問題驅(qū)動的新工科教學(xué)改革

張孟玫　丁喬

摘? 要：新工科工程教育中的每門課程中都有各自的難點問題，圍繞這些難點問題的課程內(nèi)容構(gòu)成該門課程的核心，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中以及在今后實際工作中遇到的許多問題也大都與這些難點內(nèi)容相關(guān)。文章提出以問題驅(qū)動教學(xué)改革，并以《工程制圖》課程為例，針對教學(xué)過程中遇到的問題開展教學(xué)研究，探索解決課程中難點問題的教學(xué)方法和教學(xué)手段，在新工科教學(xué)改革過程中進行了有益的探索。

關(guān)鍵詞：新工科;工程制圖;比較教學(xué)法;三維造型

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）01-0140-03

Abstract： Each course in the new engineering education has its own difficult points that form the course. The problems that encountered by students in their study and work are relevant to these difficulties. This paper， illustrated by Engineering Drawing， puts forward problem-based teaching reform， and studies how to resolve the problems in the teaching process. Moreover， it also seeks to explore teaching methods to address problems in the courses， which represent a beneficial exploration in the new engineering education reform.

Keywords： New engineering; Engineering drawing; Comparative teaching method; Three-dimensional modeling

2017年2月以來，國家教育部積極推進新工科建設(shè)，先后形成了“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”，開拓了工程教育改革的新路徑。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。在此形勢之下，一些傳統(tǒng)工科課程在專業(yè)的升級改造過程中面臨新的問題。以工程制圖課程為例，該課程是工科類課程體系當(dāng)中的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，它的主要任務(wù)是學(xué)習(xí)和掌握有關(guān)工程圖樣的知識和技能，培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)，為各專業(yè)的進一步學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。其主要內(nèi)容包括學(xué)習(xí)畫法幾何及工程制圖的基本知識，學(xué)習(xí)國家制圖標(biāo)準(zhǔn)，掌握計算機繪圖的基本知識和技能。作為一門傳統(tǒng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，工程制圖的教學(xué)在新的形勢下面臨機遇和挑戰(zhàn)，既要分析解決教學(xué)過程中遇到的一些老問題，同時也要吸收圖學(xué)領(lǐng)域的新技術(shù)成果，進一步拓展該課程的內(nèi)涵，在教學(xué)過程中探索應(yīng)用現(xiàn)代新技術(shù)解決老問題的方法，使工程制圖這門傳統(tǒng)理論課程更加具有實用性和技術(shù)性。

在教學(xué)改革的實踐過程中，我們感到學(xué)生不管是在學(xué)習(xí)中，還是在今后實際工作中用到該門課程的知識時，出現(xiàn)的問題往往都是圍繞著課程中的一些關(guān)鍵內(nèi)容，如果在學(xué)習(xí)過程中對課程中的難點問題沒有能夠真正理解掌握，以后當(dāng)需要用到這些知識去解決實際問題時，學(xué)生就會感到無從下手。這其中既涉及到學(xué)生自身的能力，也有教師的教學(xué)方法的問題。如果教師能夠在課堂上較好的解決這些難點問題的教與學(xué)，就會大大提高課程的教學(xué)質(zhì)量。

基于上述考慮，我們搜集了工程制圖課程在教學(xué)中和后續(xù)應(yīng)用過程中學(xué)生出現(xiàn)的各種問題，分析問題所指向的教學(xué)內(nèi)容，研究每一個難點內(nèi)容的不同特點，探索更適合解決問題的教學(xué)方法和教學(xué)手段。例如在課堂上進行分段式教學(xué)，調(diào)整課堂節(jié)奏，把課堂講授、分組討論、繪圖實踐、教師示范、學(xué)生展示等不同小階段有機結(jié)合起來，通過不斷創(chuàng)造興奮點，解決學(xué)生上課過程中注意力集中時間短，課堂拖沓疲憊的問題。而對于有的內(nèi)容，在課堂講解中引入中學(xué)語文課程中經(jīng)常使用的比較教學(xué)法，把復(fù)雜的道理說得更加清楚明白。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在教學(xué)過程中我們積極吸收采納新技術(shù)作為輔助教學(xué)手段，助教師的“教”和學(xué)生的“學(xué)”一臂之力，使學(xué)生既學(xué)到了知識，也學(xué)到了技術(shù)。在培養(yǎng)訓(xùn)練學(xué)生具有嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的工作作風(fēng)的同時，又使他們體會到先進技術(shù)的強大威力，體會到本課程傳統(tǒng)與現(xiàn)代相結(jié)合的魅力所在。

