“工程圖學(xué)”課程教學(xué)改革的研究

薛小雯 蔡小華 朱 蕓

(江南大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

“工程圖學(xué)”作為一門技術(shù)基礎(chǔ)課程，主要研究如何用畫法幾何理論將三維實體表達在二維圖紙上，而二維圖紙是指導(dǎo)生產(chǎn)實踐的重要技術(shù)文檔,圖紙上的各種標注、標記可以培養(yǎng)學(xué)生工程實踐意識。課程的學(xué)習(xí)提高空間想象力，培養(yǎng)形象思維能力。

隨著3D技術(shù)、計算機軟硬件發(fā)展、無紙化生產(chǎn)等新技術(shù)的應(yīng)用，對工程圖學(xué)的教學(xué)也帶來了沖擊，學(xué)生對該各個學(xué)校對工程圖學(xué)的教學(xué)改革做了有益的嘗試。從閱讀文獻發(fā)表情況來看，有些是從培養(yǎng)形象思維能力的角度出發(fā)[1-2]，對課程的培養(yǎng)模式進行了改革；有些是從培養(yǎng)創(chuàng)新能力的角度出發(fā)[3-4]，對課程內(nèi)容和實踐環(huán)節(jié)的練習(xí)進行了調(diào)整設(shè)計；有些是將現(xiàn)代三維造型設(shè)計與課程內(nèi)容有效融合，將三維設(shè)計思想引入到課程的教學(xué)中[5-6]。在教學(xué)方式上，傳統(tǒng)的“黑板+掛圖”方式已很少，大多采用CAI課件，有些以幻燈片為主[7]，有些用集成的網(wǎng)絡(luò)版[8]。對實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)改革，如測繪周的教學(xué)目標內(nèi)容[9-10]、試題庫的建立、作業(yè)的自動批改等，也做了許多探討。有些學(xué)校結(jié)合國外教學(xué)[11-12]，從教學(xué)理念、突出能力培養(yǎng)和學(xué)生興趣等不同角度出發(fā)，對課程教學(xué)也做了改革嘗試，取得了一些成果。

綜上所述，“工程圖學(xué)”的教學(xué)改革主要從內(nèi)容的調(diào)整、教學(xué)方式的改變、教學(xué)手段的多樣化等多個方面實施。江南大學(xué)“工程圖學(xué)”的教學(xué)據(jù)此進行了設(shè)計，首先明確課程的培養(yǎng)目標：圖形的表達與繪制、空間形象思維能力培養(yǎng)、創(chuàng)造能力和工程實踐意識的培養(yǎng)。其中創(chuàng)新能力和工程實踐意識的培養(yǎng)是最終的目標。通過培養(yǎng)目標,調(diào)整了課程體系結(jié)構(gòu)、教學(xué)內(nèi)容，并結(jié)合現(xiàn)代先進技術(shù)和教學(xué)理念對教學(xué)方法、教學(xué)手段進行改革，同時對實施這一改革的主體——教師將提出更高的素質(zhì)要求。

1 課程體系、教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整

目前，對于課程體系的改革，主要有三種思想：(1)基礎(chǔ)平臺與綜合提高相結(jié)合的模式(融合式)。在運用現(xiàn)代教育技術(shù)時，將三維 CAD 技術(shù)、構(gòu)形設(shè)計、計算機圖形學(xué)等新內(nèi)容融入“工程圖學(xué)”教學(xué)中，加強對學(xué)生空間思維和構(gòu)形能力、創(chuàng)新能力、工程意識的培養(yǎng)。(2)分塊協(xié)調(diào)模式(分段式)。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，在第二學(xué)年按學(xué)生專業(yè)課程的深入情況，分別增加計算機輔助CAD 課程的學(xué)習(xí)，將工程部分與后續(xù)專業(yè)課結(jié)合。(3)課群融合式(大綜合)。將工程圖學(xué)與后續(xù)機械基礎(chǔ)課程(力學(xué)、機械原理、機械設(shè)計等課程)大綜合。

