提升工程實(shí)踐能力背景下“工程制圖”教學(xué)改革探索

范芳蕾， 張克義， 余宏濤， 史冬敏

(東華理工大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

“工程制圖”是工科類院校學(xué)生學(xué)習(xí)工程科學(xué)與技術(shù)的入門課程。它以現(xiàn)代工程應(yīng)用為背景，旨在使學(xué)生掌握工程設(shè)計(jì)表達(dá)的基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，是培養(yǎng)空間想象能力和創(chuàng)新思維能力的重要載體，是學(xué)生認(rèn)識(shí)工程、走進(jìn)工程的橋梁。在工科類院校課程設(shè)置中占有一席之地[1]。近年來(lái)，在工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下，對(duì)大學(xué)生運(yùn)用工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí)解決復(fù)雜問(wèn)題的要求越來(lái)越明確，要求大學(xué)生們具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐能力。這就要求課程內(nèi)容和體系的設(shè)置多挖掘其背后的工程價(jià)值，多引入工程實(shí)例。

依據(jù)東華理工大學(xué)本科人才培養(yǎng)方案的指導(dǎo)性意見(jiàn)，原有的課程總學(xué)時(shí)減少，并且增加學(xué)生課外實(shí)踐學(xué)時(shí)，工程制圖課縮短為32學(xué)時(shí)。在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)更多的引入工程實(shí)例，提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力，這無(wú)疑是對(duì)本課程提出了更高的要求。針對(duì)這一背景，課題組成員進(jìn)行了工程制圖課程的改革，改變?cè)姓n程體系和內(nèi)容，兼顧尺規(guī)作圖和草圖基本訓(xùn)練的同時(shí)，縮減投影理論和工程制圖基礎(chǔ)及相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)兩大模塊的課內(nèi)學(xué)時(shí)，提出結(jié)合網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，融入三維模型設(shè)計(jì)的新型教學(xué)理念。以熟練讀取工程圖和使用三維軟件設(shè)計(jì)并生成清晰、規(guī)范的工程圖，同時(shí)具備一定的尺規(guī)作圖和草圖能力為教學(xué)目標(biāo)[2]。

1 教學(xué)模式與課程體系的改革

國(guó)內(nèi)多數(shù)大學(xué)課堂依然以“概念—分類—?dú)v史—屬性—未來(lái)”等類似線性內(nèi)容的教師獨(dú)白式授課模式為主線，學(xué)生喪失學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，“教”“學(xué)”的天平嚴(yán)重傾斜。歐美等國(guó)家早已突破這種傳統(tǒng)模式，課題組成員在愛(ài)爾蘭阿斯隆理工學(xué)院和愛(ài)爾蘭都柏林理工學(xué)院分別進(jìn)行了為期半年的訪學(xué)，期間旁聽(tīng)相應(yīng)課程，對(duì)教學(xué)過(guò)程、組織、內(nèi)容和方法深入研究，結(jié)合我校實(shí)際情況提出在工程制圖課程上采用“觀察—移情—發(fā)現(xiàn)問(wèn)題—調(diào)研—查找文獻(xiàn)—尋找答案—驗(yàn)證答案”等類似螺旋式課程模式來(lái)探索本課程的知識(shí)脈絡(luò)、學(xué)術(shù)規(guī)律以及背后的工程價(jià)值，意在促使課堂中呈現(xiàn)出一種相互對(duì)話與反復(fù)質(zhì)詢的交互機(jī)制。

