基于系統工程視角的工程制圖教學改革與實踐

陳 亮，武玲玲，張瑞秋，熊 巍，秦志南

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基于系統工程視角的工程制圖教學改革與實踐

陳 亮，武玲玲，張瑞秋，熊 巍，秦志南

(華南理工大學設計學院，廣東 廣州 510006)

將系統工程中的霍爾三維理論與工程制圖課程教學體系相結合，系統性、綜合性地從時間維、知識維和邏輯維分析了課程學時、教學內容和教學手段之間的聯系和相互影響。進一步以新工科建設理念為最新要求，從移動學習、討論課教學、創新案例教學、沉浸式學習等方面提出了工程制圖課程改革的幾個方案和措施，并進行了教學實踐，取得了較好的效果。

工程制圖；系統工程；創新教育

工程制圖課程是我國工科大學生必修的一門技術基礎課，其主要教學目標包括：培養學生的空間形象思維能力、工程基本素質和創造性構型設計能力。工程制圖課程體系經過幾十年的發展已經取得了長足的進步。然而隨著信息時代的快速到來，智能制造、虛擬制造、交互設計等新興工程技術手段大量涌現，尤其是以“中國制造2025”和“互聯網+”等重大戰略為依托的2017年“新工科”建設理念的提出，確定了以培養科學基礎厚、工程能力強、綜合素質高的工程科技人才作為未來人才培養的重要方向，對傳統的工程制圖課程教學體系提出了新的要求[1]。結合當前工程制圖課程教學現狀可以發現，一方面，創新能力、三維構型設計能力、多學科知識交叉綜合應用能力等必將與工程制圖教學更多地融合；另一方面，由于各專業教學計劃和教學內容的調整，工程制圖授課學時逐年縮減，造成了教師不得不在更少的學時下卻要完成比以往更多教學內容的情況。與此同時，諸如MOOC、SPOC、移動學習(M-learning)、虛擬現實、增強現實等新型教學手段的不斷出現，也使教學體系和教學方法必須做出相應的改變。如何從課程學時、教學內容和教學手段等進行改革，已經成為當前工程制圖課程教學中亟待解決的問題。

本文借鑒系統工程霍爾三維結構的理論，從系統工程的角度解讀了工程制圖課程教學體系，分析了未來發展趨勢，進一步根據時間維、知識維和邏輯維的相互關系，提出課程改革的幾個關鍵問題和應對方案，并進行了實踐探索，為未來基于新工科建設理念的深層次課程改革提供了經驗。

1 基于系統工程理論的工程制圖課程結構

1.1 霍爾三維結構概述

霍爾三維結構是美國工程師霍爾在1969年提出的系統工程方法論，其給出了大型復雜系統組織、計劃、設計和實施的基本原則，具有普遍的指導意義[2]，霍爾三維結構原型如圖1所示。該結構是由時間維、知識維和邏輯維組成的立體空間結構。時間維表示系統工程活動從開始到結束按時間順序排列的全過程，知識維表示需要運用到的各種知識和技能；邏輯維表示每一個階段內所要進行的工作內容和應該遵循的思維程序。霍爾三維結構體系形象地描述了系統工程研究的框架，對其中任一階段和每一個步驟，又可進一步展開形成分層次的樹狀體系。以霍爾三維結構作為基礎的系統研究已經普遍應用到了項目管理、質量監測等眾多領域。

工程制圖課程的教學活動本身就是一個復雜的系統工程，不僅具有隨時間推進的各類知識、技能的要求，也有教學手段和教學方法的實施，是多種內容的綜合，這些與系統工程的要求是一致的。霍爾三維結構集中體現了系統工程方法的系統化、綜合化、最優化、程序化和標準化等特點，因此從系統工程的視角將工程制圖課程教學體系與霍爾三維結構體系相結合是必要的，也是可行的。

圖1 霍爾三維結構原型圖

1.2 工程制圖課程霍爾三維結構的建立

雖然工程制圖課程的教學活動具有系統工程的一般特點，但也有自身鮮明的教學特征，例如在不同階段需要傳授不同知識，各階段的知識逐漸深入，在后續階段需要運用多種知識綜合解決問題。另外，隨著新的教學內容和新興技術手段的引入，教學活動各部分的內容也在不斷變化。本文借鑒霍爾三維結構的思想和原型，結合工程制圖教學要求和課程具體特點，提出了工程制圖課程霍爾三維結構，如圖2所示。

圖2 工程制圖課程霍爾三維結構圖

在圖2中，時間維按學時漸進。本文以華南理工大學機械類制圖課程“畫法幾何及機械制圖”為例，共112學時，分成48學時和64學時兩個學期完成，此處將每10個學時劃為一個區間。

