基于不同學(xué)科特點的“工程圖學(xué)”課程教學(xué)探索

張方圓

（寧波大學(xué) 機械工程系，浙江 寧波 315211）

0 引言

高等教育的關(guān)鍵任務(wù)之一是培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的人才，為國家經(jīng)濟和社會發(fā)展提供支撐。而工科專業(yè)的高質(zhì)量教育是國家經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展的基礎(chǔ)與前提。為了提高工科專業(yè)的高等教育質(zhì)量，教育部發(fā)起了對新工科教育模式的探討與研究，以培養(yǎng)更多創(chuàng)新型科技人才，為國家產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級提供強有力的支撐[1]?！肮こ虉D學(xué)”是工科專業(yè)的基礎(chǔ)課程，引領(lǐng)學(xué)生建設(shè)創(chuàng)新性思維，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力。因此，為了響應(yīng)國家對于創(chuàng)新型工科人才的需求，必須結(jié)合時代背景，探討工程圖學(xué)更加先進的教學(xué)模式，提出合理的課程改革措施。

經(jīng)過不斷的探索和研究，國內(nèi)外高校在工程圖學(xué)的課程改革方面取得了顯著成果。哈爾濱工業(yè)大學(xué)以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識為教學(xué)重點，強調(diào)了計算機繪圖和三維建模的重要性，并對課程結(jié)構(gòu)和內(nèi)容進行了調(diào)整，增加了產(chǎn)品設(shè)計課時[2]。美國密蘇里州科技大學(xué)則更注重培養(yǎng)學(xué)生用二維圖表達(dá)零件三維形體的能力。他們認(rèn)為繪制三維圖是為了清晰地表達(dá)機械部件的配合關(guān)系以及完成部件的裝配圖，并強調(diào)工程圖在零件設(shè)計、制造整個生命周期的作用[3]。國內(nèi)大部分高校將“工程圖學(xué)”分為“工程圖學(xué)”基礎(chǔ)、工程圖學(xué)應(yīng)用和計算機繪圖3個部分?！肮こ虉D學(xué)”基礎(chǔ)主要教授理論基礎(chǔ)知識，“工程圖學(xué)”應(yīng)用主要涉及零部件的結(jié)構(gòu)分析、二維零件圖和裝配圖繪制等知識，計算機繪圖包括產(chǎn)品設(shè)計與建模，主要教授三視圖的軟件繪制和三維軟件建模[4，5]。美國紐約大學(xué)將三維繪圖軟件應(yīng)用至圖學(xué)理論的課堂教學(xué)中去，從而使得學(xué)生更容易理解截交線、相貫線等重點、難點[6]。而隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，線上線下混合教育模式也得到了大力推廣，北京航空航天大學(xué)等基于網(wǎng)絡(luò)平臺，設(shè)計了工程圖學(xué)的混合式教學(xué)模式，充分融合并發(fā)揮了傳統(tǒng)線下教學(xué)和新型線上教學(xué)的優(yōu)勢，使得混合教學(xué)模式產(chǎn)生了1 + 1 >2 的教學(xué)效果[7，8]。

目前各高校對“工程圖學(xué)”的教學(xué)模式進行了深入的探索，并進行了創(chuàng)新性的改革，但是改革的重點圍繞加入三維建模過程，并大力推廣線上線下混合教學(xué)模式。但是，“工程圖學(xué)”課程涉及多個工科專業(yè)，針對不同學(xué)科特點，建立教學(xué)大綱的探索還不深入。針對這一問題，分析不同學(xué)科的特點，設(shè)置教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生最大程度地掌握知識，并提高創(chuàng)新、實踐能力。