一、問題的來源與梳理

作為工程技術(shù)人員必須掌握的一項重要技能，就是要能夠識讀并繪制各種工程圖。例如作為產(chǎn)品研發(fā)人員，想要表達自己的設(shè)計意圖，首先需要繪制出產(chǎn)品的工程圖，而從事生產(chǎn)加工的技術(shù)人員，也需要能夠準(zhǔn)確識讀工程圖，才能開始進行后續(xù)的產(chǎn)品生產(chǎn)加工。在整個產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)及加工過程中，工程圖作為工程技術(shù)人員之間交流的重要工具，被稱作是“工程師的語言”，而培養(yǎng)訓(xùn)練學(xué)生學(xué)習(xí)掌握工程圖的讀圖和畫圖等相關(guān)知識，主要由大學(xué)階段的一門重要的理論課程——工程制圖課程來完成。通過該課程的學(xué)習(xí)，要實現(xiàn)以下教學(xué)目標(biāo)：

課程教學(xué)目標(biāo)1：掌握工程制圖基本知識。本課程通過課堂講授、課內(nèi)外作業(yè)練習(xí)以及手工繪制工程圖，使學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)畫法幾何及工程制圖的基本知識，學(xué)習(xí)國家制圖標(biāo)準(zhǔn)，培養(yǎng)學(xué)生正確、規(guī)范地繪制圖紙等技術(shù)文件。

課程教學(xué)目標(biāo)2：具有較強的空間想象和思維能力。本課程學(xué)習(xí)空間形體的投影作圖，以及根據(jù)投影圖想象空間形體的形狀，培養(yǎng)學(xué)生逐步建立起平面工程圖和空間立體之間的對應(yīng)關(guān)系，使學(xué)生具有較強的空間想象和思維能力。

課程教學(xué)目標(biāo)3：具有使用繪圖工具和計算機繪圖軟件繪制工程圖的能力。通過課堂教學(xué)環(huán)節(jié)以及上機繪圖等實踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生能夠正確、熟練地使用繪圖工具和計算機繪圖軟件繪制機械零件圖及裝配圖，并進一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)做準(zhǔn)備。

課程教學(xué)目標(biāo)4：具有獲取與運用國家制圖標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等有關(guān)技術(shù)資料的能力。培養(yǎng)學(xué)生形成工程意識，能夠執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)，熟悉和查閱有關(guān)的技術(shù)資料和手冊。根據(jù)有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，逐步正確、規(guī)范地繪制使用圖紙等技術(shù)文件。

為了反思教學(xué)中存在的問題，近年來，我們廣泛收集了來自學(xué)生、課程設(shè)計老師和畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)教師遇到的與制圖課程相關(guān)的各種問題，問題來源主要有以下幾方面：（1）課后作業(yè)中出現(xiàn)的問題;（2）期末考試中分?jǐn)?shù)普遍偏低的題目所對應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容;（3）高年級學(xué)生在做課程設(shè)計時，遇到的制圖問題。例如不清楚工程形體怎樣正確表達，專業(yè)課教師對不同的表達方案也不能給出合理解釋;（4）學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計的圖紙中出現(xiàn)的各種與制圖相關(guān)的問題，如圖線、標(biāo)注不符合國家標(biāo)準(zhǔn)、表達方法不正確，視圖畫法有錯誤等。

上述既有在教學(xué)過程中遇到的問題，也有學(xué)生在實際工作中出現(xiàn)的與工程制圖課程有關(guān)的問題。我們發(fā)現(xiàn)上面4類問題都指向了工程制圖課程中的2個內(nèi)容，即“組合體讀圖”和“機件的表達方法”。其中“組合體讀圖”的教學(xué)要求是根據(jù)給出的視圖想象出物體的形狀，并補畫第三視圖，它要求學(xué)生既要有較強的空間想象能力、分析能力，同時還要求學(xué)生熟練掌握視圖之間的投影規(guī)律;而“機件的表達方法”內(nèi)容主要包括視圖、剖視圖、斷面圖和簡化畫法及規(guī)定畫法等各種表達方法，為了正確、完整、清晰、簡便地將機件的內(nèi)外形狀表達出來，必須根據(jù)機件的結(jié)構(gòu)特點選用適當(dāng)?shù)谋磉_方法，并按照相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)正確地畫出工程圖。這兩部分既是工程制圖課程的難點內(nèi)容，也是工程制圖課程的核心內(nèi)容，同時也是學(xué)生今后和實際工作聯(lián)系最緊密的內(nèi)容。找到了問題的所在，也就確定了我們教學(xué)改革的主攻方向，以下進一步說明我們教學(xué)改革中的主要特色。

