高等工程教育體系中工程圖學課程的改革謅議

徐 健1，張承譜1，丁伯慧1，徐 慧2，楊 林2

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高等工程教育體系中工程圖學課程的改革謅議

徐 健，張承譜，丁伯慧，徐 慧，楊 林

（1. 天津大學機械工程學院，天津 300072；2. 中國礦業大學（北京），北京100083）

論文探討如何建立適應于中國國情的高等工程教育體系中工程圖學課程的改革方向。突出特色以增強圖學教育在高等工程教育中的地位，把思維能力、創造性意識、實踐能力培養作為工程圖學教育改革的首要目標。立體造型與投影、軸系零件測繪、工業機器人傳動機構的三維實體構型等實驗項目在工程圖學課程中的實施，對提高學生的投影繪圖能力，掌握科學思維方法，增強工程和創新意識有重要的作用。

工程圖學；高等工程教育；教學改革；實驗教學

面對國內社會、經濟發展的新局面、國際環境的新變化，繼科教興國戰略和可持續發展戰略之后，國家又提出了人才強國的發展戰略。在高等工程教育中，工程圖學教育面臨著新的發展機遇和挑戰。新形勢下，從全局的觀點和戰略的角度，分析我國圖學教育的現狀，思考和把握圖學教育在高等工程教育人才培養中的作用和任務，探索圖學教育改革和發展的新思路，有著非常重要的意義。本文探討如何建立適應于中國國情的、能夠良好自相適應與匹配的工程教育體系中的工程圖學課程的改革方向。

1 高等工程教育中素質教育的含義

一般來說，高等教育中的素質教育是針對高等學校的教育教學過程中的科學主義與人文主義的割裂而提出來的；而在高等工程教育中，素質教育概念所包含的內容還要廣泛，即它不僅要克服普通高等教育中的科學主義與人文主義的分離，還要克服工程類大學生在技術性素質與非技術性素質發展中的不均衡問題。隨著知識經濟時代的來臨，人們對工程師的非技術素質的要求甚至超過了對技術素質的要求。具體地說，工程師意識就是支持他們在面對實際工程任務時，做“值不值得做”、“可不可以做”、“應不應該做”等回答所需要的知識和能力，在承擔具體的工程任務時，具有良好的責任意識、成本意識和市場意識。

2 我國高等工程素質教育的改革方向

為了培養能夠適應21 世紀工程事業發展需要的新型工程師，我們在未來的高等工程教育中，應注意處理好以下幾種對應關系。

2.1 理論教育與實踐技能培養之間的關系

我國所培養的各類工程師，在技術素質與非技術素質方面兩者之間，前者好于后者；在技術素質中，專業知識的掌握水平又要好于專業技能。但是，強調對實踐技能的培養鍛煉，并不否認理論知識學習的重要性，我們可以從美國工程教育改革的一系列變化中得到一些很好的啟示：美國工程教育在100 多年的發展改革中，先后經歷了技術學院期、工程科學期以及現在呼聲正高的“回歸工程”期，“回歸工程”就是強調工程教育不能忽視工程實踐的特殊作用，即在強調工程科學教育的基礎上，加強對工程專業學生的實踐能力的鍛煉培養，忽視其中任何一個方面的工程教育都很難說是成功的。

2.2 專業教育與“大工程”教育之間的關系

專業教育的含義是指以面向當前專業為主所進行的工程教育；“大工程”教育則主要是指工程教育不僅應當培養適應當前專業需要的工程師，還應當使學生具有適應未來職業變遷所需要的基本知識與能力要求。經濟全球化提出了教育的國際化問題，也提出了工程教育適應經濟全球化的任務，協調的、跨國的工程則正向新世紀走來。工程師已逐漸擺脫了工藝工程師、研究與開發工程師、設計工程師、管理工程師等狹窄的分工范圍，要求在分工的基礎上強調全面素質的綜合，提出了現代工程師的新的要求。

