基于大學生工科思維發展的工程圖學教學改革淺談

劉思遠 張志輝 張云輝 柴博森 于征磊

[摘 要]工程圖學作為機械類和近機械類學生的第一個專業基礎課，不但是對圖學知識的傳授，更是學生工科思維培養的起點。以大學生工科思維發展與工程圖學教學過程協同為目標，通過分析傳統的工程圖學課程設計方式，結合計算機輔助繪圖技術的應用發展及自身的教學經驗，提出一種更符合學生工科思維發展規律，更適合新工科的工程圖學發展的課程設置。首先，將一學年的工程圖學教學任務分散到完整的四年教學過程中，保證工科學生在本科階段的圖學教育不間斷;其次，將工程圖學教學與機械設計、機械制造、機械精度等專業課程進行聯系，強化學生應用工程圖學知識解決實際問題的能力;最后，在學生的本科畢業設計過程中，對學生繪制的工程圖樣進行必要的指導，使學生的繪圖能力得到進一步提高，更好的適應即將到來的工作或科研任務。

[關鍵詞]工程圖學;工科思維;教學改革

[基金項目]2020年度吉林大學課程思政“學科育人示范課程”項目“工程制圖‘課程思政示范項目”（SK202025）;2019年度吉林大學本科教學改革研究項目“工程圖學示范課程建設”（2019XYB142）;2020年度吉林大學課程思政“學科育人示范課程”項目“機械設計綜合實踐A‘課程思政示范項目”（SK202026）

[作者簡介]劉思遠（1985—），男，河北邢臺人，博士，吉林大學機械與航空航天工程學院講師，研究方向為機器視覺、工程圖學;張云輝（通信作者）（1972—），女，吉林公主嶺人，博士，吉林大學機械與航空航天工程學院教授，工程圖學教研室主任，研究方向為工程圖學、機器視覺。

[中圖分類號] G420[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）46-0-03[收稿日期] 2020-09-28

一、引言

工程圖學是高校機械類和近機械類專業必修的一門專業基礎課。該課程不僅擔負著培養學生空間想象能力的任務，更是每一位工程技術人員必須學習的工程語言課程。在傳統的機械領域，二維圖紙是最重要的工程語言，原有工程圖學課程主要是培養大學生空間想象能力及二維圖紙的繪圖、讀圖能力[1]。隨著三維設計軟件的快速發展及新工科的提出，現在的工程語言不再局限于二維圖紙，對大學生在該課程中需要掌握的能力也提出了新的要求。如何將表達方法與零件設計相結合、合理標注與零部件制造工藝相結合、圖學知識與其他機械專業知識相結合，是工程圖學課程的核心任務。

根據我國現有機械類本科生的培養方式，一般將工程圖學所有教學內容都安排在四年學制中的第一學年進行。雖然這種設置有助于集中時間強化學生空間想象力及掌握堅實的繪圖基本功，但是由于絕大多數學生進入大學前都不具備基本的工科思維，對如何將圖學課程所學的知識應用于實際的工程問題中，缺乏必要的指導和持續的訓練[2]，因此，在機械類本科畢業設計中，經常出現即將畢業的本科學生無法正確表達所設計的零部件、設計圖紙不符合國家標準等問題。

工程圖學是一門很傳統的課程，隨著新的設計方法、新的設計理念、新的制造方法對現代制造業的不斷推進，工程圖學原有課程中的很多知識點或者難點，在現代設計方法中被逐步弱化，很多原有被忽視或者以前就沒有的圖學技術被廣泛應用于現代設計中。如何將機械圖學知識與現有工程實際相結合、與學生的工科思維方式相結合，是新工科對工程圖學教學的要求，也是企業對畢業生的要求。在機械類本科生的培養中，如何讓圖學知識學以致用，靈活應用，契合實際，已經成為課程改革的方向[3，4]。

