“畫法幾何與機械制圖”課程改革與實踐*

陳俊君 ，徐 冰 ，劉振國 ，高紅斌 ，劉 垚

（1.山西大學自動化與軟件學院，山西 太原 030031；2.山西大學電力與建筑學院，山西 太原 030031）

“畫法幾何與機械制圖”是機械類專業(yè)學生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程[1-2]，是學生入校后接觸到的第一門工程應(yīng)用類課程，在機械工程專業(yè)課程中處于十分重要的地位[3-4]。該課程的特點是理論嚴謹、邏輯性強，植根于豐富、直接的工程應(yīng)用背景，其目標是使學生掌握運用工程圖樣來理解、表達和設(shè)計機械產(chǎn)品的理論和方法，培養(yǎng)學生從三維空間到二維平面，再從二維平面到三維空間的想象力和幾何形體的構(gòu)思能力，同時增強學生創(chuàng)造性構(gòu)型、設(shè)計的能力以及使用尺規(guī)作圖、徒手繪圖的能力。

1 “畫法幾何與機械制圖”課程教學中存在的主要問題

1.1 理論灌輸現(xiàn)象嚴重

傳統(tǒng)的“畫法幾何與機械制圖”課程由于知識點多、學習任務(wù)重，存在重視理論教學，忽視理論聯(lián)系實際的問題。過多理論知識的講授使該課程變得很枯燥，學生剛開始接觸這門課程時對立體空間構(gòu)型原理不太理解，隨著學習內(nèi)容的增加，對該課程的學習積極性會下降，甚至可能出現(xiàn)抵觸的心理，進而對該課程的后續(xù)學習產(chǎn)生負面影響。

1.2 學生的主觀能動性較差

“畫法幾何與機械制圖”課程教學以教師為主導(dǎo)[5]，課堂教學的大部分時間是由教師引導(dǎo)學生進行學習，學生學習過程中的主動性、積極性不高，學習氛圍不熱烈，教師和學生的課堂互動較少，理論聯(lián)系實際的環(huán)節(jié)不多。這容易導(dǎo)致學生缺乏獨立思考和自主學習的能力，老師講授哪些知識就吸收哪些知識，課外學習拓展的內(nèi)容很有限，這些都不利于開拓學生的創(chuàng)新思維和培養(yǎng)學生的探索精神。

1.3 實踐教學環(huán)節(jié)相對薄弱

為了不斷優(yōu)化教學效果，老師們集思廣益，在課堂上進行了一定的改進，如采用木制實物模型、應(yīng)用計算機軟件進行繪圖、對零部件進行實物測繪等，這些方法在一定程度上能夠增強學生對知識點的感性認識，提高學生對該課程的學習效果。但同時也存在著明顯的缺陷和不足：傳統(tǒng)的木制模型一般造型比較陳舊、攜帶起來不方便、數(shù)量和種類不多，而且很多具體結(jié)構(gòu)與教材上的并不一致；計算機繪圖大多側(cè)重于二維平面圖形的繪制，與三維建模的結(jié)合較少，不能很好地滿足現(xiàn)代教學的需求。因此，結(jié)合課程的特點增加教學過程中的實踐環(huán)節(jié)是很有必要的。