1 基于學(xué)科特點的教學(xué)設(shè)計

機械類專業(yè)的工程圖學(xué)課程對機械零件的繪制進行了重點講述，因此學(xué)生能夠理解“工程圖學(xué)”的應(yīng)用背景和意義。而非機械專業(yè)，“工程圖學(xué)”課程重點講述工程圖學(xué)基礎(chǔ)的相關(guān)知識點，“工程圖學(xué)”應(yīng)用的課時極少，導(dǎo)致學(xué)生無法理解工程圖學(xué)的實際應(yīng)用場景，進而學(xué)習(xí)熱情不高。因此，在進行相關(guān)知識點的講解時，應(yīng)結(jié)合各學(xué)科的背景，選取典型的應(yīng)用場景和零件，引導(dǎo)學(xué)生更加深刻地理解工程圖學(xué)對于創(chuàng)新設(shè)計的重要貢獻。

以材料專業(yè)為例。通過引入新材料的應(yīng)用場景以及產(chǎn)品設(shè)計，進而引入設(shè)計過程涉及的工程圖學(xué)知識點。比如，碳纖維作為一種輕質(zhì)、高強的新型材料，正在廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、體育、交通等領(lǐng)域，如假肢、羽毛球拍、汽車零部件等[9，10]。圖1（a）為碳纖維自行車架，在對其進行設(shè)計時，需要考慮管與管間的連接并在表面穿孔以便進行裝配。而在連接和穿孔的過程中，在車架表面形成相貫線和截交線。為了清晰、全面地表達(dá)所設(shè)計產(chǎn)品的外形，設(shè)計者必須具備截交線、相貫線繪制的能力，由此引入截交線和相貫線的產(chǎn)生機理以及繪制等相關(guān)知識點。

以電氣專業(yè)為例。隨著生活水平的提高，消費者對家用電器的外觀提出了更高的要求，因此，對家用電器進行設(shè)計時，外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計成為了電器設(shè)計的重要組成部分。圖1（b）為家用電燉鍋，為了讓整體外觀更加美觀，鍋體和鍋把均為圓柱體且相交，進而形成相貫線。而在電器結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須清晰地表達(dá)出相貫線的三視圖。由此引出相貫線的概念以及相貫線繪制等知識點。

圖1 各學(xué)科產(chǎn)品設(shè)計實例

這種將各專業(yè)的應(yīng)用實例與相關(guān)知識點相連接的教學(xué)方法既能夠讓學(xué)生領(lǐng)會到工程圖學(xué)的應(yīng)用背景，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，又能夠讓學(xué)生更快速深刻地掌握繪圖技巧，因此應(yīng)該在理論教學(xué)過程中加入這一教學(xué)環(huán)節(jié)。

2 三維建模軟件學(xué)習(xí)設(shè)計

空間想象能力是學(xué)習(xí)“工程圖學(xué)”應(yīng)具備的基本能力。但是，面對復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件，多數(shù)學(xué)生無法想象和分析出實體的三維模型，進而無法將三維模型轉(zhuǎn)換成二維工程圖。而三維建模輔助學(xué)生理解復(fù)雜零部件的空間結(jié)構(gòu)，提升學(xué)生的空間想象能力，并能夠?qū)⑷S實體流暢地轉(zhuǎn)化到二維的制圖和讀圖過程。因此，工程圖學(xué)教學(xué)過程中，應(yīng)充分利用三維建模軟件。

目前，教學(xué)過程中利用三維建模軟件的途徑有兩種，一種是教師在理論課教學(xué)過程中，通過三維建模軟件向?qū)W生展示已建立好的三維模型，輔助學(xué)生對知識點的理解[11]；另一種是通過教授三維建模課程，學(xué)生掌握建模技巧，進而繪制零部件的三維模型[12]。但是，國內(nèi)目前對于三維建模課程的學(xué)習(xí)均在“工程圖學(xué)”基礎(chǔ)課程之后，即學(xué)生先學(xué)習(xí)點、線、面以及組合體的繪制和讀圖之后，再學(xué)習(xí)三維建模課程。由于課時的限制，教師在課上僅對三維模型進行短暫的展示，無法深入教授細(xì)致的建模過程。而對于“工程圖學(xué)”基礎(chǔ)課程，截交線、相貫線等難點，結(jié)合三維模型，能夠幫助學(xué)生更加直接、深刻地理解這些知識點。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，學(xué)生對于軟件的學(xué)習(xí)能力大幅提升，因此有能力快速掌握三維建模軟件的基礎(chǔ)功能。因此，在“工程圖學(xué)”基礎(chǔ)這門課程進行之初，應(yīng)安排課時進行三維建模軟件的教學(xué)，使得學(xué)生能夠掌握簡單的功能，比如拉伸和切割等功能，以便其快速入門三維建模軟件。除了課上簡短的三維建模教學(xué)外，老師錄制三維建模教學(xué)視頻，學(xué)生通過視頻更加深入地學(xué)習(xí)三維建模。在理論課教授基本立體相關(guān)知識點之前，要求學(xué)生能夠建立簡單的圓柱、圓錐、球體的三維模型，并對模型進行切割、組合。在掌握了三維建模知識后，學(xué)生在學(xué)習(xí)組合體三視圖繪制等知識點時，能夠在課后建立三維模型，以便對知識點進行理解并能夠?qū)⑷S幾何形狀轉(zhuǎn)化為二維三視圖。