知識維主要按照工程制圖課程需要掌握的各類知識漸進排列，其中計算機繪圖、創新設計與產品表達是近年來新工科建設理念中數字制造和智能制造要求下的必備技能。

邏輯維指的是為了使學生掌握課程要求的各項知識所采用的教學方法和教學手段。對于教師的教學活動來說，每一個方法和手段中都包含了確定目標、提出問題、綜合分析、決策實施、反饋優化、評價評議等環節。

從圖2可以看出，隨著時間維的延伸，知識維方面的要求越來越高，尤其在學生的創新能力培養和以產品表達為代表的知識綜合運用能力培養方面，已經在教學中占據了相當可觀的學時，對于提升學生的創新思維能力起到至關重要的作用。

另一方面，邏輯維所給出的教學方法和教學手段大都也隨著學時的漸進而逐漸豐富，板書式和多媒體式的課堂講授等被動學習模式已經不能滿足新工科教學理念中有關多元化、創新型人才培養的要求，因此翻轉課堂、討論學習、協作學習、沉浸式學習等新型主動學習模式便成為有益的補充，甚至有可能成為未來學習的主要模式。主動學習模式大都要在學生掌握了一定的空間思維能力和圖形表達能力之后開展，與教學活動后期知識維所要求的創新設計能力和知識綜合應用能力訓練相對應。同時，邏輯維也有一些教學手段得益于智能化教學資源和教學設備的發展，能夠貫穿教學活動始終(如慕課、移動學習等)，往往不受時間、地點、教師等條件的限制，學生可以隨時聽講、答疑、提交作業等。這種學習模式既是主動學習，也是智能學習，主動學習需要智能化的軟硬件支持，而智能學習又需要主動學習的理論加以指導。

綜上所示，時間維、知識維、邏輯維3個維度相輔相成，相互制約，共同構成了工程制圖課程的三維結構。高層次知識維的教學活動需要高層次邏輯維的教學方法的支持，后期不斷延伸的時間維的課程學時需要高層次知識維教學活動和高層次邏輯維教學方法的共同輔助。因此有關工程制圖教學改革的關鍵點都位于3個維度的較高層次位置。該三維結構是系統工程霍爾理論在工程制圖課程中的具體運用和進一步發展，從系統工程的視角揭示了工程制圖課程的教學內容、教學要求和教學規律。從該三維結構中可以清楚地看出，如何在有限的教學學時內，采用合適的教學方法和教學手段，對學生的創新設計能力和知識綜合運用能力進行培養，以適應未來新工科多元化、創新型人才培養的要求，已經成為當前工程制圖課程改革的主要方向。

2 工程制圖課程改革與實踐

2.1 移動學習

移動學習是近年來在國內外興起的新型學習模式，是一種在先進智能移動終端的幫助下，能夠在任何時間、任何地點、以多種形式進行知識獲取的學習模式。工程制圖課程具有圖形表達豐富的特點，非常適合采用觸摸屏操作的移動方式進行學習。本文對移動學習進行了一定擴展，提出將知識內容與游戲相結合的工程制圖移動學習游戲，不僅發揮了移動學習的特點，還增加了學習過程的趣味性[3]。

在教學實踐中，移動學習游戲按照以下原則進行設計：

(1) 隨時隨地學習，充分利用碎片時間；

(2) 寓教于樂，具有愉快的學習體驗；

(3) 任務短小，操作簡單，減少學習者的認知負擔；

(4) 實時反饋，雙向交流。

根據以上原則開發完成的游戲界面如圖3所示，其是一款基于工程制圖課程投影知識的移動學習游戲，訓練內容為基本體和組合體的三視圖，學習過程以一個主題游戲的形式分多個關卡展開。學生通過觸摸屏幕中的三維立體來進行旋轉、移動、縮放等操作，在規定的時間內將前方的三維立體的顯示角度調整到與給定的二維投影相匹配即可完成任務，進入下一關卡。移動游戲學習任務以課后作業的形式布置給學生，充分利用課余碎片時間，成績管理程序化、自動化，學生在愉快的學習體驗過程中實現對三維立體及其投影的認知。

2.2 討論課教學

討論課教學是一種基于問題導向和同伴互學理念的教學模式，是近年來華南理工大學本科課程改革的重點方向之一。與一般討論課教學不同，本文針對機械制圖作業量大、學生易錯知識點過于重復的問題，設計并實踐了機械圖樣互評互改討論課的形式。以齒輪減速箱大作業為例，討論課具體實施過程如下：