本文基于大學生工科思維發展規律與新形勢下對工程圖學課程的要求，提出新的教學改革方案，主旨是將工程圖學與機械其他主干課程相融合，持續培養學生的圖形能力，保證圖學課程四年不斷線，最終實現學生對工程語言的精準掌握及靈活應用。

二、工程圖學課程改革方案

按照圖學四年不斷線的思路，本文以機械類本科培養計劃為基礎，對課程在每學年的教學內容進行設計，保證本科生的零部件表達及讀圖能力與工科思維協同發展，達到較好的教學效果。

（一）第一學年課程內容及培養重點

根據我國義務教育及高中教學的特點，剛步入大學的本科生對于機械知識了解甚少，更不具備基本的工科思維。而工程圖學課程作為工學本科教育的第一門專業基礎課，不但是讓學生學會畫圖和看圖。在課程的設計中，第一學年課程內容分為畫法幾何及工程制圖兩部分。由于三維軟件及計算機的普及，畫法幾何部分的課程內容可以適當縮短，教師在授課的過程中可以結合三維軟件幫助學生建立空間立體思維，培養學生由三維實體向二維投影轉化的能力，以及通過二維圖紙構造三維實體的能力，而相貫線、截交線及軸測圖等傳統畫法幾何教學中的重點、難點問題可以大幅簡化。

在工程制圖部分，重點是培養學生零部件表達的能力。而傳統教學的過程中，學生的學習方式依舊是被動接受，主動思考的過程較少。通過對學生試卷及課程設計的分析，學生由于缺乏基礎的工程知識，無法將表達方法靈活應用，只是通過固定的概念選用表達方法。

在新的課程設計中，教師可以利用較少課時對表達方法進行基本介紹，用大量的時間以機械部件中的一些典型結構的表達作為例子，通過實例促進學生對視圖表達方法的理解，以代替課堂的理論講解。為了判斷學生對知識的理解程度并提高學生自主學習的積極性，可以采用翻轉課堂的形式，讓學生分組并分配給每組一定難度的零件進行表達，學生在參與零部件的表達方式的設計中，通過討論、文獻查閱等過程選擇合適的表達方法，老師可以對每組同學的表達方案進行評價并給出必要的指導。

工程圖學是一門對實踐要求很高的課程，對于大一的工科學生，每一次圖學作業就是一次實踐過程，該課程作業對于熟練掌握并靈活運用知識點具有重要意義。工程圖學的作業具有體量大、細節多、耗時長的特點，圖學老師不僅要認真負責地對學生的作業進行批改，還需要針對出現的共性問題進行總結，并在正式上課時進行講解，而對于作業錯誤比較多的同學，需要進行一對一的指導。

在啟蒙學生工科思維方面，第一學年工程圖學課程的任務可以總結為：第一，建立形性思維，即將零部件的形狀與該形狀所具有的實際功能、性能相聯系的思維;第二，強化標準思維，由于國家標準貫穿整個工程圖學課程，因此該課程在培養學生的標準意識方面相對其他課程具有極強的優勢;第三，普及工藝思維，即在授課的過程中對基本的機械加工方式進行介紹，了解必要的工藝結構，為后期學習的機械制造課程進行鋪墊。

（二）第二學年課程內容及培養重點

第二學年機械類的課程以專業理論基礎課為主，例如理論力學、材料力學和機械原理等，而工程圖學與這些課的結合較少，為了保證課程的持續性，第二學年可以安排學生主要進行制圖及三維設計軟件的學習。

隨著計算機技術的普及，現在的機械零部件設計已經趨于無紙化操作，大量的工作需要通過計算機上的二維和三維設計軟件完成。為了滿足計算機設計的大趨勢，熟練應用計算機繪圖已經成為機械類本科生必須掌握的技能。