學(xué)生經(jīng)過4 節(jié)課的三維建模學(xué)習(xí)后建立的簡單組合體三維模型，如圖2 所示。學(xué)生基于課上講解的組合體三視圖，分析出組合體的空間結(jié)構(gòu)，并建立三維模型。在建模過程中，再次理解了組合體的投影特征，并對課上理解不透徹的知識點，比如圖中兩個組合體相貫線的形狀，進行深入的理解。因此，三維建模過程，既掌握了三維建模技巧，又學(xué)習(xí)了“工程圖學(xué)”基礎(chǔ)中難以理解的知識點。

圖2 三維建模實例

3 課堂教學(xué)設(shè)計

在對多個班級的學(xué)生進行課上觀察和課后調(diào)研時發(fā)現(xiàn)，對于簡單的知識點，比如點、直線的投影規(guī)律，學(xué)生能夠快速理解并掌握，并且認(rèn)為在這些知識點上進行過多的講解會浪費課時；而對于難以理解的知識點，比如曲面立體截交線、相貫線的繪制，學(xué)生一方面難以快速領(lǐng)會作圖技巧，另一方面雖然課上能夠領(lǐng)會知識要點，但是課后作圖仍然有較大難度。同時，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，相比于教師按部就班的講解，學(xué)生更希望親自參與，通過獨立思考來理解知識點并繪制出三視圖。

基于這一問題，對課時進行調(diào)整，對于簡單的知識點，適當(dāng)縮短課時，而對于難以理解的知識點，增加課時，并把更多課堂時間交給學(xué)生，在消化知識點的同時手繪三視圖。教師結(jié)合學(xué)生的繪圖效果，及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生普遍難以掌握的知識點并再次進行啟發(fā)與講解，夯實學(xué)習(xí)效果。同時，對于教學(xué)難點，錄制詳細(xì)的講解視頻，以便于課上沒有完全理解的學(xué)生課下進一步學(xué)習(xí)。

這樣，通過老師細(xì)致講解重點、難點，學(xué)生線上、線下同步學(xué)習(xí)，并結(jié)合三維建模，全方位的參與到學(xué)習(xí)過程中，更能夠有興趣且深入地學(xué)習(xí)工程圖學(xué)，從而產(chǎn)生更好的學(xué)習(xí)效果。

4 創(chuàng)新性思維培養(yǎng)

隨著國家轉(zhuǎn)型的重大需求，具有創(chuàng)新和實踐能力的新工科人才培養(yǎng)迫在眉睫。因此，“工程圖學(xué)”的最終目標(biāo)是培養(yǎng)并提高學(xué)生的創(chuàng)新與實踐能力。

非機械專業(yè)的學(xué)生走上工作崗位后，對于創(chuàng)新設(shè)計和圖形表達(dá)能力的需求更高，而對于產(chǎn)品的制造能力需求不多。因此，對于非機械專業(yè)的學(xué)生，如何呈現(xiàn)出設(shè)計理念更加重要。為了實現(xiàn)這一培養(yǎng)目標(biāo)，在開課伊始，布置產(chǎn)品設(shè)計作業(yè)，結(jié)合學(xué)生自身興趣，基于本專業(yè)相關(guān)的產(chǎn)品，設(shè)計一款至少包括10個零件的小機構(gòu)或者電子產(chǎn)品，學(xué)期末上交設(shè)計成果的三維模型，并且闡述至少五條應(yīng)用到的“工程圖學(xué)”相關(guān)的知識點。

