基于創(chuàng)新性構(gòu)型設(shè)計的工程圖學(xué)教學(xué)體系研究

熊志勇， 羅志成， 陳錦昌， 姜立軍， 鄧學(xué)雄， 劉 林， 陳熾坤

（華南理工大學(xué)設(shè)計學(xué)院，廣東 廣州 510006）

創(chuàng)新是一個民族進步的靈魂，是一個國家興旺發(fā)達的不竭動力。胡錦濤同志在十七大報告中首次把“提高自主創(chuàng)新能力、建設(shè)創(chuàng)新型國家”，確立為“國家發(fā)展戰(zhàn)略的核心，提高綜合國力的關(guān)鍵”，提出到2020年要將我國建設(shè)成為創(chuàng)新型國家。這就對高校特別是高水平研究型工科大學(xué)培養(yǎng)具有高素質(zhì)創(chuàng)造性的工程技術(shù)人才提出了新的任務(wù)和要求。培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維能力已成為高等教育改革的重要內(nèi)容，它也是工程圖學(xué)教育中的關(guān)鍵問題。工程圖學(xué)課程作為工科院校的一門量大面廣的技術(shù)基礎(chǔ)課，其主要任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生工程圖學(xué)素質(zhì)。工程圖學(xué)課程中創(chuàng)新思維方式的培養(yǎng)是學(xué)生工程圖學(xué)素質(zhì)教育的核心[1]，而形體的構(gòu)型設(shè)計是工程圖學(xué)思維方式培養(yǎng)的重要方法。

在教育部工程圖學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會最新修訂的“本科工程圖學(xué)課程教學(xué)基本要求”中，明確提出了將“創(chuàng)造性構(gòu)型設(shè)計能力的培養(yǎng)”作為工程圖學(xué)課程教學(xué)任務(wù)和5個基礎(chǔ)之一，通過工程圖學(xué)課程學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程意識。新的教學(xué)理念對工程圖學(xué)課程體系、教學(xué)內(nèi)容改革、教學(xué)方法和教材建設(shè)提出了新的任務(wù)和要求。如何在新的教學(xué)理念下應(yīng)用現(xiàn)代化教學(xué)手段,培養(yǎng)學(xué)生形體構(gòu)型設(shè)計創(chuàng)新思維能力是工程圖學(xué)課程教學(xué)改革的一個熱點問題[2-4]。

我們依托國家級工程制圖教學(xué)團隊建設(shè)、國家級建筑制圖精品課程建設(shè)和廣東省教學(xué)研究項目“培養(yǎng)創(chuàng)新能力的工程圖學(xué)新體系的研究”，提出以構(gòu)型設(shè)計為主線培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力的工程圖學(xué)新體系的研究，旨在探索與實踐工程圖學(xué)課程以構(gòu)型設(shè)計為主線的課程體系構(gòu)建、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革以及與之配套的教材建設(shè)，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。該研究為工程圖學(xué)課程教學(xué)改革指明了新的方向，其成果將為我國高校在新的教學(xué)理念下，培養(yǎng)學(xué)生形體構(gòu)型設(shè)計創(chuàng)新思維能力提供重要參考價值的教學(xué)實踐和有效途徑。

1 國內(nèi)外工程圖學(xué)教研情況

一些先進工業(yè)國家的工程制圖課程中，傳統(tǒng)的畫法幾何內(nèi)容及制圖技能的培訓(xùn)所占的學(xué)時逐漸減少，取而代之的是加強了徒手草圖、三維建模和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的教學(xué)內(nèi)容[5-13]。例如，弗吉尼亞洲立大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院的教學(xué)大綱中，有關(guān)二維和三維工程圖學(xué)課程的安排為：畫軸測圖、用繪圖軟件畫二維圖、用SolidWorks生成零件實體模型、由實體模型生成二維圖形等；澳汀德州大學(xué)工程設(shè)計制圖課在低年級開設(shè)，將實體建模作為該課程的核心，每周教學(xué)環(huán)節(jié)包括：講課，手繪草圖，計算機繪圖等3個環(huán)節(jié)；加州大學(xué)圣迭哥分校工程圖學(xué)課程教學(xué)中[14]，注重培養(yǎng)學(xué)生解決實際工程問題的能力和動手能力，實踐教學(xué)和課堂教學(xué)緊密結(jié)合，課堂教學(xué)內(nèi)容圍繞實踐教學(xué)項目逐步展開；路易斯安那州立大學(xué)則在圖學(xué)教育中引入角色扮演、腦力風(fēng)暴和問題解決方法學(xué)，提高了學(xué)生設(shè)計創(chuàng)新產(chǎn)品的能力。上述這些學(xué)校的教學(xué)內(nèi)容都蘊涵著構(gòu)型設(shè)計的思想。