“工程制圖”課程體系改革基于少學(xué)時(shí)、工程運(yùn)用及新教學(xué)模式的需求，將投影理論和工程制圖基礎(chǔ)兩大模塊的學(xué)時(shí)數(shù)從32縮減到21，如表1所示。新教學(xué)模式中注重學(xué)生的自學(xué)能力及課堂主導(dǎo)力的提升，制圖課程將結(jié)合課題組建立的網(wǎng)上微課平臺(tái)共同完成，如圖1所示。例如：投影理論中點(diǎn)、直線、平面和基本形體投影的基礎(chǔ)理論由學(xué)生課前通過(guò)微課平臺(tái)自學(xué)，課堂上的四小時(shí)主要進(jìn)行答疑、知識(shí)的提煉以及習(xí)題講解。在整個(gè)課程體系中引入三維 CAD (Computer Aided Design) 軟件工具，進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，三維建模融入到各個(gè)知識(shí)領(lǐng)域，“圖”“形”結(jié)合，提高學(xué)生快速表達(dá)設(shè)計(jì)理念的能力。新課程體系更加注重實(shí)踐教學(xué)，將繪圖知識(shí)和CAD知識(shí)融合在一起，在學(xué)生進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)練習(xí)的同時(shí)，向?qū)W生講解介紹并輔以完成相應(yīng)的設(shè)計(jì)練習(xí)[3]。

表1 新舊課程體系對(duì)比

2 教學(xué)方法的改革

2.1 結(jié)合工程制圖線上平臺(tái)，促使學(xué)生完成課前預(yù)習(xí)

新培養(yǎng)方案實(shí)施，所有課程總學(xué)時(shí)縮減，這就意味著學(xué)生有更多的可自由支配時(shí)間，可以利用課余時(shí)間自主學(xué)習(xí)制圖課程的基礎(chǔ)理論知識(shí)，提升自主學(xué)習(xí)能力。本課題組建成了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，完成了“工程制圖”和“工程制圖微課”建設(shè)，為學(xué)生提供了一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的自主學(xué)習(xí)平臺(tái)，也為本課題提出的教學(xué)改革方案奠定了基礎(chǔ)。

以“工程制圖微課” 網(wǎng)上教學(xué)輔導(dǎo)與學(xué)習(xí)系統(tǒng)為主，其包括：教學(xué)設(shè)計(jì)、電子課程教學(xué)內(nèi)容講解(PPT)以及微課，如圖1所示。教學(xué)設(shè)計(jì)包含課程概況、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)方法、實(shí)操實(shí)例、項(xiàng)目擴(kuò)展以及作業(yè)布置，項(xiàng)目拓展主要以企業(yè)實(shí)際案例為主。微課針對(duì)每章節(jié)主要內(nèi)容和重點(diǎn)難點(diǎn)進(jìn)行講解，每個(gè)教學(xué)視頻濃縮至14-20分鐘。教師課前發(fā)布任務(wù)，學(xué)生在限定時(shí)間內(nèi)必須完成相應(yīng)章節(jié)的微課學(xué)習(xí)，完成作業(yè)并上傳，教師對(duì)完成情況進(jìn)行監(jiān)控，充分掌握學(xué)生自主學(xué)習(xí)的完成情況。

如圖2所示，“工程制圖”在線學(xué)習(xí)平臺(tái)，將每一章的每一節(jié)內(nèi)容細(xì)化講解，學(xué)生在預(yù)習(xí)過(guò)程中碰到具體某個(gè)知識(shí)點(diǎn)無(wú)法理解時(shí)，可針對(duì)性地進(jìn)行學(xué)習(xí)，起到很好的輔助教學(xué)作用。

圖1 工程制圖微課主界面

圖2 工程制圖主界面

2.2 三維建模融入課堂教學(xué)

二維工程圖樣是表達(dá)設(shè)計(jì)創(chuàng)意的語(yǔ)言工具[4]，任何一個(gè)產(chǎn)品都需要多張零件圖及裝配圖表達(dá)。而要讀懂這些圖紙并準(zhǔn)確地確定各尺寸鏈，將花費(fèi)很多時(shí)間和精力。一旦讀圖有誤，將會(huì)給生產(chǎn)、制造帶來(lái)巨大損失。隨著三維建模軟件的應(yīng)用，工程師就能在屏幕上見(jiàn)到近似真實(shí)的三維模型，并運(yùn)用實(shí)體添加約束進(jìn)行裝配，在加工前就能檢查出尺寸鏈及干涉問(wèn)題，大大減少圖紙繪制階段的失誤?，F(xiàn)在大部分企業(yè)均采用三維軟件做產(chǎn)品設(shè)計(jì)，也要求工程師們具備三維建模的能力。