1.4 教學模式缺少思政元素

為了踐行好立德樹人的原則，把思想政治工作貫穿教育教學全過程[6-7]，破解思政課程與其他課程特別是專業(yè)課程之間“兩張皮”的問題[8-9]，課程思政工作在多個省市的若干高校進行了試點，課堂教學效果比較顯著。鑒于此，在“畫法幾何與機械制圖”課程中可以參照相關(guān)試點高校的成功經(jīng)驗，把課程思政靈活引入到教學過程中進行消化吸收再創(chuàng)新。傳統(tǒng)教學模式下的思想政治課是由該課程的任教老師將思想觀念、價值觀點、道德理念、社會責任、法治觀念等內(nèi)容直接傳遞給學生，講解過程較為枯燥，學生接收較為被動?！爱嫹◣缀闻c機械制圖”課程作為高等院校中機械類專業(yè)學生的必修課，學時相對比較寬裕，在該課程的實踐教學中能夠結(jié)合思政元素的知識點較多，因而可以嘗試將課程思政內(nèi)容充分融入整個教學過程之中，使該課程的教學形式不斷豐富，提高學生對“畫法幾何與機械制圖”課程的學習熱情，同時將課程思政內(nèi)容自然而然地傳遞給學生，努力為國家和社會培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞母咚刭|(zhì)專業(yè)技術(shù)人才。

2 融入課程思政的“畫法幾何與機械制圖”課程改革措施

在教學過程中，應(yīng)將思政內(nèi)容盡可能自然地融入“畫法幾何與機械制圖”課程的教學之中。課前，針對不同章節(jié)內(nèi)容挖掘其在教學過程中所涉及的思政元素。例如：畫大圖實踐課程需要同學們查找機械制圖相關(guān)標準及繪圖規(guī)范，在畫圖過程中應(yīng)該要求嚴格按照機械制圖國家標準正確繪制圖樣，不能因麻煩、煩瑣而節(jié)省步驟。逐步培養(yǎng)同學們的工作意識，在后續(xù)的學習及將來工作過程中養(yǎng)成兢兢業(yè)業(yè)、認真細致的良好習慣。同時具有良好的職業(yè)道德，能夠做到遵紀守法，形成精益求精的工匠精神。在學習制圖標準的過程中，讓大家體會到標準的制定是國家科技實力的體現(xiàn)，誰制定了標準，誰就掌握了科技競爭的主動權(quán)，不斷提高學生的愛國主義情懷。通過在“畫法幾何與機械制圖”課程中融入課程思政元素，一方面能夠提高學生的語言組織和表達能力，潛移默化地增強學生的學習熱情；另一方面采用分組討論學習的方式，培養(yǎng)學生的團隊合作精神，不斷加深其對本課程和本專業(yè)的認識與了解，從而明確今后努力的目標。在課程思政實踐過程中，綜合教學方式、教學內(nèi)容、教學改革等方面的特點，通過各類生動的案例將“畫法幾何與機械制圖”中的知識點與思政元素緊密結(jié)合，使學生在學習專業(yè)知識點的同時能夠更加深刻地學習到思政知識，這既能豐富本課程的教學內(nèi)容，吸引大家積極學習課程所蘊含的專業(yè)知識，又能把思政知識自然而然地教授給學生，培養(yǎng)同學們高尚的道德品質(zhì)，達到立德樹人的目的，為社會培養(yǎng)高素質(zhì)的專業(yè)技術(shù)人才。針對“畫法幾何與機械制圖”課程教學中存在的主要問題，本文將課程思政融入教學過程之中，在不斷提高學生學習興趣的同時，使學生感受到自身肩負的責任，具體采取的改革措施如下。

2.1 理論與實踐相結(jié)合，提高學生的主觀能動性

傳統(tǒng)的教學過程中學生一般使用CAD軟件繪制二維平面圖形，對于簡單的實體，這種表達方式能夠滿足同學們對形體結(jié)構(gòu)的理解；當實體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜時，二維圖形的表達方式顯得比較抽象，制約了學生的空間構(gòu)型能力，當老師對立體結(jié)構(gòu)進行講解時，學生很難甚至無法想象出完整的空間幾何體。為了激發(fā)學生的學習熱情，老師可以引入大國重器部分的內(nèi)容，如我國探月探火的飛行器，都是由一張一張二維圖紙經(jīng)過加工制造生產(chǎn)組裝出來的。接下來，老師可以引入三維UG NX軟件，根據(jù)二維圖形創(chuàng)建三維空間實體模型，直觀地展示給學生。通過UG NX軟件創(chuàng)建模型庫，制作方便，建成后內(nèi)容更豐富，當課程教學目標和教學內(nèi)容調(diào)整變化時，只需在軟件中對模型結(jié)構(gòu)進行修改和調(diào)整即可。與常規(guī)的木制模型庫比較，虛擬三維模型庫種類多，不需要購買，也不用實際的物理儲藏空間，管理方便，既提高了教學質(zhì)量，又降低了教學成本。