我國工程制圖課程教學(xué)改革主要經(jīng)歷了兩個階段：一是早期基本上沿用前蘇聯(lián)模式，以二維視圖作為形體表達的主要形式；二是 20世紀90年代，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展逐步深入，將計算機繪圖技術(shù)引入到工程制圖的課程當中，并逐步引人三維設(shè)計的手段來改革工程制圖的課程體系和教學(xué)內(nèi)容[15-17]。

然而，計算機繪圖的引入僅僅是對繪圖工具的改變，其對工程制圖課程體系、教學(xué)內(nèi)容的改變只是側(cè)重點上的變化，而不是根本的改革，也難以提高學(xué)生設(shè)計創(chuàng)新問題的解決能力。為此，新的工程制圖課程體系應(yīng)該注重培養(yǎng)形體構(gòu)型設(shè)計創(chuàng)新思維能力，讓學(xué)生在了解現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)與設(shè)計的基本知識的基礎(chǔ)上，能夠通過三維參數(shù)化特征造型軟件進行初步的構(gòu)型創(chuàng)新設(shè)計工作。

近年來，國內(nèi)一些高校對構(gòu)型設(shè)計在工程圖學(xué)課程中的應(yīng)用進行了一定的探索和研究。清華大學(xué)王濤[18]從機械設(shè)計方法學(xué)角度建立了一種面向計算機實現(xiàn)的仿生構(gòu)形設(shè)計方法，并從功能面、零件和機構(gòu)3個層次給予闡述；燕山大學(xué)趙炳利等[19]闡述了組合體構(gòu)形設(shè)計在現(xiàn)代圖學(xué)教育中的重要作用，并說明了在制圖教學(xué)中實施組合體構(gòu)形設(shè)計的方法及考評辦法；江南大學(xué)蔡小華[20]從培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計意識和創(chuàng)新能力的角度提出用動態(tài)思維方法培養(yǎng)學(xué)生的空間構(gòu)形能力開展了研究。但如何有效地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性構(gòu)型設(shè)計能力、如何開展構(gòu)型設(shè)計訓(xùn)練，目前還沒有形成一個完整的教學(xué)體系，也沒有一本以構(gòu)型設(shè)計為主線的，著重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的工程圖學(xué)教材。

為解決上述問題，以陳錦昌為首席教授的工程制圖國家級教學(xué)團隊在全國率先開展了以構(gòu)型設(shè)計為主線的工程圖學(xué)課程新體系的研究[3]。

2 教學(xué)改革目標

現(xiàn)代工程圖學(xué)教育的基本出發(fā)點是培養(yǎng)、啟發(fā)人的創(chuàng)造才能。構(gòu)型設(shè)計教育是一種關(guān)于創(chuàng)造的教育。形體的構(gòu)型設(shè)計是創(chuàng)造性設(shè)計的重要表達形式，也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和工程素質(zhì)的關(guān)鍵。基于創(chuàng)新性構(gòu)型設(shè)計的工程圖學(xué)教學(xué)改革目標是：構(gòu)建適合培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性構(gòu)型設(shè)計能力和創(chuàng)新能力的課程體系以及與之相適應(yīng)的教學(xué)方法和教學(xué)評價體系。

構(gòu)型設(shè)計作為空間想象和創(chuàng)造性思維訓(xùn)練的重要載體對培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力具有重要作用。在教學(xué)改革過程中，要以構(gòu)型設(shè)計為主線，突出培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力的基于創(chuàng)新性構(gòu)型設(shè)計的工程圖學(xué)新課程體系；以此為基礎(chǔ)，在教學(xué)實踐中采用基于任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性問題的解決能力。

