基于現(xiàn)代設計方法的工程圖學系列課程改革研究

徐紹軍+楊放瓊+云忠

摘要：為適應時代發(fā)展的要求，建立基于現(xiàn)代設計方法的《工程圖學》教學模式，通過更新教學觀念，重組教學內(nèi)容，創(chuàng)新教學方法等措施，培養(yǎng)學生的綜合素質(zhì)和能力。實踐證明，新的教學模式使學生在掌握基本知識、學習基本技能的同時，空間想象能力、利用三維設計技術進行設計和表達的能力、創(chuàng)新能力等大大增強。

關鍵詞：現(xiàn)代設計方法；工程圖學；課程改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）14-0117-03

計算機三維設計、虛擬現(xiàn)實和計算機網(wǎng)絡集成技術的發(fā)展，大大改變了傳統(tǒng)的設計和繪圖概念的觀念。原有的二維設計方式已不再是設計的主要方式，更加直觀快捷的三維CAD設計方法，可以大幅度提高設計效率和產(chǎn)品質(zhì)量，因而得到了廣泛應用。《工程圖學》課程作為一門與生產(chǎn)實際密切聯(lián)系的技術基礎課，其發(fā)展也步入了一個新時代。所以，只有準確定位《工程圖學》課程的性質(zhì)、目標及要求，不斷更新教學觀念，引入新內(nèi)容，創(chuàng)建新方法，才能逐步適應社會的發(fā)展和時代的進步。因而，在教學實踐中將現(xiàn)代的設計方法和理念與計算機繪圖工具結合起來，創(chuàng)建了一種以創(chuàng)新教育為目標、以工程設計為主線、以教學資源為支撐、以信息技術與課程教學全方位整合為載體的《工程圖學》創(chuàng)新教學模式。

一、明確教學目標，更新教學觀念

經(jīng)過多年的教學改革，目前我國有許多高校開展了三維CAD教學，引入三維CAD的方式主要有融合式和分段式兩種。前者將三維建模的原理、方法和技能融合、滲透到《工程圖學》課程中，后者則是設置另外的必修課或選修課，與《工程圖學》一起構成新課程體系。無論采用哪種方式，都是把引入三維的目的放在了輔助繪圖手段上，教師在教學過程中也只是介紹一種軟件而已，學生們則是花費大量的時間學習軟件的基本操作，其結果往往是缺乏創(chuàng)造性設計思想和綜合運用能力。

《工程圖學》教育是以幾何學理論為基礎，為工程設計實踐服務的。《工程圖學》課程的教學目的主要是培養(yǎng)工科大學生的形象思維和設計表達能力。因此，在教學中應引入現(xiàn)代設計方法，以工程設計為主線，講授有關的工業(yè)設計基礎知識、投影知識、三維造型理論和圖形表達的有關規(guī)定及技能等內(nèi)容。不僅要有傳統(tǒng)知識的傳承，更重要的要培養(yǎng)學生利用現(xiàn)代設計技術進行設計表達的能力和創(chuàng)新能力。

二、重組教學內(nèi)容，緊跟學科前沿

我校采用分段式引入三維CAD，《工程圖學》課程仍然是傳統(tǒng)的教學內(nèi)容，是在基于二維投影及表達的層次上進行的，無論是手工繪圖還是計算機繪圖都是以投影方式繪出的二維圖形。從以往的教學經(jīng)驗可以看出，學生從二維到三維的思維過程非常困難，即使花大量的時間和精力都難以掌握，因此，大部分同學將制圖課程視為頭痛課。此外，在教學過程中所使用的實例大都是純粹的模型，不是實際的設計實例，學生對那些沒有“生命”的模型和圖樣提不起學習興趣。因而，教師很難調(diào)動他們的學習積極性，更談不上培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力。

由此可見，只有從現(xiàn)代設計方法入手，以設計為主線，通過設計實例教學，逐漸引入計算機三維造型的內(nèi)容，才能讓學生明確本課程的學習目的，激發(fā)其學習興趣，發(fā)揮其主觀能動性。并且，形成《工程圖學》系列課程教學模式，改革后的《工程圖學》系列課程教學內(nèi)容見圖1。

改革后，《工程圖學》課程從現(xiàn)代設計方法簡介入門，通過設計實例的引入，使學生對設計的過程、對本課程的目的和要求有了初步的認識。再根據(jù)教學內(nèi)容逐步引入三維造型方法，然后演示由三維轉化為二維圖形的過程。先構建三維模型，再由計算機直接生成二維圖，直觀易懂，符合人的認識規(guī)律；再加上學生可以將自己的設計在計算機中進行三維構造、三維修改，最后構造出形象生動三維模型，從而可創(chuàng)造一種新穎愉快的學習氛圍，激發(fā)其學習興趣，引導學生進行創(chuàng)意構型設計，充分發(fā)揮學生的潛能，培養(yǎng)他們的創(chuàng)造力。