在教學觀念與教學方法方面，美國有較好的傳統，即放手讓學生去實踐，鼓勵創新，充分發揮學生學習的主動性。十分重視“企業與高校”結合來推動工程教育改革，而且有重點、有示范、有計劃在進行。如NSF 的ERC pro2gram 等值得我們借鑒。在這點上，我國的差距尚大，所以雖然普遍的數理基礎強，但創新精神及動手能力、團隊合作與交流能力卻普遍較弱。

3 高等工程教育體系中工程圖學教育改革的若干思考

3.1 圖學教育的發展基礎與機遇并存

一方面，經過我國圖學教育工作者幾十年的辛勤工作和無私奉獻，圖學教育為我國經濟建設做出了重要貢獻，同時也使自身得到發展；另一方面，工程建設信息化，產品設計數字化等先進生產方式來勢迅猛，圖學學科領域不斷擴大，研究不斷深入，經濟發展和學科研究又迅速作用于圖學教育教學的改革，在教育思想、課程體系、內容體系、教學方法、教學手段、考核辦法等方面呈現出全方位、立體化的教改熱潮，獲得了一批成果。一個“大圖學”的學科構架正初見端倪。廣大圖學工作者，應該不失時機地總結和鞏固現有的教改成果，增強學科研究和教育的實力，探索圖學教育發展的新思路，為高等教育人才培養做出新的貢獻。

3.2 突出特色增強工程圖學教育在高等工程教育中的地位

工程圖學屬于技術科學，其目的是要滿足高級工程科技人才對圖學素質的需求，與高等工程教育目的相協調，培養的目標主要包括知識和能力（含技能）兩方面。

（1）心智技能和能力 主要指邏輯空間和形象空間的幾何分析和綜合能力，通過這種能力的遷移，有效地提高學生的研究和創造能力。形象思維能力的培養是圖學教育的重心之一，也是圖學區別于其他學科教育的一個顯著特點。

（2）信息技能和能力 主要指生產對象形態信息的構成、記憶、表達和交流能力，重點在表達，包括二維和三維的表達能力，以及自我學習的能力。

（3）社會技能與能力 包括嚴謹工作的能力，技術協調能力，遵守標準規范的能力，技術實踐的能力等。

工程圖學課程是理工科學生在校4 年中唯一一門把形象思維作為專項訓練和教學目標之一的課程，而形象思維能力對于設計與制造類專業學生工程素質能力的培養是不可或缺的，它們對學生的作用和影響遠遠超出課程所涉及的理論和方法本身。其鮮明地反映了圖學教育的特點，從而確立了圖學教育在高等工程教育中的地位。

由此可見，就大學本科生而言，則應該比較系統地掌握工程圖學的基礎理論和基本的、相關的工程技術專業知識。其中基礎知識可以提煉得更精一點，要求更嚴一些，橫向的知識面可以更寬一些，深度淺一些，形成縱橫交織，有機結合的寬厚的知識結構。

3.3 把能力培養作為工程圖學教育改革的首要目標

（1）注意思維能力的培養 思維能力是可以訓練的，但必須是在一種知識性內容和思維方法內容共存的體系內，通過兩種內容的整合與互補，才能達到最佳的訓練效果。工程圖學課程恰是把圖學知識和思維（特別是形象思維）訓練有機結合的一門課程。因而，圖學教育在教給學生表達設計對象方法的同時，應充分發揮課程特色，強化課程思維訓練載體的作用，更有效地擔負起創新人才培養的責任。

（2）注意創造性意識的培養 要培養學生的工程素質，教師不但要轉變傳統的教學觀念，更要掌握提高工程能力的培養方法。圖學教育中應努力探索人才培養的新模式，比如以學生為中心的發現型學習，基于自學的創造型學習，以問題為核心的研究型學習，面向多門類資源的開放型學習等等。轉變學生在傳統教學中的被動地位，使學生真正成為教學中的主體和中心，融入主動學習的良性環境。