3 教學(xué)改革內(nèi)容

3.1 教學(xué)體系的構(gòu)建

學(xué)生創(chuàng)造性構(gòu)型設(shè)計能力培養(yǎng)中突出的是學(xué)生三維形體的造型能力，這是學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要形式之一。這一能力在基于構(gòu)型設(shè)計的工程圖學(xué)課程中是通過不同教學(xué)內(nèi)容中多種構(gòu)型設(shè)計訓(xùn)練、基于實例的創(chuàng)新設(shè)計理論方法訓(xùn)練及計算機三維建模方式來完成的。工程圖學(xué)課程新教學(xué)體系如圖1所示。

本文提出以構(gòu)型設(shè)計為主線突出創(chuàng)新思維培養(yǎng)的工程圖學(xué)課程的改革是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的一種對策，從而構(gòu)建出以構(gòu)型設(shè)計為主線的工程圖學(xué)課程的新體系?；趧?chuàng)新性構(gòu)型設(shè)計的工程圖學(xué)課程體系包括五大部分：圖學(xué)基礎(chǔ)與投影理論、構(gòu)型表達、計算機構(gòu)型基礎(chǔ)、機械工程圖樣和創(chuàng)新構(gòu)型綜合。

該課程體系減少了傳統(tǒng)的畫法幾何及制圖技能的培訓(xùn)內(nèi)容，加強了徒手草圖、三維建模、構(gòu)型創(chuàng)新設(shè)計和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的教學(xué)內(nèi)容。這一新體系將有效地培養(yǎng)學(xué)生的工程圖學(xué)思維能力，提高學(xué)生的工程圖學(xué)素質(zhì)。

圖1 基于創(chuàng)新性構(gòu)型設(shè)計的工程圖學(xué)課程教學(xué)體系

3.2 教學(xué)評價

教學(xué)評價是發(fā)揮評價的教育功能的有效手段,其評價指標和方法對教學(xué)過程和教學(xué)活動起著導(dǎo)向、激勵和質(zhì)量監(jiān)控的作用。因此，構(gòu)建符合素質(zhì)教育要求、適合培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性構(gòu)型設(shè)計的能力和創(chuàng)新能力、具有教學(xué)改革特點的教學(xué)評價體系具有重要意義。我們注重建立“學(xué)習(xí)結(jié)果與學(xué)習(xí)過程并重的評價機制”的基本理念，實現(xiàn)評價目標多元化，評價手段多樣化、形成性過程評價和學(xué)生個體縱向評價并舉、定性評價和定量評價結(jié)合。

創(chuàng)新能力培養(yǎng)是在構(gòu)型設(shè)計創(chuàng)新思維反復(fù)訓(xùn)練中逐步提高的。我們在教學(xué)活動中采用基于任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)方法，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)了他們的求知欲望以及分析問題、解決問題的能力。由于學(xué)生個體智力和非智力因素的差異性，他們對教學(xué)內(nèi)容的理解和掌握程度會有所差異，這就要求我們根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)具有個體差異性的實際情況，建立了教學(xué)活動的自我矯正系統(tǒng)。

教學(xué)過程評價我們借鑒布盧姆(Benjamin S·Bloom)的教學(xué)評價理論，該理論從評價功能角度將教育評價分為3類：診斷性評價、形成性評價和總結(jié)性評價。我們在教學(xué)過程中，教育評價不再延用過去依據(jù)期末測試成績進行等級劃分或選拔評價，而是注重形成性過程評價，來適應(yīng)并培養(yǎng)每個學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。教學(xué)評價基本過程如圖2所示。

圖2 教學(xué)評價基本過程

由于注重形成性評價，及時反饋與矯正，也注重心理因素的重大作用，充分體現(xiàn)了教學(xué)過程的積累效應(yīng)和期待效應(yīng)。通過診斷性評價、單元（課時）形成性評價和階段終結(jié)性評價以及它們之間的相互轉(zhuǎn)化，使教學(xué)自始至終形成了一個“閉合的螺旋式”教學(xué)自我反饋矯正系統(tǒng)，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)一種激勵性評價機制，這有利于激發(fā)學(xué)生的潛能和培養(yǎng)學(xué)生的形體構(gòu)型設(shè)計創(chuàng)新思維能力。