江南大學(xué)采用融合式的教學(xué)思路，已在2013—2015年作了初步探索，從2016年開始正式實施新的教學(xué)計劃。教學(xué)分成兩學(xué)期，第一學(xué)期主要學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的畫法幾何理論、點線面體、立體的交線、組合體、表達方法、軸測圖、標準件常用件等內(nèi)容，同時將以前放在第二學(xué)期的AutoCAD軟件學(xué)習(xí)提前到這一期，共安排76學(xué)時;第二學(xué)期主要學(xué)習(xí)零件圖裝配圖的繪制，同時學(xué)習(xí)三維軟件的使用及設(shè)計方法，共60學(xué)時。課程總學(xué)時136學(xué)時，理論學(xué)時88學(xué)時，實踐學(xué)時32學(xué)時，上機16學(xué)時。將課程的學(xué)習(xí)由原來大一兩學(xué)期的學(xué)習(xí)，調(diào)整為大一下學(xué)期和大二上學(xué)期，金工實習(xí)仍安排在大一的第二學(xué)期，這樣在第二學(xué)期課程內(nèi)容講解時學(xué)生對實體零件已有一些感性認識。

教學(xué)內(nèi)容的改革是核心。受課時限制及現(xiàn)代三維設(shè)計在社會上廣泛應(yīng)用的需求，學(xué)校在內(nèi)容上做了以下調(diào)整：保留畫法幾何中和投影相關(guān)的主要內(nèi)容，刪減了求解空間點線面之間一般位置幾何問題(距離、角度)；在相貫線、截交線的教學(xué)中，刪減了偏貫、斜交等復(fù)雜立體求交線問題；刪減手工繪圖學(xué)時，將手工繪圖一部分改為草繪；引入三維軟件造型以求達到更好的效果；在組合體部分增加創(chuàng)新構(gòu)形設(shè)計，突出對學(xué)生形象思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；對零件圖和裝配圖部分的內(nèi)容也做了較大的調(diào)整，將三維設(shè)計思想及三維設(shè)計軟件使用引入，提高對產(chǎn)品的表達能力；零部件測繪部分的教學(xué)設(shè)計為綜合訓(xùn)練，從手工繪草圖練習(xí)到三維軟件繪零件及裝配體，再到轉(zhuǎn)化為工程圖并進行適當(dāng)標注，通過這些調(diào)整，以強化工程實踐能力、工程設(shè)計能力與工程創(chuàng)新能力。結(jié)合這些內(nèi)容的調(diào)整，學(xué)生作業(yè)方式的提交和教學(xué)方法也做了相應(yīng)改變，具體安排如表1所示。

2 教學(xué)方法與教學(xué)手段的實施

確定好教學(xué)目標和教學(xué)內(nèi)容，如何才能有效地實施呢？通過研究，課題組認為可以從教材的選用、CAI課件的制作、實踐環(huán)節(jié)的改革、課外學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)的改革等多方面開展。

2.1 教材的制定與選用

教材作為教學(xué)的基礎(chǔ)性資源，不僅是知識的載體，更應(yīng)該體現(xiàn)教學(xué)理念、教學(xué)目標、教學(xué)內(nèi)容，是提高教學(xué)質(zhì)量的重要保證。目前,《工程圖學(xué)》教材從編寫的模式來看，大部分教材按圖學(xué)理論和機械制圖兩部分編寫，在編寫過程中，按教學(xué)目標的不同，在順序上做了調(diào)整，有的以三維設(shè)計為主線，有的與機械設(shè)計系列課程融合等。從教材的內(nèi)容來看，對畫法幾何部分作了較多刪改，難度有所降低，機械制圖部分以培養(yǎng)學(xué)生的形體表達、讀圖能力、構(gòu)型設(shè)計、學(xué)生的創(chuàng)新能力為重點，對立體交線部分做了簡化，與三維實體造型結(jié)合講解交線的生成和二維投影圖，計算機繪圖部分增加三維造型等內(nèi)容。