圖3 工程制圖移動學習游戲

(1) 每名學生首先完成各自的齒輪減速箱圖樣；

(2) 將全體同學完成后的圖樣進行張貼，每名學生以評閱人的身份對所有圖樣進行巡視評閱，用標簽紙標出圖中錯誤并寫上自己的姓名；

(3) 學生將自己繪制的圖紙找回，根據標簽紙上標記的錯誤進行修改，若對錯誤有疑問，找對應姓名的同學討論；

(4) 教師與學生共同總結各類錯誤，并進行解答；

(5) 學生完成錯誤修改，上交作業，教師作最終批改。

圖4為討論課實踐中學生的審閱過程和作業情況。

圖4 齒輪減速箱作業互評互改討論課

通過作業互評互改形式的討論課，學生扮演了繪圖人和評閱人的雙重角色，尤其在擔任評閱人的環節中，在評閱其他同學圖樣的同時發現和糾正自身的錯誤，從而能夠深刻理解和記住錯誤產生的原因。與傳統的完全由教師批改減速箱大作業的方式相比，既減輕了教師的工作強度，又提高了效率。討論課是一種“動筆”、“動口”、“動腦”、“動心”相結合的綜合學習模式，在訓練學生的領導能力、團隊精神、工作責任方面有明顯的效果。

2.3 創新案例教學

創新案例教學是項目式學習或探究式學習的一種，能夠很好地培養學生的創新思維能力、知識綜合應用能力和產品設計能力[4]，是新工科建設理念下重要的教學手段。但創新案例教學往往需要較多的教學學時和一定的場地、設備支持，這成為制約工程制圖課程引入創新案例教學的一個瓶頸。經過教學實踐和硬件調研，將AutoCAD平面繪圖教學和激光切割機板材加工技術相結合，實踐了一種板材類拼裝產品的創新案例教學[5]。具體實施過程如下：

(1) 進行傳統的AutoCAD平面繪圖教學；

(2) 將學生按3~4人分組，自主提出拼裝產品設計方案，可以是玩具、家具模型、建筑模型等；

(3) 小組成員完成方案論證后，分工合作進行AutoCAD平面繪圖；

(4) 利用激光切割實驗室開放時間，完成產品零件板材的切割，并進行產品組裝；

(5) 作品展示，評議，答辯，完成實驗報告。

部分學生作品如圖5所示。

圖5 板材類拼裝產品的創新案例教學

板材類拼裝產品創新設計案例教學能夠與AutoCAD教學內容完美結合，不僅增加了學生的學習興趣，鍛煉了動手能力，更激發了其創造欲。實施過程中并未增加額外學時和過多軟硬件花費，激光切割過程利用習題課時間并結合實驗室自主開放時間，所采用的激光切割機目前大多數高校都有配置，價格在幾千至幾萬元不等。在創新設計案例教學過程中所體現的創新意識、師生互動、實踐技能、團隊協作等都是新工科建設理念下著重強調的教學內容。

2.4 沉浸式學習

沉浸式學習是隨著近年來計算機圖形圖像技術發展起來的一種具有高度真實體驗感的學習方法[6]，從其所采用的技術角度可以分為虛擬現實技術和增強現實技術。虛擬現實技術通過立體頭盔和立體眼鏡等設備將使用者帶入一個完全三維的虛擬空間，并能夠通過聽覺、觸覺、力覺、運動等方式對這個虛擬環境進行感知，與其進行交互。增強現實技術是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術，是把原本在現實世界的一定時間、空間范圍內難以體驗到的實體信息，通過模擬仿真技術將其與真實環境相疊加在同一個畫面中，能夠被使用者同時感知。

2.4.1 基于虛擬現實技術的工程制圖學習

工程制圖教學過程中通常需要購置大量的裝配體模型進行拆裝實驗和測繪實驗，而受制于存放場地和購置費用的限制，裝配體模型往往無法大量采購，也難以及時更新。同時，在實驗室進行的產品拆裝過程缺乏真實工況支持，并且存在一定的安全隱患。采用基于立體頭盔和手部姿態傳感器構建的虛擬拆裝系統，可實現具有高度仿真效果的虛擬拆裝實驗。學生佩戴好實驗設備后，可以對虛擬場景中的零部件進行移動、翻轉、裝配、拆解等操作，如圖6所示。