4 教學(xué)改革實踐

在教學(xué)改革實踐中，構(gòu)型設(shè)計的教學(xué)貫穿在工程制圖課程教學(xué)的各個教學(xué)環(huán)節(jié)中，突出造型創(chuàng)新設(shè)計的教學(xué)與訓(xùn)練，并與構(gòu)型創(chuàng)新輔助工具集和計算機三維建模與表達相結(jié)合，體現(xiàn)創(chuàng)新性構(gòu)型設(shè)計的特點。為保證教學(xué)改革的順利實施，我們從教學(xué)資源建設(shè)、教學(xué)方法與教學(xué)過程設(shè)計、教學(xué)評價等多方面進行改革和完善。

4.1 教學(xué)資源建設(shè)

通過前期教學(xué)研究實踐，我們構(gòu)建了突出學(xué)生創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)的以構(gòu)型設(shè)計為主線的工程圖學(xué)課程具有特色的新體系；編制基于構(gòu)型設(shè)計創(chuàng)新思維培養(yǎng)的工程圖學(xué)課程講義和教學(xué)大綱；開發(fā)了部分創(chuàng)新設(shè)計理論方法工具集，用于輔助學(xué)生創(chuàng)造性構(gòu)型方案生成。目前，本教學(xué)團隊在陳錦昌教授的倡議和大力支持下，正著手根據(jù)已有材料編寫出版基于構(gòu)型設(shè)計創(chuàng)新思維培養(yǎng)的工程圖學(xué)課程教材；同時，繼續(xù)開發(fā)構(gòu)型創(chuàng)新輔助工具集輔助學(xué)生構(gòu)思創(chuàng)意方案，進一步完善課程教學(xué)資源，如網(wǎng)絡(luò)課程、模型庫等的建設(shè)，提供豐富的素材給教師用于課堂教學(xué)，有效地提高教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量。

4.2 教學(xué)實踐

工程圖學(xué)課程新體系中突出創(chuàng)新思維培養(yǎng)，構(gòu)型設(shè)計訓(xùn)練是構(gòu)型設(shè)計教學(xué)中的一個重要環(huán)節(jié)。在教學(xué)中我們精心制定每一知識結(jié)構(gòu)的構(gòu)型設(shè)計目標，并設(shè)定一定的約束條件，使構(gòu)型設(shè)計隨著制圖課程的展開與深入，為學(xué)生所掌握，達到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性構(gòu)型設(shè)計能力和創(chuàng)新能力的目標。

我們以中青年教師為主體，2008年在非機械類專業(yè)（生物醫(yī)學(xué)、材料化學(xué)和金屬材料等）工程制圖教學(xué)中引入了任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法講授產(chǎn)品創(chuàng)新方法和構(gòu)型設(shè)計思想，以課程設(shè)計的方式讓學(xué)生以小組為單位設(shè)計創(chuàng)新產(chǎn)品，并以各種方式呈現(xiàn)個人創(chuàng)新構(gòu)思，其他學(xué)生以腦力風(fēng)暴方式提出建議和意見，任課教師最后點評設(shè)計方案。教學(xué)過程中，我們注重形成性評價，及時反饋與矯正，通過診斷性評價、單元（課時）形成性評價和階段終結(jié)性評價以及它們之間的相互轉(zhuǎn)化，培養(yǎng)每個學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。通過這種教學(xué)模式提高了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性、培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新思維能力，并產(chǎn)生了一批可申請專利的創(chuàng)意方案，目前該教學(xué)實踐仍在進一步推廣，期望能為其他工科院校工程圖學(xué)教學(xué)改革提供參考與借鑒。

5 結(jié)束語

這一新的基于創(chuàng)新性構(gòu)型設(shè)計的工程圖學(xué)課程體系以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力為目標，打破了長期以來傳統(tǒng)工程制圖課程以二維繪圖設(shè)計為主的課程體系。在課程的內(nèi)容體系上結(jié)合當前工程制圖的教學(xué)改革成果，突出“以構(gòu)型設(shè)計為主線”，引入三維CAD和基于實例的創(chuàng)新設(shè)計理論方法的內(nèi)容，并采用基于任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)方法和適合培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性構(gòu)型設(shè)計的能力和創(chuàng)新能力教學(xué)評價體系，能很好的培養(yǎng)學(xué)生的形體構(gòu)型設(shè)計創(chuàng)新思維能力。

[1]童秉樞, 高樹峰. 談工程圖學(xué)教學(xué)中學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報, 2008, 29(6): 1-6.