《機械產(chǎn)品測繪與設計課程》是通過測繪實例讓學生了解和掌握測繪設計過程和現(xiàn)代設計方法：根據(jù)現(xiàn)有零件繪制零件草圖→對零件進行三維造型→虛擬裝配→生成工程圖，從而引入復雜零件的三維造型及零件的三維裝配及工程圖的生成等內(nèi)容。

《計算機幾何造型及三維可視化設計》是一門綜合性的實踐訓練課程，旨在培養(yǎng)學生的繪圖能力、綜合運用能力、創(chuàng)新設計能力和團隊協(xié)作精神。這門課分為兩個部分，第一部分是對現(xiàn)有零部件進行改進設計，通過對現(xiàn)有零部件的功能和結構進行分析，發(fā)現(xiàn)不合理的地方并對其進行改進。要求繪制零件草圖→對零件進行三維造型→虛擬裝配→生成工程圖。主要是培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力、圖樣表達能力、徒手繪圖能力、對前面所學知識的綜合運用能力以及計算機三維造型能力。第二部分是創(chuàng)新設計，老師指定課題方向，學生分組并根據(jù)課題方向進行市場調(diào)查→確定設計方案→繪制草圖→三維設計→虛擬裝配→運動仿真→生成工程圖→寫出設計報告→答辯。在這一部分引入三維設計軟件的動畫、仿真等功能，讓學生進一步了解如何利用現(xiàn)代設計方法，借助計算機技術來修改和完善設計方案。

改革后，現(xiàn)代的設計方法、設計理念一直貫穿于整個教學中，以達到培養(yǎng)學生綜合素質(zhì)和能力的目的。此外，隨著“工程圖學”系列課程的改革，后續(xù)的機械設計課程設計以及畢業(yè)設計也將做相應的改革。因此，“工程圖學”系列課程的改革引領了后續(xù)課程的改革，同時也為后續(xù)課程的改革打下了堅實的基礎。

三、優(yōu)化教學過程，創(chuàng)新教學方法

以往的教學是以講授為主，學生是知識的載體，這種模式顯然不利于人才綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。要真正建立起科學、先進的創(chuàng)新教學模式，只有通過優(yōu)化教學設計，針對不同的教學內(nèi)容，采取各種有效的教學方法。在教學中，堅持以啟迪創(chuàng)新思維、培養(yǎng)和發(fā)展智能、提高學生綜合素質(zhì)為核心，采用講課、討論、練習、測繪、上機實驗及創(chuàng)新設計、答辯等多種形式，以提高學生靈活運用所學知識，分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)學生的綜合素質(zhì)、創(chuàng)新設計能力及團隊協(xié)助精神。具體實施了教師精講與學生自學相結合，常規(guī)練習與自主創(chuàng)新相結合，課堂討論與學生講解相結合，團隊協(xié)作與個性培養(yǎng)相結合的教學方式方法。

（一）教師精講與學生自學相結合

一貫以來都是教師講、學生聽，對于有些標準、規(guī)定等內(nèi)容學生覺得聽之無趣，學習積極性不高，對于程度好、思維活躍的學生尤為如此。所以要全方位調(diào)動學生的學習積極性，教師必須精心設計教學內(nèi)容，重點、難點的內(nèi)容由教師講解，有些內(nèi)容由學生課外自學，如“標準件與常用件”一章以及看零件圖部分就安排學生自學。教師給出教案、課件和自學提綱，指定應完成相關的作業(yè)并隨機抽取某些學生講解本章節(jié)的某些知識點。學生要完成指定的作業(yè)并作好上臺講解的準備，必須認真學習研讀教材、教案和課件，甚至還要查閱相關資料。這樣可以讓學生變被動學習為主動學習，培養(yǎng)其自主學習的能力和獲取知識的能力。

（二）常規(guī)練習與自主創(chuàng)新相結合

工程制圖課程主要是以形象思維為主，對于大一學生來說大部分同學在這方面是比較薄弱的，為了培養(yǎng)他們的形象思維能力和空間想象能力，必須進行大量的從三維到二維，再由二維到三維的基礎訓練。在具備了一定的基礎知識后就要培養(yǎng)學生的發(fā)散思維和創(chuàng)新能力，因此，通過三維設計軟件的引入，要求學生進行組合體的構型設計，并生成二維工程圖。學生能充分發(fā)揮他們的空間想象能力，構思出結構新穎、形態(tài)各異的組合體。在零件圖的學習階段，要求學生設計比較復雜的零件，先進行三維設計，再生成零件工作圖，要求標注尺寸和技術要求。這比完成統(tǒng)一規(guī)定的練習，更能調(diào)動他們的學習積極性，且能充分發(fā)揮他們的主觀能動性，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新設計能力，也不會存在抄襲作業(yè)的可能性。由于三維設計軟件直觀的性以及三維轉換為二維的便捷性，使得工程制圖課程的學習不再成為學生的頭痛課。

