新工科背景下地方高校機械制圖課程改革的探索

張向華，葉 霞

（江蘇理工學院 機械工程學院，江蘇 常州 213001）

2015年3月5日，李克強總理的政府工作報告中首次提出“中國制造2025”的宏大計劃，同年5月19日國務院正式印發《中國制造2025》。為主動應對新一輪科技革命與產業變革，支撐服務創新驅動發展、“中國制造2025”等一系列國家戰略，教育部于2017年2月18日在復旦大學召開了高等工程教育發展戰略研討會，與會高校對新時期工程人才培養進行了熱烈討論，共同探討了新工科的內涵特征、新工科建設與發展的路徑選擇，并達成了10點共識，稱為“復旦共識”。同年4月8日，教育部又在天津大學召開新工科建設研討會，60余所高校共同制定了《“新工科”建設行動路線》，簡稱“天大行動”。緊接著在6月9日，新工科研究與實踐專家組在北京通過了《新工科研究與實踐項目指南》，簡稱“北京指南”。復旦共識、天大行動和北京指南，構成了新工科建設的“三部曲”，為工程教育改革拉開了序幕。

與老工科相比，“新工科”更強調學科的實用性、交叉性與綜合性，尤其注重信息通訊、電子控制、軟件設計等新技術與傳統工業技術的緊密結合。科技革命改變教育內容，信息革命改變教育模式，工程教育必須主動適應，幫助未來的工程師們建構起符合時代要求的思維方式和知識結構，并且更加注重培養創新創業能力[1]。正因為如此，加快建設和發展“新工科”，培養新經濟急需緊缺人才，培養引領未來技術和產業發展的人才，已經成為全社會的共識。新工科以新經濟、新產業為背景。其建設一方面要設置和發展一批新興工科專業，另一方面要推動傳統工科專業的升級改造。無論是發展新型工科專業還是升級傳統工科專業，最終落腳點都要落實到相關專業課程的建設與改革上。

1 新工科背景下機械制圖課程存在的問題

1.1 課程內容陳舊，難以滿足新技術發展的要求

中國的圖學教育在上個世紀50年代并沒有統一的模式，50年代至70年代末參照前蘇聯的模式建立了完整的理論體系，70年代末開始學習美、英、日等國的模式，逐漸重視工程應用，到了90年代，隨著計算機技術的飛速發展，開始引入計算機繪圖的內容，整個課程體系、內容和教學手段都有了新的變革[2]。 但從進入21世紀至今，地方高校機械制圖課程的教學內容與二十年前基本相同，主要內容還是由點線面的投影、立體的投影、組合體三視圖、軸測圖、表達方法、標準件與常用件、零件圖、裝配圖和計算機輔助繪圖組成。

傳統的機械產品設計與制造都是以二維圖紙為主線：產品設計工程師先構思三維產品，然后根據構思繪制二維工程圖紙；產品制造工程師根據二維圖紙確定加工方法，編制加工工藝；生產工人讀懂二維圖紙進行加工。但隨著計算機輔助設計技術的飛速發展，目前企業在進行產品設計時直接從三維模型展開設計已經非常普遍。產品設計工程師利用三維設計軟件直接構建三維模型，并完成虛擬裝配和運動仿真；產品制造工程師可根據三維模型生成數控代碼直接用于數控加工，或根據三維模型直接進行3D打印，如果企業的加工技術比較傳統還可以利用三維模型直接生成二維工程圖紙來加工。由此可見設計與制造技術有了飛速的發展，但反觀機械制圖課程的授課內容變化并不大。大部分地方高校的授課體系還是以二維視圖為主線，從點、線、面的二維投影過渡到立體的二維視圖，最后到二維的零件圖與裝配圖。在教學過程中反復向學生去講解如何將三維形體投影得到二維視圖以及如何由二維視圖去構思空間形體，通過不斷的二維視圖與三維形體的轉化達到培養學生空間想象能力的目的，這種授課體系與目前的面向三維模型的設計思路明顯沖突，因此有必要對課程的教學內容進行改革。

