路，發(fā)散思維，有效地訓練了學生對工程各類零件的綜合表達能力，踐行在應用中學習的教學理念，將知識學習變成能力培養(yǎng)。這種互動方式的關鍵在于題目要來源于工程實際，從科研項目或實際部件中凝練提取，難度適當，由淺入深，循序漸進。教師要把控課堂秩序，充分發(fā)揮教師的主導作用。

3.引領式互動

這種教學方式主要應用于模塊2的工程設計方面，該項目設計過程比較復雜，需要幾節(jié)課完成一個周期。課前教師將部件的裝配圖和任務發(fā)布給學生，學生分組進行討論預習;課上以教師精講為主引領學生看懂部件各零件的結構、裝配關系、尺寸關系和工作原理等;課下學生利用三維軟件分別對零部件建模，進一步明晰裝配關系和工作原理。課上在教師的指導下徒手拆畫典型零件的草圖，注意辨析零件的工藝結構、尺寸、技術要求和標準結構的表達等;課下完成零件圖的計算機繪圖。這一教學過程的關鍵是，項目設計要來源于工程實際，具有一定的知識覆蓋面，并且難度適中;教師要具備豐富的實踐經(jīng)驗，給予學生充分的指導，培養(yǎng)學生的“工程圖-設計-制造”一體化的工程意識[7]，讓學生體會產(chǎn)品的整個設計過程，踐行在實踐中成長的教學理念。

（三）基于過程考核的評價體制

過程考核評價貫穿課程教學和課堂內(nèi)外，過程考核為手段，能力考核為目標，改變一考定終身，課程成績評價強調(diào)過程與結果并重，改變以往以一次考試成績?yōu)橹鞯臓顩r，將考核分散在教學過程的各個環(huán)節(jié)，考核體現(xiàn)線上、線下教學結合，課內(nèi)與課外交流結合，繪圖理論知識與建模結合，課程建立過程跟蹤和效果反饋為核心的教學質量分析，對培養(yǎng)目標、能力達成度和實踐繪圖能力等方面進行總結，實現(xiàn)課程的持續(xù)改進，如圖2所示。

過程性評價涉及到教師的教學方法、學生的學習方式和學習效果等諸多因素，從這些因素的相互作用中來探索過程性評價方法和效果，從而建立一個科學、有效、可行的評價體系[8]。針對圖學理論知識仍然采用客觀答題為主，具體采用閉卷考核和線上評價結合的方式。網(wǎng)絡在線課程平臺通過線上測試可以有效進行過程評價，期末考試以筆試、閉卷考核方式進行。該部分的考核成績能夠客觀地評價學生的理論知識掌握情況，反映出學生的實際學習效果。

針對零部件結構常用表達、零件圖繪制和裝配圖讀圖等專項考核，以項目設計為主線，采用研討法和翻轉課堂組織教學。開放式大作業(yè)+課堂表現(xiàn)+項目答辯的考核方式是學生對所學圖學知識的綜合運用、設計思維和工程師素質的綜合展示，有效地評價了學生語言表達能力、自主學習能力、團隊協(xié)作能力等。

二、教學資源建設

（一）一站式在線課程平臺

建立了線上線下工程圖學教學新模式。利用精品課、慕課、試題庫等在線教學資源，實現(xiàn)線上和線下相結合的學習方式，建立豐富的課堂結構模式，如圖2所示。線上與線下教學相輔相成，學生有效利用線上資源，拓展學習時空的同時獲取能力提升，形成良好的學習習慣。

以學生為中心的線上教學一站式平臺，匯集教師的全部教學資源和學生的教學活動，作為評價依據(jù)的學習數(shù)據(jù)得到準確記錄，并能夠通過數(shù)理統(tǒng)計獲得學生的學情反饋，教師教學有抓手，學生進步有依據(jù)。學生在多元化的模式下掌握教材內(nèi)容的知識點，在工程案例和評述的過程中總結教學方法，提升工程素養(yǎng)。

（二）典型零部件測繪、拆裝實驗室

在工程實踐中，以機械認知教育為拓展目的，以典型的機械裝置為測繪對象，通過多元化的測繪對象訓練，獲得學生實踐能力的提升。測繪對象和方式的多樣化，也將改變學生缺乏興趣，照抄圖紙的現(xiàn)象。在測繪過程中適當引入PBL（Problem Based Learning）教學法，該教學法是以問題為導向、學生為參與主體，以培養(yǎng)學生能力為目標展開教學。測繪實踐活動可以讓學生在學習中獲得成就感，前期學習的基礎知識和繪圖技巧可以學以致用，還可以激發(fā)學生的創(chuàng)新激情，通過拆卸實踐，實際的觸感與思想上的對比認知能夠讓學生對機械產(chǎn)生深刻概念，對結構的用途、材質、加工方法、傳動方式和裝配等，建立知識體系，為后續(xù)的學習積累創(chuàng)新潛能。

“工程圖學”課程是引導學生認識工程和走入工程的橋梁，肩負著培養(yǎng)學生工程意識、工程素質等多項能力的入門課程。本次課程改革對教學內(nèi)容、教學設計、考核機制等進行了全面改革，并且建立了一站式在線課程平臺和零部件測繪、拆裝實驗室，形成了具有“新工科”特色的工程圖學新的課程體系，它從根本上將“以教師為中心”單頻道輸入的課堂變成“以學生為中心”互動氣氛濃厚的鮮活的課堂，該教學體系實踐了兩年，雖然還沒有達到一個實踐周期（四年），但從學生的學習熱情、過程考核成績、綜合測繪、問卷調(diào)查等方面可以看出，這套教學體系極大地激發(fā)了學生參與的熱情和對未知探究的欲望，有效地培養(yǎng)了學生的設計表達能力、創(chuàng)新能力和人文素質，為他們未來的人生發(fā)展奠定了堅實的基礎。

參考文獻：

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