現(xiàn)代的三維設(shè)計(jì)過(guò)程為：三維設(shè)計(jì)構(gòu)思→三維表達(dá)CG(Computer Graphics)建模→三維分析計(jì)算→三維 CAE(Computer Aided Engineering)、CAM(Computer Aided Manufacturing)[5]?，F(xiàn)代的三維設(shè)計(jì)過(guò)程將構(gòu)思、設(shè)計(jì)、建模、分析和仿真整個(gè)過(guò)程實(shí)時(shí)地表達(dá)出來(lái)，大大縮短了設(shè)計(jì)周期，降低錯(cuò)誤率，提升效率，降低企業(yè)成本，成為現(xiàn)在的主流設(shè)計(jì)思想。為更好地貼靠企業(yè)需求，提升學(xué)生工程實(shí)踐能力，三維建模貫穿于本課程的始終。

(1)從點(diǎn)、直線、面的投影開(kāi)始以簡(jiǎn)單模型入手，講解投影基礎(chǔ)理論及工程上常用的投影方法。運(yùn)用三維CAD軟件講解基本體和組合體的草圖繪制、從二維草圖生成三維立體模型的方法、基本體之間的布爾運(yùn)算(交、并、差)，最后由三維模型生成視圖的過(guò)程。對(duì)照三維模型分析立體表面幾何元素投影、截交線和相貫線的投影及畫法，簡(jiǎn)單直觀，學(xué)生更易理解。如圖3所示，由二維草圖拉伸得到長(zhǎng)方體，再分步截切分析每一步截交線的投影，最終得到被截切體三視圖。

(2)在工程建模與制圖模塊中，將標(biāo)準(zhǔn)件、零件圖及裝配圖融合在一起，以簡(jiǎn)單的工程實(shí)例為主，項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)形式完成本模塊學(xué)習(xí)。從此模塊開(kāi)始結(jié)合三維建模裝配技術(shù)，分析組成裝配體的各零件結(jié)構(gòu)，完成各零件的建模，講解各零件的裝配關(guān)系、約束的添和工作原理。利用三維軟件建模，完成部件裝配。利用三維繪圖軟件自動(dòng)生成零件及裝配件二維圖，依據(jù)制圖標(biāo)準(zhǔn)完善圖紙得到符合要求的二維工程圖。

圖3 基本體截切的分析步驟

3 考核方式的改革

原有的考核方式都是以一考定成績(jī)，形式單一、目標(biāo)僵化，忽略學(xué)生在教學(xué)中的主體作用，忽略其在學(xué)習(xí)過(guò)程中的思考、綜合與積累，扼殺學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，阻礙其個(gè)性發(fā)展[6]。因此，從分析和解決實(shí)際工程能力的角度出發(fā)，考核分為網(wǎng)絡(luò)課程學(xué)習(xí)、項(xiàng)目完成和最終考試三部分，如表2所示，最終成績(jī)由三部分組成。

表2 新考核方式說(shuō)明

4 結(jié)論

“工程制圖”課程是工科類院校的專業(yè)基礎(chǔ)課，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生空間想象力和工程實(shí)踐能力起到非常重要的作用。在多年的教學(xué)實(shí)踐中，課題組成員不斷探索改革，為的是在少課時(shí)要求下還能更好地提升學(xué)生工程實(shí)踐能力。實(shí)踐證明，基于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，有效提升了學(xué)生預(yù)習(xí)效率，課堂教學(xué)效果大大提升；結(jié)合三維建模和工程實(shí)例，一定程度上減少了課程的枯燥性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并且培養(yǎng)了學(xué)生三維建模的能力，結(jié)合工程實(shí)例使得學(xué)習(xí)的目標(biāo)更加明確。后續(xù)課題組還將對(duì)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的維護(hù)和教學(xué)效果進(jìn)行持續(xù)性跟蹤，在實(shí)踐中提升教學(xué)質(zhì)量。