1.2 教學方法傳統，課堂教學缺乏針對性和精準性

目前大部分地方院校機械制圖課程所采用的教學方法與二、三十年前相比變化不大，主要采用的還是講授法和練習法，外加少量的討論法。教學手段上將以前的掛圖、實物模型和幻燈片換成了現在的PPT、電子圖片和三維軟件繪制的模型。課堂上教師占主導地位，一般是教師在課堂上先向學生講授有關的知識點，然后講解幾個與知識點相關的例題，接著會在課堂上布置少量的課堂練習，并可能會對所做練習展開簡單的討論，最后通過課后作業進一步強化學生對相關內容的理解。與以前相比，在教學手段上有了一些革新，多媒體輔助教學得到了全面的推廣，利用電子模型、電子圖片代替了早期的掛圖與木模。但教學效果并沒有什么改善，很多學生都反映在制圖課程的學習過程中存在課上能聽懂但課后不會做的現象，部分學生在課后可能要花很長時間來完成一道題，并且結果可能不完全正確，這樣嚴重打擊了學生的學習興趣。并且由于機械制圖課堂所面對的學生空間思維能力參差不齊，但課堂上教師的教學采用的卻是“一刀切”的教學過程，教學缺乏針對性，導致出現能力強的學生吃不飽，而能力差的學生卻消化不了的現象。新工科建設對課程提出了新的要求，要求課堂教學具有高階性、創新性和挑戰度，教學過程中要做到以學生為中心。要想讓工程圖學課程達到新工科建設的要求，就必須對教學方法開展全面的改革。

1.3 課堂沉默現象普遍，課堂上學生參與度不高

隨著大學教育由精英教育向素質教育轉變，許多地方高校所招收的學生學習能力并不強，學習自覺性與主動性較差。在以講授法為主的課堂上，許多學生都習慣了老師講自己聽的授課節奏，教師在課堂上提出的問題很難得到學生的回應，靜默課堂成了目前大部分地方高校的普遍現象。

1.4 課堂教學效果反饋滯后或失真

目前大部分地方高校的機械制圖相關課程的效果主要依靠課后作業來反映，教師必須在完全批改完學生的作業后才能了解學生的掌握情況，這樣導致教學效果反饋滯后，教師不能實時了解學生對當堂課程內容的掌握情況。另外還有部分學生存在抄襲作業的情況，這樣導致通過課后作業所反映出來的教學效果失真，部分學生可能出現平時作業成績較好，但到期末考試時成績卻很差的情況。

1.5 師資力量薄弱

隨著老一輩的圖學課程任課教師陸續到了退休年齡，大量新教師補充進來。目前，絕大部分地方高校在招聘專業任課老師時都要求具有博士學位，而機械工程專業的博士培養周期長，部分博士畢業后直接進了企業或研究院所，再加上地方高校地理位置、學科平臺及薪資待遇等吸引力不強，導致地方高校招人困難，要招聘一位本、碩、博均為機械類專業的博士來地方高校承擔工程圖學課程的教學任務非常困難。這樣導致一些地方高校所招聘的制圖課程任課教師可能本科并非機械類專業，以前沒學過工程圖學課程，或只是學過少學時的圖學課程，并且絕大部分新引進的老師都沒有工廠的實際工作經驗，這樣的師資力量很難滿足新工科背景下高等工程教育教學改革的要求。

2 地方高校機械制圖課程改革實施方案

2.1 更新機械制圖課程教學內容

教育部在“天大行動”的行動方案中提出了一條“問技術發展改內容，更新工程人才知識體系”的行動路線[3]。隨著面向三維模型的設計技術的廣泛推廣，機械制圖課程的教學內容也必須與此相適應。

