以工程實踐能力為目標導(dǎo)向的工程制圖教學(xué)改革①

呂述綱 何陽春

(浙江工商大學(xué)食品與生物工程學(xué)院)

工程圖樣是工程信息的載體，被稱為“工程界的技術(shù)語言”，工科教育教學(xué)活動中，工程圖學(xué)在工程教育知識體系中處于基礎(chǔ)性地位，是大學(xué)學(xué)習(xí)階段重要的思維訓(xùn)練和工程教育的先導(dǎo)課程?！昂诎?粉筆+三角板”的傳統(tǒng)授課模式雖然已經(jīng)被多媒體課件替代，但是，多媒體課件教學(xué)模式還沒有發(fā)生實質(zhì)性改變，“照圖索驥”的繪圖技能學(xué)習(xí)方式還是沒能突破，形成了工程制圖課程的側(cè)重點在制圖，疏遠了工程實質(zhì)。

“新工科”教育理念的倡導(dǎo)、科技的進步、新的教學(xué)手段的出現(xiàn)以及三維建模軟件的普及應(yīng)用，使得工程制圖的教育教學(xué)改革越來越迫切，同時也具備了實現(xiàn)新教學(xué)模式的方法。在這一背景下，以培養(yǎng)工程素養(yǎng)和創(chuàng)新實踐能力為目標，通過梳理工程制圖課程知識體系結(jié)構(gòu)，開展工程制圖課程教學(xué)改革與實踐，探索創(chuàng)新教學(xué)方法，構(gòu)建閉環(huán)學(xué)習(xí)過程，對于提升教學(xué)質(zhì)量、提高教學(xué)水平、促進工程素質(zhì)培養(yǎng)，以及培養(yǎng)創(chuàng)新型技術(shù)人才具有重要意義。

一、工程制圖知識中工程思想的嵌入

工程制圖是以畫法幾何為理論依據(jù)的應(yīng)用實踐性很強的一門課程，課程以工程圖樣的讀圖和繪制為目的，主要包括從空間幾何元素點、線、面以及基本幾何體的投影表達的理論分析到各種圖樣表達方法和典型零件的表達方法。工程制圖的理論內(nèi)容來源于工程實踐，最終也應(yīng)用在工程實踐之中，合理的工程制圖繪制蘊含著很多工程認知，課程的學(xué)習(xí)過程根據(jù)工程實踐的認知過程，在不同的學(xué)習(xí)階段引入與工程相關(guān)的背景內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生對工程問題的思考，促使學(xué)習(xí)過程能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實踐的結(jié)合。

工程制圖課程的知識體系以空間里的點、線、面為起點，通過幾何投影法表達幾何元素的空間位置關(guān)系，熟練掌握這些內(nèi)容是學(xué)好工程制圖課程的基礎(chǔ)，這些內(nèi)容可以通過空間幾何構(gòu)型的方法建立空間元素的各種位置關(guān)系模型，幫助學(xué)生能夠理解透徹空間位置關(guān)系，特別著重培養(yǎng)學(xué)生空間想象和空間邏輯分析能力。

基本立體以及組合體的三視圖表達是從基礎(chǔ)投影理論到零件圖表達的過渡和認知漸進的重要階段，起到承前啟后的作用。主要學(xué)習(xí)從實際工程模型中抽象出各種基本平面立體、回轉(zhuǎn)體到截切體、相貫體的表達方法。重點學(xué)習(xí)來源于工程問題中的模型，比如重點掌握在實際工程問題中出現(xiàn)較多的圓柱截切和相貫情況，盡量避免糾結(jié)非工程現(xiàn)實模型，比如復(fù)雜的平面立體切割體等，通過CAD三視圖和SolidWorks三維建模造型來強化這部分內(nèi)容的掌握。

課程最重要的內(nèi)容是零件圖的各種表達方法，包括基本視圖、斜視圖、局部視圖和剖視圖，其中剖視圖表達方法是重中之重，這部分內(nèi)容可以通過各種典型零件的SolidWorks三維模型，幫助學(xué)生掌握不同類型零件的常見的表達方法，裝配體主要以歷年全國大學(xué)生產(chǎn)品信息建模比賽的模型為例進行建模，圖1表述了工程制圖課程知識體系結(jié)構(gòu)以及對應(yīng)表達方式和實現(xiàn)工程實踐的具體方法。

圖1 工程制圖的知識結(jié)構(gòu)與工程實踐方法

二、基于工程實踐的三維模型庫建立

工程制圖課程學(xué)習(xí)從簡單幾何空間元素到復(fù)雜的工程實際零件，由空間抽象思維到形體想象的過程，若每一部分內(nèi)容有具體的形體模型來支撐理解和想象，通過形象思維和形體模型的相互對照轉(zhuǎn)換，能夠幫助學(xué)生們建立較好的空間想象和空間邏輯分析的能力，高效地完成各部分制圖知識和制圖技能的學(xué)習(xí)。