（3）注意實踐能力的培養 長期以來影響我國高等工程教育質量的主要問題就是學生的工程實踐不夠、綜合能力較差。因為教學實踐性環節往往從課程知識掌握的訓練考慮而設置的，未能結合工程實際進行綜合訓練。傳統的教學實驗局限于實驗操作技術的掌握，缺乏對學生實驗思路、實驗設計、實驗技術、觀察能力、分析與表達力和創新能力的綜合訓練與培養。在這種教學條件下，所培養的學生普遍表現為：觀察力差、動手能力差。由于實際動手少，自然發現新問題就少，也就難以調動他們的創造力。所以，課程教學實驗改革與建設的思路就是要逐漸減少演示性和統一性的實驗，研制和開發學生能親自動手組裝、調試、測試及數據處理的綜合性、設計性、研究性和創新性的實驗，建立由必修實驗、選修實驗和開放實驗三個層次組成的機械基礎實驗教學新體系，并逐步走向獨立設課。

4 改革與實踐

根據教育部高等教育司下發教高〔2007〕10號文件“教育部關于開展高等學校實驗教學示范中心建設和評審工作的補充通知”精神，工程圖學課程獲得了天津大學“國家級實驗教學示范中心”資助經費重點支持，進行實驗教學改革和創新，研究開發創新性實驗教學項目，探索建立適應學生工程素質培養的實驗教學機制，并在2009級本科生中試點實施。

4.1 立體造型與投影

觀察是科學發現的起點，在觀察基礎上進行造型、投影表達，以獲取空間立體與平面投影間的關系。通過體察、發掘和思維互動，培養學生的認知、思辨素養，使他們成為實踐教學過程中的主體，而不是對象。在工程圖學課程中開設“立體造型與投影”實踐環節對培養學生的構型能力、投影繪圖能力，掌握科學思維方法，增強工程和創新意識有重要作用，為學生學習本課程后續內容，以及后續課程提供必備的基礎知識與基本技能。

本項目的預期建設成效是：教師設計、制造符合教學基本要求、適合教學基本條件、能夠滿足學生使用需求的“組合體拼裝模型”，如圖1所示。將基本立體、截切立體、相貫立體、組合體和圖樣畫法等內容貫穿于相關實踐教學中，重點突出課程體系的有機銜接。學生可通過自行選定一個、或按一定要求拼裝多個模塊成為一個有效的模型，進行徒手投影表達、計算機繪制（造型或投影圖）。旨在進一步增強學生的構型、徒手投影繪圖、計算機繪圖能力，有助于理解、掌握課堂教學中講授的基本概念和基本理論。使學生在實踐過程中，有所發現、有所創造。引導學生有科學創新的理想，技術創新的追求。

圖1 組合體拼裝部分模型

4.2 軸系零件測繪

有計劃地開發培養學生創新能力的設計型實驗，完善那些有助于理解和掌握基本概念、基本理論的傳統實驗，可以進一步增強學生的工程實踐能力。增加學生的勇氣和膽識，鼓勵他們不要怕犯錯誤，因為很多發現、發明都是在錯誤和問題的堆積中脫穎而出的。學生在實驗過程中，有所發現、有所創造，有科學創新的理想和技術創新的追求。

本項目的預期建設成效是：設計、制造軸系零件上典型結構的多種軸段，供學生自主拼接成滿足一定要求、有實際意義的軸類零件，進行測繪，如圖2所示。在傳統零件測繪實驗的基礎上，將軸類零件特征的認知過程和表達方法引入實驗教學，使學生既了解基本的測繪步驟和測量技術，又能夠自主創新、提高辨識能力、開闊眼界，避免全班統一的軸型。