近十多年來，如何將三維建模技術與工程圖學課程進行結合一直是圖學教育工作者的一個研究熱點[4]。新的工程圖學課程內容應該是面向三維設計，但還不能完全擺脫二維視圖，可以將三維設計知識融入傳統的圖學教材內容中。在教學內容的組織上可以選取某一三維設計軟件，將軟件中的草圖繪制、零件建模、裝配建模、標準件的調用以及生成工程圖融入教材的各個章節中。比如，在制圖基本知識的平面圖形的繪制知識點部分增加三維軟件草圖繪制的介紹；在立體的投影部分增加基本立體的建模方法介紹，棱柱建模——拉伸法、圓柱建模——拉伸或旋轉法、棱錐建模——放樣法；在組合體部分增加復雜形體建模的內容；在機件的表達方法部分介紹各種視圖、剖視圖和斷面圖的自動生成方法；在標準件與常用件部分介紹標準件的調用方法；在零件圖部分增加各種典型零件的建模方法及零件圖的自動生成；在裝配圖部分增加裝配建模及運動仿真。通過將三維建模技術融入畫圖與看圖相關知識的講授，不僅使所講授的知識更適應新技術發展的需要，而且更加有助于學生空間思維能力的培養。

要想真正實現機械制圖課程教學內容的更新，首先必須完成教材內容的更新。1996年原國家教委啟動了“面向21世紀高等工程教育教學內容和課程體系改革計劃”，推動了工程圖學教程的編寫工作，全國許多院校組織編寫了一批面向21世紀的工程圖學教材[5]。目前許多地方高校所使用的工程圖學教材內容與近二十年前所編教材相差不大。隨著面向三維模型的設計技術的發展，新的教材應以產品設計表達方法為主線，從三維與二維之間的關聯入手，建立三維設計表達與二維工程圖表達相互融合的知識結構體系。

2.2 變革機械制圖課程教學方法與手段

李培根院士在“工科何以而新”的論文中專門指出“新工科”要體現在教育教學的新方法上。其中特別指出了一個新方法那就是“去中心化”。他指出“傳統的教育是以教師為中心的，教師教什么，學生學什么；教師講什么，學生聽什么。未來的教育不能以教師為中心。教師要更多地考慮如何開發學生的潛能”[6]。筆者認為這里所說的去中心化只是指去除以教師為中心，去中心化并不是不要中心，而是要將以教師為中心轉變為以學生為中心。“天大行動”中第4條也指出“落實以學生為中心的理念，增強師生互動，改革教學方法和考核方式，形成以學習者為中心的工程教育模型”。

要想實現教學中心的轉變就必須改變傳統的教學方法，信息技術的飛速發展為教學方法的變革提供了強有力的支撐。隨著互聯網技術的飛速發展，與機械制圖課程相關的網絡資源變得越來越豐富。教育部從2003年開始開展精品課程建設工作，2012年開始將原國家精品課程擇優升級改造為精品資源共享課，2019年又開始推進國家一流本科課程的建設工作，同時隨著慕課、微課的發展，每門課程的線上資源變得越來越豐富。在中國大學MOOC平臺網站上，以“機械制圖”為檢索詞可以查到近50門與此相關的課程，其中有國家精品在線開放課程8門。線上教學資源的發展推動了線上教學方式的推廣。

2020年上半年，受到新冠肺炎疫情的影響，全國大部分高校都開展了線上教學。但經過一個學期的線上教學，最后考核發現許多地方高校學生的學習效果對比傳統線下教學的效果要差。這主要是由于純粹的線上教學缺乏對學生的有效約束管理，學生與老師不能方便的交流，并且地方高校學生的自制力及學習能力相對偏弱所造成的。雖說線上教學存在這些缺點，但也展示出了傳統線下課堂所不具備的優點。比如教學視頻可以反復觀看、學習時間可以自由安排。正是由于線上和線下課堂都存在各自的優缺點，因此未來的理想教學方法應該是“線上+線下”的混合式教學。地方高校可以依托國家精品在線開放課程中的慕課，建立自己的SPOC，完成線上資源的建設。有條件的高校也可獨立建設自己學習的慕課。具體的混合式教學可讓學生抽取部分課后時間用于線上學習，通過慕課視頻自學簡單知識點，在線下的教學過程中教師主要針對難點內容展開分析與討論，同時增加課堂練習、測試與討論時間，提高學生的參與度，通過提高學生學習過程中的存在感與成就感來激發他們的學習興趣。