目前,機械類選用同濟大學(xué)《機械制圖》教材，該教材屬國家優(yōu)秀教材、規(guī)劃教材，與教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)順序一致。習(xí)題集選用自編的習(xí)題集，同時在學(xué)生的課外學(xué)習(xí)中，輔助選用校編教材，主要有蔡小華主編的《工程制圖》和蔣曉主編的《AutoCAD2014中文版機械設(shè)計標準實例教程》。三維設(shè)計軟件根據(jù)專業(yè)和教師不同，主要使用UG、Creo和SolidWorks等軟件。教材內(nèi)容中充分體現(xiàn)了教學(xué)思路，將實用性、創(chuàng)新性的觀點貫穿于其中，如蔡小華主編的《工程制圖》增加了徒手繪平面圖、繪軸測圖等內(nèi)容，它是現(xiàn)代設(shè)計中的第一步，同時也鍛煉了學(xué)生現(xiàn)場表達能力；在講解點線面的投影及性質(zhì)時，直接將點、線、面放置在體上，使學(xué)生一開始就從體的角度出發(fā)學(xué)習(xí)，更符合認知規(guī)律；在組合體部分，增加組合方式的類型，不只是疊加、切割，結(jié)合三維技術(shù)，還有拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠等方式，同時將構(gòu)形設(shè)計引入，這也是對學(xué)生發(fā)散思維和創(chuàng)造力的培養(yǎng)。這些教材內(nèi)容以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力為主線，提高學(xué)生的讀圖繪圖能力，能使教學(xué)目標得以實現(xiàn)。

表1 教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整

2.2 課堂學(xué)習(xí)CAI課件制作

課堂學(xué)習(xí)是學(xué)生掌握知識、教師實現(xiàn)教學(xué)任務(wù)的重要過程，課堂教學(xué)的靈活多樣可以使學(xué)生在同樣的時間內(nèi)掌握更多知識。

目前,大部分學(xué)校制圖課程已經(jīng)采用多媒體教學(xué)，教學(xué)課件中真實的立體投影、新穎的動畫表現(xiàn)形式能使學(xué)生快速進入三維立體空間，使學(xué)習(xí)直觀化和形象化，同時信息量大，在有效時間內(nèi)可以傳授更多的教學(xué)內(nèi)容。但是多媒體課件也有它的缺點，信息停留在學(xué)生大腦的時間短，記憶不深刻，學(xué)生作業(yè)效果差。傳統(tǒng)的教學(xué)，課堂用時多，信息量少，能引導(dǎo)學(xué)生一步步思考問題，熟悉解題的過程，對照實物模型的繪圖更加符合認知規(guī)律，特別是對于想象力差的同學(xué)，更容易讓他們建立起空間概念，強化學(xué)生規(guī)范化、標準化的徒手繪圖意識。

在課堂教學(xué)中，主要以CAI課件為主，除采用與教材配套的課件外，還自制幻燈片，主要以PowerPoint 為主，將教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目標融入課件中。幻燈片集文字、圖形、動畫于一體，平面圖用PowerPoint自帶的繪圖功能和AutoCAD軟件繪制，三維立體用AutoCAD 或UG等軟件構(gòu)建，動畫用 Flash等軟件制作，創(chuàng)設(shè)一個靈活顯示教學(xué)內(nèi)容、實現(xiàn)互動的學(xué)習(xí)情境，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性。如在截交線和相貫線的講解過程中，通過計算機建模后運用交并叉集的方式形成立體的交線，再形成投影視圖，將這一過程做成動畫，鏈接在幻燈片課件中，形象直觀，可在有效時間內(nèi)學(xué)習(xí)更多內(nèi)容；在工程圖教學(xué)部分，錄制部分典型零件加工過程，拍攝常見標準件及零件表達圖片，用于課堂教學(xué)中，可提高學(xué)生的工程意識。此外，在講解例題時，運用黑板板書“+”實物模型的方式，實物模型直觀明了，板書的書寫過程是對問題的分析、解決過程，幫助學(xué)生更好地掌握知識。

2.3 實踐環(huán)節(jié)訓(xùn)練

在教學(xué)環(huán)節(jié)中，作為教學(xué)的另一主體——學(xué)生，如何有效地掌握所學(xué)內(nèi)容，完成既定的教學(xué)目標，就需要在實踐環(huán)節(jié)進行合理安排，設(shè)計出行之有效的方案。

在練習(xí)方式上，主要有尺規(guī)繪圖、繪草圖、計算機繪圖。尺規(guī)繪圖主要用于習(xí)題作業(yè)的訓(xùn)練，掌握課程的基本內(nèi)容，熟悉國家標準規(guī)定。在作業(yè)內(nèi)容方面，與教學(xué)內(nèi)容同步；與改革前相比，除基本的知識點訓(xùn)練外，平面圖和軸測圖部分增加草繪練習(xí)；組合體部分增加一題多解、一形多種形成方式等構(gòu)形練習(xí)；表達方法和零件圖部分增加方案和典型零件表達方法強化等訓(xùn)練；CAD繪圖訓(xùn)練與課程進度同步，熟練掌握CAD繪制二維圖。作業(yè)的合理安排可增強學(xué)生繪圖能力、空間思維能力的訓(xùn)練。