圖2 軸系結構拼裝部分模型

4.3 工業機器人傳動機構的三維實體構型

目前，三維實體構型技術在產品的設計與開發過程中起著十分重要的作用，它是企業CAD/CAM/CAPP一體化技術的重要組成部分。自機械制圖課程引入三維實體繪圖軟件之后，學生們對這部分的學習興趣十分濃厚，為使繪圖軟件的學習與生產實際更加密切的聯系起來，提出“工業機器人傳動機構的三維實體構型”，旨在通過將已有工業機器人機構構件組建成不同的傳動機構，并對其進行三維實體構型，鍛煉學生自主創新能力以及熟練使用三維實體繪圖軟件的能力；在查閱資料的基礎上，使學生對工業機器人的各種運動副和傳動機構有個初步了解，為機械原理與機械設計等后續課程的學習奠定基礎；了解工業機器人的種類、形狀和功能，為產品設計與開發，開闊思路和眼界。

本項目預期建設成效是：在實驗方案設計上，體現知識性和趣味性，并結合實際應用，使學生在強烈興趣的驅使下完成整個實驗過程；培養對空間形體的形象思維能力、培養創造性構型設計能力、養用二維平面圖形表達三維空間形狀的能力；培養徒手繪圖和計算機造型、繪圖的能力，培養工程意識和標準化的意識；初步了解工業機器人的各種運動副和傳動機構，為學生后續課程的學習中奠定基礎。

5 后 記

科學發展觀是21世紀中國高等工程教育改革和發展必須牢固樹立的指導思想。高等工程教育有著自身的規律和特點，同樣的學科，面對各自的服務對象，就要形成不同的特色方向，培養的人才和產出的成果都應直接服務于社會生產力的進步。黨的十七大報告把優先發展教育放在社會建設首位。胡錦濤總書記在今年優秀教師座談會上，對教育的投入和保障提出了“三個優先”，為高等工程教育的發展提供了政治和經濟上的保障。我們要抓住機遇，積極探索工程圖學的改革與發展，用自己的實踐和努力，為高等工程教育的科學發展盡心盡責，為加快走中國特色新型工業化道路的步伐和建設創新型國家做出應有的貢獻。

[1] 劉少雪. 21世紀工程素質教育芻議[J]. 上海交通大學學報(社科版), 2000, 8(3): 111-114.

[2] 余壽文. 21世紀初我國高等工程教育面臨的幾個問題[J]. 中國大學教學, 2002, (2): 9-11.

[3] 葛文杰. 機械基礎系列課程教學改革研究與實踐[J].西北工業大學學報(社會科學版), 2003, 23(3): 83-85.

[4] 王多. 組合式制圖教學模型: 中國, ZL200410020335.6[P]. 2005-03-23.

[5] 楊 波. 科學發展高等工程教育的理性思考[J]. 山西高等學校社會科學學報, 2008, 20(9): 1-4.

A Dicussion of Engineering Graphics Curriculum Reform in Higher Engineering Education System

XU Jian, ZHANG Cheng-pu, DING Bai-hui, XU Hui, YANG Lin

( 1. Mechanical Engineering College, Tianjin University, Tianjin 300072, China;2. Beijing School of China University of Mineral and Technology, Beijing 100083, China )

How to set up the reform direction of the engineering graphics courses in the higher engineering education system fitting China's national situation is discussed, to give prominence to features so as to enhance graphics education status in higher engineering education, to include cultivation of the abilities of ideation, creativity, and practice as a primary goal of engineering graphics education reform. The implementation of a series of pilot projects in engineering graphics courses, such as solid modeling and projection, shaft parts mapping and the three-dimensional entity modeling of industrial robot drive, plays an import role for students to improve projection drawing ability, master scientific way of thinking, enhance awareness of engineering and innovation.

engineering graphics; higher engineering education; educational reform; experimental teaching

TB 23

A

1003-0158(2011)03-0086-05

2009-11-27

徐 健（1963-），女，北京人，副教授，碩士，主要研究方向為計算機輔助設計。