課賽合一的工程制圖系列課程創新教學模式探索

湯曉燕 云忠

[摘 要]結合當代社會發展對創新型人才培養的最新需求，闡述圖學教學的重要性，借鑒國內外工程制圖教學模式，探索一種教學與競賽相互融合、教學相長的教學新體系。以全國大學生圖學競賽、創新大賽的要求，開展以“學生自主學習、能力訓練”為核心的創新教學改革，強化構型設計、零部件表達、計算機二維成圖、三維建模、創新設計的實踐訓練，探討全過程多元考核評價方法，激發學生學習潛能，提升學生繪圖讀圖、交流合作、歸納總結、分析解決問題、三維建模、設計創新的能力。

[關鍵詞]課賽合一;圖學競賽;工程制圖系列課程;教學模式

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2020）12-0050-03

隨著經濟全球化的迅猛發展，“一帶一路”國際合作的推廣、“中國制造2025”戰略的全面實施[1]，國家對高素質、創新型、應用型人才的需求不斷增加，因此提高高等工程教育質量對于做好人才培養、人才儲備工作起著至關重要的作用。

工程制圖系列課程是工科院校各專業必修的主干技術基礎課，它研究繪制和閱讀工程圖樣的原理和方法，在工程科學的人才培養體系中占有重要地位。其目的是培養繪制與閱讀機械圖樣的能力，對三維形狀與相關位置的空間邏輯思維與形象思維的能力，以及利用計算機繪圖與建模能力。此外，在教學過程中還會有意識地培養學生的自學能力、分析問題、解決問題等工程實踐能力，小組合作、設計創新能力，以及認真負責的工作態度和嚴謹細致的工作作風。

一、國內外工程制圖教育現狀分析

國外的工程制圖教育比較注重內容與設計相融合、案例與實際相結合、教學目標與企業需求相結合，已基本完成了向數值化的轉變。比如美國加州大學圣地亞哥分校的MAE3課程[2]就將圖學、設計、計算機技術融為一體，要求學生在學習制圖基本原理、三視圖、軸測圖、剖視圖、零件圖、裝配圖等基本知識的同時，用計算機軟件Invents做三維實體造型來表達設計思想，用AutoCAD準確繪圖工程圖。用實際工程案例，如時鐘、自行車或機器人，開展實踐教學，要求學生通過小組合作徒手繪制零部件草圖，共同完成滿足特定功用要求的產品設計，并在實驗工廠、基地制造出產品雛形，最后開展小組答辯、演示成果。

國內大多數高等院校的工程圖學課程教學改革雖然在理論與實踐相結合、增強實踐訓練方面開展了許多工作，但就如何與國際工程教育接軌、如何達成學習成果的研究并不多。以下是國內工程圖學課程教學改革的探索例子，比如汕頭大學工學院在顧佩華教授的帶領下開展教學改革，于2014年成為了首個中國高校CDIO（Conceive、Design、 Implement、 Operate）成員[3]。燕山大學隨后開展了“基于CDIO的工程圖學教育改革探索”。2015年，常州大學聘請美國教授面向“過程裝備與控制工程”專業的學生，開展“工程制圖與CAD課程”的短期授課，并深入分析外教的教學內容、手段、授課特點、實踐組織形式以改革常州大學現階段圖學教學。另外，吉林大學谷艷華老師開展了“工程圖學在線教學實踐”;哈爾濱工業大學唐艷麗等老師借鑒先進圖學技術競賽的理念設置創新實驗課，開展圖學拔尖人才培養，取得一定成效[4]。

當前國內與圖學類課程對接，最具影響規模的“國家級”賽事是“高教杯”全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽。該賽事從2008年至2019年7月共舉辦了11屆，參賽學校由最初的51個發展到331個，參賽團隊由58個發展到541個。比賽考查學生的繪圖、讀圖、產品表達能力，以及運用CAD軟件（AutoCAD， Solidworks， Pro/E等）解決工程問題的能力。比賽包括尺規作圖和產品信息建模兩部分。尺規作圖競賽要求參賽者結合題目已知條件，在規定的90分鐘時間內正確繪制出零件圖。產品信息建模比賽時間為180分鐘，要求選手運用CAD軟件完成大概3道試題，包括計算機二維繪圖、零件三維建模、部件三維裝配或回答相關問題。

全國大學生機械創新設計大賽也是一個與工程制圖、機械設計課程緊密對接的很具影響規模的“國家級”賽事，考查參賽學生的創新設計、工程實踐能力，其獲獎作品能充分展示我國高等院校機械學科的教學改革成果和大學生機械創新設計的成果，積極推動課程教學、機械產品研究、設計與生產的結合[5]。