零部件測繪是機械制圖中培養(yǎng)學(xué)生能力必不可少的實踐環(huán)節(jié)，是學(xué)生對本課程所學(xué)知識的綜合運用。零部件測繪以分組的形式進行，測繪對象是齒輪油泵，在了解其工作原理后，要求先繪制草圖，然后采用計算機來繪制零件圖和裝配圖。這樣可以綜合訓(xùn)練學(xué)生的徒手繪圖和計算機繪圖能力。在繪圖過程中，將加工、工藝、設(shè)計理念等融合到測繪實驗中，起到綜合訓(xùn)練的效果。

模型制作可以通過繪圖軟件三維構(gòu)型設(shè)計來完成，這樣既能訓(xùn)練學(xué)生的計算機繪圖能力，也能激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，進一步開拓他們的想象空間，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)意設(shè)計能力。此外，選用教材中零件不多的銅球閥為例，先三維造型，并裝配成部件，然后轉(zhuǎn)換成工程圖，從視圖轉(zhuǎn)換到表達方案的選擇，加強表達能力和工程意識的訓(xùn)練。

除基本知識掌握外，增加的主要實踐環(huán)節(jié)訓(xùn)練內(nèi)容，如圖1所示。

圖1 實踐環(huán)節(jié)練習(xí)

2.4 課外學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)補充

除課堂教學(xué)外，為配合教學(xué)內(nèi)容的掌握，還制作了三維電子模型庫、構(gòu)形設(shè)計訓(xùn)練軟件和典型產(chǎn)品的加工錄像等作為課外補充。

三維電子模型庫采用Flash軟件制作，用Dreamwave合成，便于將來在網(wǎng)上瀏覽。三維電子模型庫主要制作了立體截交線、相貫線、組合體和表達方法四章節(jié)主要習(xí)題的動畫，對學(xué)生快速建立空間概念起到幫助作用。每部分都設(shè)計一個界面，將這部分的習(xí)題列于其中，圖2是三維電子模型庫截交線部分的網(wǎng)頁，點每幅圖的文字就可鏈接各圖的flash動畫，動畫展示立體的形成過程并最終顯示立體的二維投影圖[12]。構(gòu)形設(shè)計訓(xùn)練軟件用VB設(shè)計主界面，有一題多解等訓(xùn)練題，選擇題、判斷題可在軟件界面中選擇，需要大量畫圖的題，可用VB調(diào)用AutoCAD，或直接打開CAD界面繪圖，如圖3所示。

圖2 三維電子模型庫

(a) 構(gòu)形練習(xí)主界面

(b) 組合體部分構(gòu)形練習(xí)

3 教師素質(zhì)的提高及考核體制的改革

教學(xué)改革的完成與實施都是由教師作為主體來完成的，學(xué)術(shù)生命是高校教師的第二生命。基礎(chǔ)課教師隊伍，雖然也參加科研項，但受課程繁重、研究方向、現(xiàn)有考核體制等因素的影響，加上青年教師都是博士畢業(yè)到校，都有自己的專攻方向，造成制圖教師嚴重缺編。

創(chuàng)新和實施新的教學(xué)改革需要穩(wěn)定教師隊伍，一方面要減輕制圖教師的教學(xué)負擔(dān)，鼓勵并在政策上支持制圖教研室搞科研；另一方面要引入年輕教師參與教學(xué)和教研工作，從根本上穩(wěn)定教師隊伍，同時改革教師評價機制，通過改革績效評估機制，保證改革順利進行和實施。

4 結(jié)語

通過對“工程圖學(xué)”教學(xué)目標的制定和教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法立體化的改革，有效地提高了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，對學(xué)生思維、創(chuàng)新能力的開拓起到了很好的作用。實踐環(huán)節(jié)的綜合訓(xùn)練和課外學(xué)習(xí)軟件的使用，使得學(xué)生的工程實踐意識、形象思維和空間想象力得到了更好的訓(xùn)練。

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