為了讓學生打好機械零部件設計基礎，大一圖學課程采取以培養學生手工繪圖能力為主，計算機繪圖為輔的教學策略。第二學年將培養學生計算機繪圖能力作為主要課程內容，課程內容要更接近實際設計工作的狀態，不只是簡單讓學生完成一個形體的造型，還要培養學生從零件三維數字模型的建立，到工程圖生成，最后將工程圖轉化為符合我國國標的、正確的工程圖。在授課方式上，可以將網上教學與項目式授課方式結合進行，老師將計算機繪制的基本操作及繪圖實例講解制作視頻公布于網絡平臺，學生可以根據自己的學習基礎進行觀看;在驗收學生學習效果階段，可以安排學生自行組成小組，完成從零件建模、部件裝配到生成工程圖完整的計算機繪圖過程，讓學生體驗現代產品設計過程，最終由老師點評學生項目完成情況，分析三維建模的完整性、二維工程圖表達的合理性及圖紙是否符合國家標準。

根據大量的企業走訪發現，現代三維設計與繪圖相較于傳統的計算機三維設計具有兩個明顯趨勢，老師可以對三維繪圖設計進行補充。

第一，在零件建模的內容上，原有的零部件的形體都是典型的回轉體，外形結構比較簡單。由于制造水平不斷上升，零部件的外形趨于復雜化，表面很多是自由曲面[5]。三維曲面設計在現代制造和設計中應用的越來越多，而原有的三維設計中對曲面的造型涉及較少，應該在現有的課程中增加這方面的內容，讓學生所學知識更接近最新的趨勢。

第二，很多企業為了提高設計的效率，對專業三維設計軟件進行二次開發。在教學中也應該讓學生了解軟件二次開發的基本原理，并著重掌握軟件經過二次開發的應用方法，讓學生的學習內容符合現在設計繪圖的真實應用，使學生畢業后可以更好、更快地融入工作中。

（三）第三學年課程內容及培養重點

第三學年伴隨著機械專業課程的學習及金工實習的開展，學生的工科思維較第一學年有明顯的提高，已經具有了一定的工科基本思維，并且對一些機械結構及加工方式有了直觀的印象;因此，本學年工程圖學課程的培養重點是如何將已掌握的圖學能力靈活應用于實際機械問題中。本人提出的方案是將圖形表達能力、合理標注尺寸及技術要求能力與機械設計、機械制造、互換性等課程相融合。

在機械設計課程中將典型零件的設計與圖形表達相融合，學生不僅要學習零件設計的相關計算，還要鞏固和練習零部件的表達方法。由于學生在學習機械設計的過程中會對零件的結構和性能有更深刻的認識，在選用哪種表達方法能夠更好地表達零件上，學生將從大一學零件表達方法的死記硬背，過渡到理解及靈活應用的階段。在具體課程實施中，可以重點將機械制圖能力的培養與機械設計課程相結合。在課程設計過程中，指導教師不僅要關注學生零件設計計算部分的正確性，還要檢查學生在圖紙上表達零件及部件的合理性。

在機械制造及互換性課程中，機械制圖老師可以在一定周期的課時中，對該周期出現的工藝結構在機械制圖中的表達方法及技術要求的標準方法進行講解和鞏固，讓學生從大一對工藝結構、粗糙度、尺寸公差及幾何公差表達的硬性記憶，轉變為對知識點的理解和應用，強化了學生的繪圖能力及合理標注尺寸的能力。

（四）第四學年的課程內容及培養重點

第四學年學生的主要任務是完成畢業設計。如果按照本人提出的圖學四年不斷線的培養模式，即使老師不過多干涉學生的圖紙繪制工作，多數同學一定會更好地完成畢業設計。為了進一步提高學生的制圖能力，讓本科畢業生更快地適應畢業后的實際工作，可以在學生進行畢業設計的過程中，通過以下幾個步驟對學生進行指導。

首先，在學生初步完成零部件設計計算工作，開始繪制零部件的圖紙時，制圖教師可以輔助畢業設計指導教師完成零部件初稿的審核，著重對零部件的表達方法的合理性進行評判和指導，優化零部件的表達方法。