“高教杯”圖學大賽、機械創新設計大賽為各類高校參賽學生展示其圖學理論、成圖技術水平、創新能力搭建了平臺，也為圖學教育工作者提供了互相學習交流的機會，不僅能提高學生的圖學學習興趣，激發其創新潛能，也能引導教師不斷提升教學科研能力，優化制圖系列課程的課程體系、教學資源、教學模式，在高等院校培養強能力、高素質的創新型人才中起引領和推動作用。

二、課賽合一的工程制圖系列課程新體系

我們立足于中南大學可視化教學云平臺，構建了工程制圖系列課程的“網絡化、數字化、個性化、終身化”的教學體系，提出并貫徹以信息化教學為平臺，以設計為線，以學生自主學習、能力訓練為核心，以提升學習成果達成度為目標的教學理念來開展制圖系列課程的日常教學與訓練工作[6-7]。

工程制圖系列課程新體系如圖1所示，采取“先簡單后復雜，從模仿到改進再到創新”的逐步推進的思維訓練方式，其設計路線為“設計思維培養—組合體設計—零部件設計—機械產品改進設計—創新產品的設計”，并給出了教學新體系中各門圖學課程、教學各部分知識點與擬開展的對應學科競賽之間的關系。教學中組織開展虛實結合的課內實驗、綜合設計與創新實踐，能更好地實現課程教學與創新型應用型人才培養的對接，全方位地推動圖學教育走上新臺階。

三、以“學生自主學習、能力訓練”為核心的教學改革

教學內容參考往屆全國大學生先進成圖技術、三維建模大賽、機械創新設計大賽的項目作調整，充實相關知識點內容并強化相關技能的訓練。同時完善網絡教學資源，建設虛實結合的實驗實踐訓練模塊;結合往屆全國大學生圖學競賽、創新大賽內容，建設“比賽案例訓練”模塊。

教師精心準備，做好教學設計安排，借助多媒體課件、動畫、視頻等手段，采用討論、翻轉課堂、案例分析、項目驅動等方式開展線上線下混合式教學。制圖系列課程根據機械類、近機械類、非機械類專業的畢業要求，采取層層推進的教學模式，具體教學安排如下文所述。

（一）工程圖學（I）、工程制圖基礎B共有48學時，面向非機械類、近機械類、機械類本科生一年級，側重培養學生的工程意識以及自主學習、構型設計、投影制圖能力

（1）通過課前導學、課堂討論、課后復習與拓展訓練等環節來培養學習興趣和工程意識。

（2）增加構型設計原則、方法及應用的相關知識。開展比如已知一個投影、兩個投影求解多個第三投影，通過幾個相同形體組合構型并作圖，積木拼圖與構型，模型制作比賽等多種形式的訓練，培養構型設計能力。

（3）結合現有教學、實驗模型以及正在建設的虛擬模型信息庫，開展尺規繪圖和計算機繪圖訓練，培養投影制圖能力。

（4）通過專題討論、小組匯報培養學生的綜合表達、歸納總結能力。專題討論要求學生平時多觀察生活，找到與圖學知識點相關的結構、形狀、實際物件來作介紹，或介紹圖學歷史、CAD技術等。

（二）工程圖學（II）共有32學時，面向近機械類、機械類本科一年級學生，側重培養學生繪制、閱讀工程圖的能力以及分析解決工程問題的能力

（1）通過模型測繪、工程圖讀圖析錯訓練、計算機繪圖訓練來培養畫圖讀圖能力。

（2）補充實用性和綜合性的內容，以實際機械產品、工程案例的結構為研究對象，分析其表達方法、尺寸標注、技術要求等相關問題。

（3）虛實結合的零部件測繪訓練采用案例教學方式，以功能器件（比如千斤頂、球形閥、機用虎鉗、鏡頭架）為研究對象，加強對學習過程的指導與監督，引導學生發現錯誤、努力分析并解決問題，最終能靈活運用計算機繪圖軟件進行產品的零部件結構設計、三維造型，并正確完成其工程圖。