機械專業(yè)的學(xué)生，尤其是機械制造專業(yè)，更注重讀圖能力，要求學(xué)生既能夠設(shè)計零件又能夠繪制出二維圖紙，并規(guī)劃出工藝路線。因此，在教授完工程圖學(xué)課程后，要求學(xué)生設(shè)計一款能夠應(yīng)用到工程實際的、完整的機械產(chǎn)品。基于對產(chǎn)品的設(shè)計理念，建立出三維模型，繪制出裝配圖和重要零件的零件圖。同時，對重要零件的作用進行分析，并合理規(guī)劃出零件的加工工序、加工精度以及尺寸要求。

而隨著國家對大學(xué)生創(chuàng)新實踐能力的重視，一些大學(xué)生設(shè)計競賽全面鋪開，比如全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽、全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽、中國“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等。這些競賽均需要學(xué)生設(shè)計出有創(chuàng)新性或者有市場競爭力的產(chǎn)品。而在產(chǎn)品的設(shè)計和制作過程中，一定會對產(chǎn)品進行三維建模并繪制零件圖和裝配圖。因此，在比賽的過程中，學(xué)生能夠?qū)Α肮こ虉D學(xué)”的相關(guān)知識進行充分的應(yīng)用。從歷年的比賽結(jié)果能夠看出，這些賽事對于學(xué)生的工程制圖實踐能力有極大幅度的提高。因此，老師在教學(xué)過程中，應(yīng)鼓勵并指導(dǎo)學(xué)生參加相關(guān)比賽，使得學(xué)生將所學(xué)知識運用到實際的產(chǎn)品設(shè)計和制造過程中。

5 結(jié)論

通過分析不同學(xué)科的特點以及未來的就業(yè)方向發(fā)現(xiàn)，各學(xué)科對于工程制圖的教學(xué)模式提出不同的要求。機械專業(yè)要求學(xué)生不僅具有制圖和讀圖的能力，還應(yīng)具備通過圖紙規(guī)劃工藝路線的能力；非機械專業(yè)的學(xué)生要求學(xué)生具有創(chuàng)新性的產(chǎn)品設(shè)計能力?；谝陨蠈W(xué)科特點，對工程圖學(xué)的教學(xué)方案進行優(yōu)化。

（1）充分調(diào)研不同學(xué)科產(chǎn)品及其設(shè)計特點，發(fā)現(xiàn)工程圖學(xué)在各種產(chǎn)品設(shè)計過程中的應(yīng)用。教學(xué)過程中，以不同學(xué)科的產(chǎn)品為例，融入工程圖學(xué)在產(chǎn)品設(shè)計過程中涉及的知識點，幫助學(xué)生理解工程圖學(xué)的重要性和應(yīng)用場景。

（2）強調(diào)三維建模在工程圖學(xué)課堂教學(xué)過程的重要性，老師充分利用三維模型信息呈現(xiàn)的直接性，向同學(xué)展示難以想象的三維模型，輔助理解教學(xué)難點。同時，將三維建模課程與工程圖學(xué)課程并行，學(xué)生將二維制圖知識與三維建模知識相互融合，相互促進。

（3）調(diào)整教學(xué)課時的分配，將更多課時分配給重難點，而不是面面俱到灌授。激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，留給學(xué)生足夠課上手繪的時間，及時消化吸收知識點。

（4）依據(jù)學(xué)科特點，對于有產(chǎn)品設(shè)計需求的專業(yè)，將三維建模、二維制圖與產(chǎn)品設(shè)計相結(jié)合，進行課程設(shè)計。對于有機械制造需求的專業(yè)，將教學(xué)和實操緊密結(jié)合，以增強對工程機械結(jié)構(gòu)感性認(rèn)知和實踐能力。