[2]王秀英, 白海英, 張秀芝. 面向創(chuàng)新人才培養(yǎng)的工程圖學(xué)綜合實踐[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報, 2009, 30(5):148-152.

[3]陳錦昌, 陳熾坤, 鄧學(xué)雄, 等. 基于構(gòu)型設(shè)計的工程圖學(xué)教學(xué)體系的探討[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報, 2006, 27(5):130-132.

[4]鮑雨梅, 姜獻峰, 李俊源, 等. 著眼于創(chuàng)新思維培養(yǎng)的工程圖學(xué)教學(xué)改革[C]//第 1屆中國圖學(xué)大會,2007: 463-466.

[5]Graham M, Slocum A, Moreno S R. Teaching high school students and college freshmen product development by deterministic design with PREP [J].Journal of Mechanical Design, 2007, 129(7): 677-681.

[6]Reid B. Effects of industrial experience and coursework during sophomore and junior years on student learning of engineering design [J]. Journal of Mechanical Design, 2007, 129(7): 662-666.

[7]Dym C L, Agogino A M, Eris O, et al. Engineering design thinking, teaching and learning [J]. J. Eng.Educ., 2005, 94(1): 103-120.

[8]Clough G. Educating the engineer of 2020: adapting engineering education to the new century [R].Washington, DC: National Academy of Engineering,National Academy Press, 2005.

[9]Liu Z, Schonetter D. Teaching creativity in engineering [J].International Journal of Engineering Education, 2004,20(5): 801-808.

[10]Sorby S A, Baartmans B J. The development and assessment of a course for enhancing the 3-D spatial visualization skills of first year engineering students [J].J. Eng. Educ., 2000, 89(3): 301-307.

[11]Bruce W F. Visualization, Intuition and mathematics as predictors of undergraduate engineering design performance [J]. Journal of Mechanical Design, 2007,129(7): 735-743.

[12]Kazerounian K, Foley S. Barriers to creativity in engineering education: a study of instructors and students perceptions [J]. Journal of Mechanical Design, 2007, 129(7): 761-768.

[13]Devendorf M, Lewis K, Simpson T W, et al.Evaluating the use of digital product repositories to enhance product dissection activities in the classroom [J].Journal of Computer and Information Science in Engineering, 2009, 9(12): 1-8.

[14]毛文武. 美國加州大學(xué)圣迭哥分校工程圖學(xué)課程教學(xué)研究[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報, 2007, 28(5): 172-177.

[15]戴立玲, 盧章平. 工程圖學(xué)與基本 CAD 應(yīng)用技術(shù)融入式教學(xué)體系的研究探討[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報,2006, 27(6): 116-120.

[16]張學(xué)忱, 陳錦昌. 三維工程圖學(xué)課程和教材的研究與實踐[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報, 2009, 30(5): 139-143.

[17]李 麗, 賈 雨, 曾 兵. 現(xiàn)代工程制圖教學(xué)內(nèi)容改革的探討與實踐[J]. 高等教育研究, 2001, 17(4):53-54.

[18]王 濤, 滕東興, 童秉樞. 構(gòu)層次上仿生型構(gòu)形設(shè)計系統(tǒng)的研究[J]. 機械科學(xué)與技術(shù), 2003, 22(4):653-655.

[19]趙炳利, 任玉波, 賈春玉, 等. 組合體構(gòu)形設(shè)計的教學(xué)實踐和體會[J]. 教學(xué)研究, 2000, 23(2):191-192.

[20]蔡小華. 用動態(tài)思維方法引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生的空間構(gòu)形能力[J].江南大學(xué)學(xué)報(教育科學(xué)版), 2009,29(3): 274-276.