二、適合教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)方法探索

（一）“分段式”教學(xué)，“分層次”指導(dǎo)

高等院校的制圖課程一般是一次上2小節(jié)課，共90分鐘。所謂分段式教學(xué)，就是要把90分鐘的2節(jié)課，分為3～4個階段進行，每一個階段有不同的內(nèi)容和目標(biāo)，理論和實踐相結(jié)合，包括利用課件進行基本概念講述、教師進一步在黑板上畫圖示范、學(xué)生課堂繪圖練習(xí)，小組討論、教師當(dāng)場答疑等環(huán)節(jié)。分段式教學(xué)的主要目的就是避免課堂上始終采用單一的教學(xué)模式，容易造成學(xué)生拖沓疲勞，通過分段式教學(xué)，在課堂上不斷變換興奮點，調(diào)整課堂節(jié)奏，從而提高學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的興趣和學(xué)習(xí)效果。

分層次指導(dǎo)是指，一個專業(yè)教學(xué)班有60人左右，學(xué)習(xí)狀況分為好、中、差三個層次，針對不同層次的學(xué)生，教師要有不同的指導(dǎo)重點：比如對于程度較差的一部分學(xué)生，他們往往還不能根據(jù)視圖想出立體的形狀，教師對這部分學(xué)生的要求是先找基本體，抓大放小，使學(xué)生先達到基本要求;對于中間的大部分學(xué)生，他們通過讀視圖，能想出來物體的大致形狀，但畫不出來或有難度的地方畫不出來，對這部分學(xué)生，教師的策略主要是通過大量練習(xí)，訓(xùn)練學(xué)生邊想邊畫，心手一致，逐步培養(yǎng)學(xué)生用“圖”說話的能力;對于最好的一部分學(xué)生，他們的情況是根據(jù)已知的視圖既能想出來物體的形狀，也能畫出來未知的視圖，這時候老師的指導(dǎo)是要求他們注意細(xì)節(jié)，追求完美。

分段式教學(xué)與分層次指導(dǎo)要相互結(jié)合進行，由于有了分段式教學(xué)，教師才能有時間進行分層次指導(dǎo)，兩者相輔相成，要根據(jù)具體情況不斷調(diào)整。

（二）引用“比較教學(xué)法”確定最佳表達方案

比較思維方法是確定研究對象之間共同點和不同點的一種邏輯方法，將比較思維應(yīng)用到課堂教學(xué)活動中，就是“比較教學(xué)法”。其思路是在教學(xué)活動中將兩個或兩個以上的認(rèn)知對象放在一定的條件下進行對比，從而確定認(rèn)知對象屬性的異同、地位的主次、作用的大小、問題的難易或認(rèn)識的正誤深淺，以達到辨識、了解和把握認(rèn)識對象之目的。

在講解機件的不同表達方法時，可以將其比作成學(xué)生熟悉的文章寫作的各種表達體裁，我們知道初學(xué)寫作時，一般寫成記敘文比較簡單，但要表達更加復(fù)雜的情形時，作者就需要寫成議論文或小說才能表達的更加清楚。同樣的道理，通過工程圖表達工程形體時，三視圖是比較簡單的表達形式，可以比作是寫作體裁中的記敘文，是最基本的表達方法，隨著學(xué)習(xí)的深入，就要根據(jù)工程形體的特點，選擇剖視圖、斷面圖等更適當(dāng)?shù)谋磉_方法。這樣通過用學(xué)生熟悉的事情進行比較，對于課程中各種表達方法之間的關(guān)系，就能講得更加明白、透徹。