與此同時，采用UG NX軟件創(chuàng)建的三維實體模型能夠以多種材質(zhì)形式展示，在觀察模型的過程中，通過鼠標就能夠方便地對模型進行轉(zhuǎn)動、平移和縮放，就像觀察實物一樣具有直觀的立體感。對于內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的實體可以應(yīng)用軟件方便地實現(xiàn)全剖、半剖、旋轉(zhuǎn)剖、階梯剖等剖切方式，清晰地展示出形體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使讀圖過程變得十分具體、生動。虛擬模型具有很好的適用性，當培養(yǎng)目標和教學內(nèi)容改變時，在軟件中對模型進行針對性的修改即可，根據(jù)不同的教學內(nèi)容使用不同的虛擬模型，使教學過程目標更加明確，同時還可以配合較難的例題及課后習題去設(shè)計模型。

利用UG NX軟件，可以實現(xiàn)“畫法幾何與機械制圖”課程的實時化、動態(tài)化教學，理論教學與三維建模相結(jié)合的方式，可以有效提高教學質(zhì)量，軟件具有的強大功能也讓同學們耳目一新，使得課堂教學難度降低，學生的學習興趣得到提升，為學生的發(fā)展提供了更多動力。

2.2 翻轉(zhuǎn)課堂，充分調(diào)動學生的學習積極性

傳統(tǒng)的“畫法幾何與機械制圖”課堂教學，教師往往在課上講解大量知識點，同學們跟隨老師的思路進行學習，每位同學學到的知識都是相同的，對于基礎(chǔ)好的同學來說，統(tǒng)一接收到的學習內(nèi)容存在一定的局限性，不能充分調(diào)動大家自主思考、主動解決問題的積極性。通過改進和優(yōu)化“翻轉(zhuǎn)式課堂”的教學方法，老師在課前給學生布置好下一次“畫法幾何與機械制圖”實踐課的學習內(nèi)容，學生課下圍繞該實踐內(nèi)容進行探索式、啟發(fā)式學習，能夠獲取更多的專業(yè)知識。例如，學生可以帶著問題去網(wǎng)上查找資料，或通過圖書館查閱專業(yè)書籍資料，跟同專業(yè)同學進行討論，咨詢相關(guān)老師等方式來完成自己的實踐學習。同學們不但要自己理解掌握相關(guān)知識，還要向老師平時備課看齊，細致認真地準備需要講解的專業(yè)知識，這樣同學們會把在課堂上講清楚知識點的壓力轉(zhuǎn)化為學習的動力，對各個知識點進行深入學習和理解，同時提高自己的語言表達能力和邏輯思維能力。在課堂上，鼓勵學生將自己的實踐學習內(nèi)容進行講解，把自己獲取的知識分享給其他同學，老師作為聽眾在傾聽的過程中可以就一些新穎性、創(chuàng)新性強的知識與同學們進行討論式學習，對學生存在的問題進行解答，師生互動共同學習相關(guān)實踐課的內(nèi)容。采用翻轉(zhuǎn)課堂的教學模式，能使同學們體會到老師平時備課的辛苦和勇于探索、勇于創(chuàng)新的職業(yè)精神，也能夠?qū)W生的學習產(chǎn)生潛移默化的影響，促使他們認真學習專業(yè)知識。采用翻轉(zhuǎn)課堂的教學模式，能夠增強學生獨立思考、探索學習的能力，同時也能夠增強學生學習主體的意識，從被動的“要我學”變成主動的“我要學”。