具有高度真實感體驗的裝配體拆裝系統可以進行任意種類和數量上的擴充，能夠快速提高學生對零部件原理和結構的認知，具有真實性、互動性、安全性和趣味性。

2.4.2 基于增強現實技術的沉浸式學習

增強現實技術能夠利用智能設備的攝像頭實現真實場景和虛擬場景的疊加，并進行互動。經過教學實踐和近年來新形態教材的編寫經驗，開發了基于增強現實技術的工程制圖習題解答系統，如圖7所示。該系統基于Unity 3D和Vuforia等增強現實開發技術，在手機端實現了攝像頭影像與立體模型的疊加。學生只需通過手機攝像頭對題目進行拍照，就可以自動呈現該題目的立體模型，并能夠通過觸摸屏實現旋轉、縮放、移動等操作。基于增強現實技術的工程制圖習題解答系統，以學生自學為出發點，實現了二維投影視圖和三維立體模型的實時對照，是未來紙質圖書和電子化資源結合的有效手段。

圖6 基于虛擬現實技術的裝配體拆裝實驗

圖7 基于增強現實技術的習題解答系統

以虛擬現實技術和增強現實技術為代表的沉浸式學習處于工程制圖霍爾三維結構邏輯維的較高層，在實現難度上也最大，但其所帶來的真實體驗感最強，對知識維的支持也最好。其本身所具有的主動學習、探究學習和智能學習都是未來工程人才培養的重要手段。

3 結 論

隨著新工科建設理念的提出，工程制圖課程作為工科大學生必修的技術基礎課必然面臨著教學內容和教學手段等方面的改革。本文基于新工科人才培養的要求，從時間維、知識維和邏輯維3個維度建立了工程制圖課程的霍爾三維結構圖，論述了3個維度之間的關系，并進一步提出了針對邏輯維的教學改革思路和方法。近年來通過移動學習、討論課教學、創新案例教學和沉浸式學習等方面的改革實踐，教學質量和教學效果有了顯著提升，取得了較好的成績，如參與改革實踐的學生連續九次奪得“高教杯”全國大學生成圖技術與產品信息建模創新大賽團體一等獎、奪得2017全國大學生機器人大賽總冠軍、多名學生進入世界技能大賽集訓隊、多項設計獲得專利授權等。實踐證明，處于邏輯維較高層次的教學方法和教學手段的改革能夠較大幅度增進學生的創新能力、實踐能力和綜合知識運用能力，是未來新工科人才培養的重要方式之一。

[1] 陸國棟, 李拓宇. 新工科建設與發展的路徑思考[J]. 高等工程教育研究, 2017(3): 20-26.

[2] 岳志勇, 丁惠. 基于霍爾三維結構的技術創新方法培訓體系研究[J]. 科學管理研究, 2013, 31(2): 20-22.

[3] 陳錦昌, 劉菲, 陳煌, 等. 基于工程制圖課程投影知識的移動學習游戲設計[J]. 東華大學學報: 自然科學版, 2016, 42(4): 608-616.

[4] 李明華. 教育變革的新職業: 學習工程師——美國麻省理工學院最新研究報告評述[J]. 開放教育研究, 2016, 22(3): 24-36.

[5] 陳錦昌, 陳亮, 張瑞秋, 等. 基于構型設計的制圖課程中設計環節的探索[J]. 圖學學報, 2013, 34(1): 105-110.

[6] HERRINGTON J, REEVES T C, OLIVER R. Immersive learning technologies: Realism and online authentic learning [J]. Journal of Computing in Higher Education, 2007, 19(1): 80-99.

The Teaching Reform and Practice of Engineering Drawing Based on the System Engineering

CHEN Liang, WU Lingling, ZHANG Ruiqiu, XIONG Wei, QIN Zhinan

(School of Design, South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510006, China)

By combining the Hall three-dimensional structure with the teaching system of engineering drawing, this paper analyzes the interrelationships among course hours, teaching contents and teaching methods through the perspectives of time dimension, knowledge dimension and logical dimension in a systematic and comprehensive way. Moreover, under the guiding of new engineering disciplines, we present some new teaching methods and teaching skills in engineering drawing course, including mobile learning, seminar teaching, innovative case teaching, immersive learning and so on. Our teaching practice has demonstrated that these reform measures can significantly improve teaching quality and effectiveness.

engineering drawing; system engineering; innovative education

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2018061214

A

2095-302X(2018)06-1214-06

2017-07-09；

2017-11-19

廣東省自然科學基金項目(2016A030310420)；中央高校基本科研業務費項目(2017BQ081)；華南理工大學本科教研教改項目

陳 亮(1975-)，男，山東魚臺人，副教授，博士。主要研究方向為工程圖學、信息與交互設計。E-mail：earchen@scut.edu.cn

張瑞秋(1972-)，男，河南魯山人，副教授，博士。主要研究方向為計算機圖形學、虛擬現實、工業設計。E-mail：rqzhang@scut.edu.cn