（4）課外專題討論內容來源于生活，自主選題，比如機械手表、自行車、手槍、門鎖、機械玩具的工作原理分析等。學期后階段組織開展二維成圖大賽。

（三）機械產品測繪與三維設計共有32學時，面向機械類本科二年級學生，側重培養學生分析解決工程問題、改進機械產品設計的能力

采用項目驅動教學的方式，開展對典型機械產品（齒輪油泵、減速器、球形閥等）作改進的專題討論，布置產品改進設計任務。例如：以閥門設計為主題，要求學生查找相關資料，讀懂相關圖紙，討論手壓式、螺旋擰緊式、液壓式、不同閥瓣、不同外形、不同材料等不同種類的機械閥，探討其優缺點，自主設計一款實用、環保、新型的閥類產品，開展改進前后產品的零部件三維建模、二維工程圖繪圖訓練，撰寫“×××機械閥的改進分析報告”。學期后階段鼓勵學生參加三維建模大賽。

定期組織院級、校級的小競賽，在網上公布競賽排名成績，培養學生的競爭意識，逐步形成“你追我趕”的良好學習氛圍。

（四）工程圖學綜合設計與創新實踐共有2周，面向機械類本科二年級學生，側重培養學生交流合作、歸納總結、分析解決問題、設計創新的能力

前期舉例介紹各類創新設計方法，學生通過觀看往屆優秀作品、大賽獲獎作品以及開展小組討論來激發創新設計靈感。布置開放式選題“×××創新產品設計”大作業，可參考近年全國機械創新設計大賽內容來選題，學生小組合作完成創新產品的三維實體建模和完整的零部件工程圖，撰寫設計報告并展示創新設計作品，完成答辯。課程設計結束后，組織開展院級、校級創新設計大賽，層層選拔、不斷改進，再推優參加全國大學生競賽。

四、工程制圖系列課程的全過程多元考核評價方法

考核評價應重視對學生學習過程和學習結果的考核，工程制圖系列課程多元考核體系如圖2所示。

考核主要針對學生的繪圖讀圖、交流合作、歸納總結、分析解決問題、三維建模、設計創新等八種能力進行基于“學習成果達成度”的綜合性評價，其中，平時作業、構型訓練、計算機軟件（AutoCAD 和 SolidWorks）上機訓練、零部件測繪訓練等部分，考查學生對課堂基本知識的掌握程度以及對CAD 使用的熟練程度。評價學生的課堂答問、討論參與度可調動學生學習積極性和主動性。做創新設計大作業可培養小組團隊協作精神。

為鼓勵學生積極參賽，將學科競賽成績作為課程成績的加分獎勵項。開展校級二維成圖大賽（尺規繪圖）、三維建模大賽、機械創新設計大賽，表彰獲獎學生，激發學生的學習潛能，同時選拔優秀學生加強訓練并參加全國大學生競賽，競賽獲獎的學生在繼續深造、保送讀研方面都給予優先考慮。

課題組教師定期研討，對改革進展情況進行及時總結和反饋，不斷調整，逐步完善，并通過教改論文、工作匯報等形式將教學改革與實踐成果進行推廣，擴大受益面和影響力。

五、結束語

在全國高校大力開展創新教育的大背景下，中南大學圖學教學團隊以“學生自主學習、能力訓練”為核心，參考往屆全國大學生成圖技術、三維建模大賽以及機械創新設計大賽的要求，研究課程教學與競賽融合的圖學教學創新體系，從線上線下資源建設、虛實結合的實驗設計、各種形式的實踐訓練、全過程多元考核評價等方面努力，以賽助學、以賽助教，構建能力培養的學習環境，助力學生八大能力的養成，取得了一定的成效。改革實踐證明該培養目標、訓練形式以及實施辦法可行有效。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 周濟.智能制造：“中國制造2025”的主攻方向[J]. 中國機械工程，2015（17）：2273-2284.

[2] 毛文武.美國加州大學圣迭哥分校工程圖學課程教學研究[J].工程圖學學報，2007（5）：172-177.

[3] 顧佩華，胡文龍，林鵬，等. 基于“學習產出”（OBE）的工程教育模式：汕頭大學的實踐與探索[J]. 高等工程教育研究，2014（1）：27-37.

[4] 唐艷麗，羅云霞，何蕊.基于先進圖學競賽的圖學拔尖人才培養探索[J]. 機械設計，2018（S2）：14-16.

[5] 蔡曉君，劉湘晨，竇艷濤.基于CDIO 理念的機械創新設計大賽的組織與實施[J]. 大學教育，2017（7）：35-37.

[6] 朱琳， 寇小希， 胡國田， 等. 基于三維設計的制圖類課程改革與實踐[J]. 教育教學論壇， 2017 （38）： 120-121.

[7] 丁喬，張孟玫，李茂盛，等. 以學生為中心的機械制圖混合式教學模式研究與實踐[J]. 圖學學報， 2018（2）： 362-366.

[責任編輯：龐丹丹]