2.3 增設(shè)實踐教學環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生的工匠精神

實踐教學對于學習“畫法幾何與機械制圖”課程有重要的積極作用，通過參觀模型室、制作模型，加強學生對圖形結(jié)構(gòu)投影的理解。由于學生剛開始對二維圖形到三維實體和三維實體到二維圖形相互轉(zhuǎn)換的理解構(gòu)思能力較弱，需要比較直觀地用模型去展示，可以安排學生去學校的模型室參觀學習，同時創(chuàng)新性地安排同學們自選材料動手制作模型?？紤]到成本和實用性，可以選用比較簡單的材料來制作模型，如采用積木、紙殼、軟泥、塑料等，有條件的情況下可以購買設(shè)備、材料等進行3D打印。實際教學中，可以在同學們學習完點、線、面的投影，開始接觸實體的投影表達時，在“畫法幾何與機械制圖”課上讓學生用積木或軟泥制作一些簡單的實體模型，并嘗試將實體的三面投影按照投影原理繪制出來，從而體會三維實體和二維投影的對應(yīng)關(guān)系，在這個過程中也能讓同學們體會到“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”的道理，在實踐中才能更好地理解投影理論。在學習組合體的投影時，根據(jù)組合體的不同類型，可讓同學們用積木構(gòu)造疊加式組合體，用軟泥構(gòu)造切割式組合體，并繪制出自己制作的模型的三面投影，采用這種邊制作模型邊畫圖的學習方式，可以充分調(diào)動大家的學習積極性，促進同學們主動思考，更加深刻地理解實體造型和投影表達，提高大家的看圖和繪圖能力。在畫投影圖的過程中，叮囑學生遵守《技術(shù)制圖》和《機械制圖》等國家標準的有關(guān)規(guī)定，遵守職業(yè)道德，遵紀守法，畫投影圖時也要精益求精，培養(yǎng)工匠精神。

高校一般都建有工程訓練中心，“畫法幾何與機械制圖”課中可以適當安排學生在工訓中心進行參觀實踐。通過理論和實踐結(jié)合，讓同學們對知識的理解更加深刻。比如教授“畫法幾何與機械制圖”理論知識時，可安排學生去工程訓練中心參觀千斤頂、齒輪油泵等裝配體或者動手實際拆裝一下機械零件，這種參觀或者實操都優(yōu)于純理論知識的講授，從而提高學生的空間想象力，同時讓學生體會到如此復(fù)雜重要的機械產(chǎn)品都是由本課程中所學的圖紙加工制造出來的，提高學生的自豪感和榮譽感。

為了激發(fā)學生對“畫法幾何與機械制圖”課的學習興趣，為社會培養(yǎng)更多優(yōu)秀的機械學科專業(yè)人才，要求學生認真學習UG NX軟件、CAD軟件等制圖工具。一方面，鼓勵學生積極參加西門子GO PLM項目計劃，報名參加UG NX認證考試，獲得相關(guān)證書后可到西門子（中國）有限公司上海分公司實習或者就業(yè)。另一方面，積極鼓勵學生報名參加“高教杯”全國大學生先進成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模創(chuàng)新大賽，通過比賽來提高學生各方面的綜合素質(zhì)，促進機械制圖教學工作。同學們也可以通過不斷練習CAD操作技巧，報名參加CAD相關(guān)的認證考試，不斷提高自己的制圖繪圖水平。通過對制圖軟件的學習，學生也切實獲得了相應(yīng)的技能，能夠提升學生對自己的認同感和對專業(yè)的熱愛程度，激發(fā)學生學好知識本領(lǐng)、為祖國機械工業(yè)發(fā)展貢獻力量的熱情。