2.3 完善教學設計，打破課堂沉默

混合式教學為激發學生的參與提供了支撐，但要真正實現以學生為中心的目標，打破課堂沉默，還必須做好混合式教學的教學設計。首先，教師應該分配好線上與線下的學習內容。可將每次課的三分之一的內容安排于線上學習，該部分內容應相對簡單，核心內容及難點內容安排在線下課堂學習。其次，應保證線上學習的有效性，要求所有學生都能按要求完成線上資源的學習，可以在線下課堂教學過程中使用一些數字化教學工具，如“雨課堂”“慕課堂”和“云班課”等，對學生線上學習情況開展測評，通過測評即可督促學生完成線上學習，也可檢驗學習效果。最后要做好線下課堂的重構設計，打破教師滿堂灌的現象。線下課堂教學設計是最重要一環。教師可在課堂的前十五分鐘左右完成上次課內容的回顧及線上學習內容的評測，該評測可直接通過雨課堂等工具完成，教師再根據評測結果對相關知識進行歸納總結。接著進行新知識點的分段學習與討論，每個新知識點的學習情況都可通過雨課堂等工具進行測評及總結歸納。測評時除了選用客觀題外也可設置主觀題，讓學生拍照上傳答案，然后將一些犯有典型錯誤的答案投屏展示后讓學生展開討論。在課程的最后階段進行本次課內容總結，這時可引導學生利用雨課堂上的“彈幕”工具發送知識點關鍵詞，再通過“詞云”工具將關鍵詞歸納匯總，然后引導學生進行總結。通過這樣的教學設計后，學生在教學的每個階段都能充分參與，課堂沉默現象自然會被打破。

2.4 改革評價方法，增強過程考核

打破單純依靠課后作業來評價學生學習效果的現狀，增加課堂測驗和單元測驗等多種過程考核形式。數字化教學工具“雨課堂”、“慕課堂”等為課堂開展小測驗提供了支撐。比如教師可以利用雨課堂在機械制圖課件中插入一些題目，對相關的知識點開展考核。在復習上次課的內容時，改變傳統課堂教師直接講授的方法，將上次課的主要內容用幾道選擇題來呈現，通過學生的回答結果統計可很快了解學生對相關內容的掌握情況。對于新知識點的掌握情況也可采用相同的方法考核。但由于數字化教學工具只能對客觀題給出答題是否正確的判斷，而對于作圖題等主觀題必須要靠教師去逐個批閱，這導致單純依靠這種工具很難對學生的學習狀況進行全面的評價，因此還需要利用單元測驗來進行更深入的評價，所設置的單元測試題主要是作圖題。

2.5 加強師資隊伍建設

工程圖學課程的教學質量與任課教師的相關素養是緊密相連的，這些素養包括教師的教學理念、教學方法、專業素養和學術水平等。因此對新教師的培養就顯得非常重要。要建設好師資隊伍，首先必須建好基層教學組織并充分發揮其作用。目前，大部分地方高校都保留了工程圖學教研室或課程組，但其作用主要是分配教學任務、討論教學大綱、組織考試試卷以及考試結束后組織閱卷等常規性的教學工作。要實現對新教師的快速培養，基層教學組織除了這些具體的教學事情外，還必須開展更多的實質性指導工作，比如定期開展教學研討及交流，集體備課，老教師上示范課，新教師上公開課并集中點評，組織編寫教材，指導新教師申報教改課題等，這樣可以很快的幫助年輕老師熟悉整個教學過程。學校也應該創造機會讓新教師進企業一線進行實踐鍛煉，使老師的理論知識與實踐能力更好的融合。