例如圖1中的一個物體，可以用4種不同的表達方法畫出主視圖，哪一種是最佳方案呢？首先按照三視圖的畫法進行表達，外形畫實線，內(nèi)部畫虛線，中間的棱線畫成實線，內(nèi)部四棱柱孔的虛線被實線遮住，這不利于對內(nèi)部形狀的反映及尺寸標(biāo)注;第二種是按照全剖視圖表達，只能表達內(nèi)部形狀不能反應(yīng)出物體的外部情況;第三種按半剖視圖表達，由于規(guī)定了半剖視圖中左右對稱必須畫中心線，所以中間的內(nèi)外的輪廓線都無法表達了;最后是局部剖視圖，既保留了外部的中間輪廓線，又把內(nèi)部四棱柱槽的中間棱線表達出來了，所以采用局部剖視圖是表達該物體的最佳方案。以上通過比較教學(xué)法，把工程制圖中機件的表達方法的概念解釋得透徹明白，逐步培養(yǎng)學(xué)生分析問題解決問題的能力。

三、利用新技術(shù)解決教學(xué)難點

現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，為教學(xué)過程中的傳統(tǒng)難點問題提供了新的解決方法。例如圖2為組合體的三視圖，要求根據(jù)給出的三個視圖想象出立體的形狀。傳統(tǒng)的讀圖過程是在反映形狀特征比較明顯的視圖上按照線框劃分為幾個部分，利用“對線框，想形體”想象并組合出物體的形狀。由于這一內(nèi)心思維過程是一種抓不住、摸不著的東西，要求學(xué)生要具有很強的空間想象力，由于學(xué)生之間存在個體的差異，有些學(xué)生空間想象能力較弱，因此組合體讀圖成為了一些學(xué)生跨不過去的一個坎兒。針對這類難點問題，我們在課堂上引入三維造型技術(shù)，在學(xué)習(xí)了三視圖和尺寸標(biāo)注的基本內(nèi)容后，利用三維造型技術(shù)進行復(fù)雜形體的讀圖，圖3為采用計算機三維造型軟件繪制的圖2的三維模型。在進行三維造型的過程中，可以邊想象邊造型，直接幫助到學(xué)生的思維過程，使腦海里的想象的每一步都落在實處，變成看得到的東西，由簡到繁，逐步疊加，直到完成整個組合體。

相貫線、組合體讀圖等內(nèi)容是工程制圖課程中的傳統(tǒng)難點問題，同時這些難點內(nèi)容也是工程制圖課程中的核心內(nèi)容，讀圖能力是閱讀工程圖樣的基礎(chǔ)，是工程制圖課程必須要完成的教學(xué)目標(biāo)之一，利用現(xiàn)代新技術(shù)解決工程制圖課程中的難點問題，在三維造型的過程中進一步闡述復(fù)雜組合體的讀圖方法，不僅能使平面的視圖和空間的立體之間瞬間聯(lián)系起來，大大降低了讀圖的難度，使組合體的讀圖過程變得生動有趣，而且也能在三維造型的過程中促進學(xué)生進一步理解相貫線的形成及意義，達到舉一反三、事半功倍的效果。

四、結(jié)束語

大學(xué)的課堂教學(xué)是學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)知識的主要來源，在評價教學(xué)效果時，有人曾提出過一個公式： 教學(xué)效果=教師的專業(yè)知識×教學(xué)方法，不言而喻，無論是學(xué)與教， 方法問題都是至關(guān)重要的。采用適合教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)方法，往往就會達到事半功倍的效果。在高等學(xué)校的課程教學(xué)過程中，很多課程都有自己特定的重點及難點內(nèi)容，而學(xué)生在此也往往遇到了很大的困難，我們從解決這些問題出發(fā)，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容研究采用更加貼切的教學(xué)方法。同時進一步豐富教學(xué)手段，吸收新技術(shù)解決教學(xué)過程中的難點問題，把課堂和當(dāng)代技術(shù)的發(fā)展聯(lián)系起來，使《工程制圖》這門傳統(tǒng)理論課程的課堂教學(xué)變得更加生動且充滿活力。

參考文獻：

[1]于黎明，等.高等工程教育發(fā)展趨勢分析與國際化辦學(xué)探索[J].高等工程教育研究，2013，02：41-52.

[2]張孟玫，常冬梅，王雙勝.利用三維造型技術(shù)進行復(fù)雜形體的讀圖[J].機械設(shè)計與制造，2006，11：65-66.

[3]楊惠英，王玉坤.工程制圖[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008：118-125.

[4]王志忠，王幼荃，吳占文.工程制圖教學(xué)新體系初探[J].高等工程教育研究，2003，05：69-71.

[5]王洪英.運用多媒體技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)資源指導(dǎo)學(xué)生學(xué)好工程制圖[J].中國電化教育，2006，12：62-64.

[6]萬靜，許紀(jì)倩.機械制圖[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011：118-142.