3 “畫法幾何與機械制圖”課程教學改革效果

在課程思政背景下，將三維數(shù)字化技術(shù)、翻轉(zhuǎn)課堂、實踐教學等相結(jié)合，不斷激發(fā)學生的使命擔當和學習熱情，引導(dǎo)學生懷著實現(xiàn)中國制造業(yè)強國的遠大理想進行“畫法幾何與機械制圖”課程的學習，從“要我學”變成“我要學”，學習效果能夠得到很大提升。與此同時，在翻轉(zhuǎn)課堂和實踐教學環(huán)節(jié)，同學們也展現(xiàn)出了很好的團隊合作精神、創(chuàng)新意識、大局意識等。下文以兩個典型案例對教學改革成果進行展示。

3.1 采用UG NX軟件建模，補全立體的側(cè)面投影

在使用馬巧英等老師的工程制圖課程資源時[10]，發(fā)現(xiàn)了一道補全立體側(cè)面投影題，如圖1所示，本題的重點和難點是如何正確補齊相貫線。經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)立體是由水平和豎直放置的兩個半圓柱體相貫而成，同時在實體上沿水平和豎直方向還挖切掉了兩個直徑相同的圓柱通孔。如圖2所示，認真看圖后，除了箭頭所指的那條線外，大部分同學能夠?qū)⑵溆嗑€條補齊，在老師將圖2中的答案公布后，很多同學依然很費解，不知道這條線到底來自哪里，也不明白為什么實體中會出現(xiàn)這條線。通過UG NX軟件對該立體進行建模，三維模型圖如圖3所示。通過觀察該立體的UG模型，線條來源十分清晰，學生很快便能理解，很好地提升了授課效果。

圖1 補全立體側(cè)面投影題

圖2 立體的側(cè)面投影

圖3 立體的三維模型圖

3.2 引導(dǎo)學生發(fā)揮主觀能動性，自主選擇實操素材

隨著我國科學技術(shù)的飛速發(fā)展，中國自主研制了C919大飛機、“玉兔號”月球車、“天問一號”火星探測器等大國重器，這些復(fù)雜機械產(chǎn)品的制造過程也都是從一張張機械圖紙的繪制開始的，受此激發(fā)，學生的學習熱情高漲。因此，在教學過程中創(chuàng)新性設(shè)計了創(chuàng)意大圖比賽，讓學生充分發(fā)揮自己的主觀能動性，自選生活中關(guān)注到的機械產(chǎn)品，畫出其三面投影，對其結(jié)構(gòu)進行表達。同學們根據(jù)自己周圍感興趣的實物，選取了諸如小汽車、手榴彈、馬桶、坦克、鏤空多面體等物體進行形體表達，按照投影要求，選取了合適的視圖數(shù)量和表達方法，并邀請其他同學看自己畫出的二維圖形去想象想要表達的三維實體的結(jié)構(gòu)特征，既提高了自己繪制二維圖紙的能力，又提高了同學的三維構(gòu)圖能力，一舉兩得。

4 結(jié)論

“畫法幾何與機械制圖”課程的教學過程中存在的主要問題表現(xiàn)為：理論灌輸現(xiàn)象嚴重、學生學習主觀能動性較差、實踐教學環(huán)節(jié)相對薄弱、教學模式缺少思政元素。針對上述問題，課題組在教學實踐過程中，嘗試將課程思政和三維軟件建模相結(jié)合，融入本課程的教學之中，提高學生在“畫法幾何與機械制圖”課程中的主觀能動性；采用翻轉(zhuǎn)課堂，積極調(diào)動學生的學習主動性；增設(shè)實踐教學環(huán)節(jié)，增強學生的工程意識。從實際的教學改革效果來看，在課程思政背景下，學生的責任意識、擔當意識、工匠精神都得到了進一步的增強，認識到了學好“畫法幾何與機械制圖”這門課程，對我國制造業(yè)強國的實現(xiàn)意義重大；課程采用三維軟件建模，不僅提升了學生對復(fù)雜二維圖形的空間想象能力，還進一步增強了學生學好這門課的信心。