（三）課堂討論與學生講解相結合

為了讓學生最大限度地參與到教學活動中來，使他們從知識的接受者變成知識的探索者，變被動學習為主動學習，對有些內(nèi)容采用學生講解與課堂討論相結合的方式。如對學生自主設計的零件，老師挑選出幾個典型的零件，先由學生分組討論，分析零件結構設計是否合理，表達方案是否最優(yōu)，尺寸標注及技術要求是否齊全、合理等，然后挑選學生進行講解，并讓其他同學進行補充，老師最后總結。這種學生與學生之間、學生與教師之間對教學內(nèi)容理解上的交流，符合學生思維的獨立性和批評性的要求。通過充分地交流討論，既可以使學生更清晰地理解、掌握學習內(nèi)容，又可以培養(yǎng)他們的語言表達能力，同時，還可以讓教師及時掌握學生的學習狀況，為他們提供有效的指導。

（四）團隊協(xié)作與個性培養(yǎng)相結合

個人的能力固然重要，但離開集體的智慧，他的價值也難以得到體現(xiàn)，團隊協(xié)作能激發(fā)出團隊成員不可估量的潛力。因此，團隊協(xié)作精神的培養(yǎng)顯得尤為重要，《三維可視化設計》課程旨在培養(yǎng)學生的綜合素質(zhì)、創(chuàng)新設計能力和團隊協(xié)作精神。小組成員根據(jù)教師指定的課題，每個人充分發(fā)揮想象力和主動性，廣泛地搜尋新穎、富有創(chuàng)意的想法，然后通過交流互相啟發(fā)、互相激勵，產(chǎn)生思想火花的撞擊、共鳴，并及時抓住那些看似荒唐但卻極具創(chuàng)造性的思想加以完善或改進，最終得到有價值的設想，然后通過分工協(xié)作完成設計作品。這個過程教師只給學生提供指導性的意見和建議，并對最終的設計方案進行把關，學生是主體，每個同學在團隊這個大家庭里可以充分施展個人的才華，凸顯個人的智慧，并在小組進行交流溝通時吸取他人的長處，使自己的能力發(fā)揮到極致。

四、改革試點

對機械專業(yè)2014級兩個班和2015級兩個班進行了教改試點，通過問卷調(diào)查顯示：學生對在工程設計這一主線下，逐步引入三維造型方法表現(xiàn)出了極大的興趣，普遍反映這種模式能將自己的構思直觀地表達出來，且能方便快捷地轉化成二維圖形，能快速地建立起二維與三維之間的對應關系，空間想象能力能得到大大地提高，從而使得工程制圖的學習不再變得困難。同時對現(xiàn)代設計方法有了初步的了解，增強了對后續(xù)課程的學習興趣。從期末考試情況來看，在學時不變的情況下，學生平均成績高于同類班級的平均成績。

五、結論

基于現(xiàn)代設計方法的“工程圖學”系列課程改革，以現(xiàn)代設計方法為依托，以設計為主線，將現(xiàn)代設計手段逐步引入到教學的各個環(huán)節(jié)，達到培養(yǎng)學生基本技能、綜合素質(zhì)、創(chuàng)新能力的目的，并使其初步掌握現(xiàn)代先進的設計理念和方法。徹底改變了傳統(tǒng)的從二維圖樣入手，主要介紹二維工程圖樣的繪制和閱讀方法，而單獨開設三維教學軟件的模式。以靈活多樣的教學方式最大限度的讓學生參與到教學活動中來，充分發(fā)揮他們的主觀能動性。打破了傳統(tǒng)的老師授課，學生聽課的教學模式。通過幾年來的教學改革實踐可以看出，學生在掌握基本知識、學習基本技能的同時，空間想象能力、利用三維設計技術進行設計和表達的能力、創(chuàng)新能力等大大增強。

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Abstract：In order to adapt to the requirement of times development，based on the modern design method of engineering graphics teaching mode，by updating the teaching idea，the reorganization of teaching content，innovation of teaching methods，cultivate students' comprehensive quality and ability. Practice has proved that the new teaching mode so that the students in mastering the basic knowledge，learning the basic skills at the same time，spatial ability，using 3 d design technology design and expression ability，innovation ability greatly enhanced.

Key words：modern design method of engineering graphics；the curriculum reform