其次，在初稿確定后，要求學生完成三維零件實體的造型。在三維實體造型的過程中，不僅可以培養學生應用三維設計軟件的能力，還便于學生在繪制實體的過程中，對零部件的尺寸標注的完整性進行檢測，防止漏標和錯標尺寸。

最后，畢業設計的完成階段，再次對學生的表達方法進行優化指導，對尺寸和技術要求的合理性進行檢測。

通過制圖教師和畢業設計指導教師之間的合作，不僅可以保證學生畢業設計完成的質量，還可以提高學生今后在工作崗位或研究生科研階段中的設計能力。

（五）專業比賽輔助工程圖學課程

伴隨著互聯網的飛速發展，大學生獲取知識的途徑呈現出多樣化和便捷性，如何發揮學生自身的積極性，使學生自主地去拓展自己的工科思維和能力，成為現在工科教學廣泛研究的問題，其中以學科專業比賽為推手，已經成為大學教育中培養學生能力的關鍵環節。現有以機械制圖為主要內容或應用機械制圖所學知識輔助完成的比賽有很多，其中具有全國影響力的有全國大學生先進成圖大賽、全國3D大賽及全國機械設計創新大賽等。

將機械制圖課程與專業比賽相融合，在比賽過程中，制圖教師應該起到教練的作用，以發揮學生的能動性為主。教師可以在題目設計階段輔助學生選擇題目，賽程中對學生所設計零部件的三維實體設計及二維圖紙的繪制進行指導，審核學生的圖紙。學生在不同年級參加比賽與本文提出的機械制圖四年不斷線的培養策略是相輔相成的。

三、結語

工程圖學是機械類本科生的基礎課程。本文以圖學課程四年不斷線作為主要的教學策略，將工程圖學課程與機械類其他專業課程相融合，使課程內容及培養重點與本科生的工科思維發展規律相吻合，通過線上線下教學、專業競賽輔助、畢業設計輔導，保證學生在本科教育的四年中持續提高自己的機械制圖能力，在進入工作崗位或研究生科研階段能夠獨立完整地完成零部件建模及圖紙繪制工作。

參考文獻

[1]侯洪生，閆冠.機械工程圖學（第四版）[M].北京：科學出版社， 2016.

[2]鄧健，彭如恕，陳文波，等.基于OBE理念的獨立學院工程圖學類課程教學改革研究[J].教育現代化，2019（97）：69-70.

[3]何苗，魏書華，路世青.基于能力考核的工程圖學多元化考核方式研究[J].科教導刊，2018（22）：48-50.

[4]張學忱，張翠翠，張云輝，等.基于工程師啟蒙教育的機械制圖課改的幾點思考[J].裝備制造技術，2019（12）：147-150.

[5]張秀芝，閆冠，張云輝，等.基于特征輪廓的立體構型方法[J].圖學學報，2013（2）：130-135.

Abstract： As the first professional basic course of mechanical and near mechanical students， Engineering Graphics is not only the teaching of graphics knowledge， but also the starting point of cultivating students' engineering thinking. Aiming at the cooperation between the development of engineering thinking and the teaching process of Engineering Graphics， this paper analyzes the traditional Engineering Graphics course design method， combines the application and development of computer aided drawing technology and their own teaching experience. This paper proposes a curriculum setting that is more in line with the law of students' engineering thinking development and more suitable for the teaching of Engineering Graphics under the "emerging engineering" discipline. First of all， the teaching tasks of Engineering Graphics in one academic year are dispersed into the whole four-year teaching process to ensure the continuous graphics education of engineering students in the undergraduate stage; secondly， the teaching of Engineering Graphics is connected with other professional courses such as Mechanical Design， Mechanical Manufacturing， Mechanical Precision， etc.， so as to strengthen the students' ability to apply Engineering Graphics knowledge and solve practical problems; finally， in the process of undergraduate graduation project， it is necessary to guide the students to draw the engineering drawings， so that the students' drawing ability can be further improved and better applied to the upcoming work or scientific research tasks.

Key words： Engineering Graphics; engineering thinking; teaching reform