根據(jù)課程內(nèi)容建立了工程制圖的三維模型庫，該模型庫中包括了6個模型子庫，分別是空間幾何構(gòu)型子庫、基本幾何體子庫、組合體形體子庫、典型零件庫、標準件子庫和部件裝配體子庫，建立模型時充分考慮了各階段知識學(xué)習(xí)側(cè)重點，如：學(xué)習(xí)基本幾何體繪圖知識章節(jié)，模型庫中涵蓋了基本平面立體、基本回轉(zhuǎn)體等特征組成的基本幾何體模型；學(xué)習(xí)組合體繪圖知識章節(jié)，模型庫中涵蓋了疊加、切除及復(fù)合等組合方式形成的典型形體模型；學(xué)習(xí)標準件制圖知識章節(jié)，模型庫中包含了螺栓、螺釘、螺母、墊圈、軸承、齒輪、彈簧等常用標準件形體模型；學(xué)習(xí)零件圖知識章節(jié)，模型庫中也涵蓋了體現(xiàn)工程應(yīng)用功能的4種典型的工程零件形體模型。各模型庫的詳細內(nèi)容如圖2所示。

圖2 工程制圖三維模型庫

歷年全國大學(xué)生先進成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模競賽中的形體構(gòu)型模型、零件模型和裝配體模型來源于工程實踐，緊跟工程圖學(xué)的發(fā)展方向，具有較復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)、涵蓋代表性工藝特點的工程模型，將這些模型以及包含的單個零件模型應(yīng)用于課程全過程可以全面覆蓋知識點，更有利于知識點間的聯(lián)系，所以工程制圖模型庫中還建立了歷年競賽中的一些典型的形體模型。

三、學(xué)科競賽牽引的教學(xué)改革實踐

近年來，大學(xué)生學(xué)科競賽受到了高等院校的關(guān)注和支持，學(xué)科競賽對培養(yǎng)大學(xué)生解決綜合性實際問題的能力有很大的促進作用，學(xué)科競賽也是一種由純理論知識學(xué)習(xí)延伸到解決綜合性實際問題能力培養(yǎng)的有效途徑，特別是對一些理論基礎(chǔ)扎實的同學(xué)，參與學(xué)科競賽是提升自身綜合能力的重要方式。

全國大學(xué)生先進成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模創(chuàng)新大賽是由高等教育學(xué)會工程制圖專業(yè)委員會主辦的國家級大學(xué)生學(xué)科競賽，也是全國高等學(xué)校學(xué)科競賽排行榜內(nèi)競賽項目。競賽以提高學(xué)生針對實際工程問題進行成圖技術(shù)、產(chǎn)品信息建模的實踐能力為目的，能夠促進工程制圖課程的教學(xué)交流，也能夠促使教學(xué)手段緊跟現(xiàn)代科技發(fā)展出新的方法。

1.引導(dǎo)學(xué)生積極參與校內(nèi)競賽

工程制圖課程大多是在大學(xué)一年級第一學(xué)期開設(shè)的，大一新生對實際工程問題缺乏認識，對競賽的內(nèi)容和方式都不熟悉。因此，在進行第一學(xué)期工程制圖課程的教學(xué)過程中，要對學(xué)科競賽進行必要的介紹，對學(xué)科競賽中的實際工程模型進行分析，吸引學(xué)生對競賽建模和分析產(chǎn)生濃厚興趣，為第二學(xué)期參加比賽打好理論基礎(chǔ)，做好準備。

2.開設(shè)工程制圖拓展性競賽輔導(dǎo)課程

經(jīng)過一個學(xué)期的工程制圖的學(xué)習(xí)準備后，依據(jù)工程制圖課程的學(xué)習(xí)成績和個人興趣愛好與意愿，組建工程制圖校內(nèi)工程制圖拓展性學(xué)習(xí)團隊，開設(shè)立體幾何構(gòu)型、零件圖表達方法尺規(guī)繪圖學(xué)習(xí)輔導(dǎo)課程，加強學(xué)生典型零件的表達方法的學(xué)習(xí)，同時也開設(shè)三維建模SolidWorks的線上學(xué)習(xí)課程，主要學(xué)習(xí)三維建模的方法，經(jīng)過一個學(xué)期的學(xué)習(xí)和競賽準備可以熟練掌握SolidWorks三維建模的方法。

3.利用學(xué)科競賽的成果促進工程制圖的課內(nèi)教學(xué)改革

學(xué)科競賽可以全方位將工程制圖課程中的形體構(gòu)型、零件圖、裝配圖、標準件等工程制圖的多個知識塊與工程實踐聯(lián)系起來，讓學(xué)生建立制圖與工程實踐的直接關(guān)聯(lián)。運用課堂所學(xué)知識，繪制工程圖樣、模型建立的過程，同時也可以加深學(xué)生對課程內(nèi)容的充分理解；在參賽過程中將制圖知識與工程實踐進行對照，理解工程制圖對工程實踐的作用，促進了工程制圖知識的學(xué)習(xí)和繪圖技能的提升。