“新工科”背景下面向工程能力培養的工程圖學課程體系建設

杜秀華 祝娟 王妍

摘? 要：“新工科”教育注重培養學生的工程實踐能力和創新能力，使其成為具備國際競爭力的復合型人才，而工程教育改革歸根結底要落實到課堂教學的改革上。受教面很廣的“工程圖學”課程改革以工程設計為主線構建了新的教學內容體系，考慮層次化、模塊化，注重頂層設計和知識關聯，以能力培養為核心進行了講練式互動、研討式互動和引領式互動三種教學設計，構建了注重過程的多元化考核機制，形成了具有“新工科”特色的“工程圖學”新的課程體系。

關鍵詞：新工科;工程設計能力;工程圖學;課程體系

中圖分類號：G642? ? ?文獻標識碼：A

圍繞“一帶一路”“中國制造2025”“互聯網+”等國家重大戰略的實施，教育部發布了“開展新工科研究與實踐的通知”，隨后啟動612個“新工科”研究與實踐項目。“新工科”人才培養目標是培養學生的設計思維、工程思維、批判性思維和數字化思維，提升創新創業、跨學科交叉融合、自主終生學習、溝通協商能力和工程領導力[1]。“新工科”所倡導的五個“新”對傳統工科人才培養模式提出了新的挑戰，為工程教育改革指明了方向。

“新工科”專業涵蓋了人工智能、大數據、智能制造等19個類別，存在新興交叉復合型學科專業，但更多的是老專業融合新科技，升級改造后的傳統專業。“機械工程專業”作為工科院校的必備專業，也面臨互換網時代的挑戰，需要順應社會發展，提高行業競爭力，培養具備較高工程實踐能力和創新能力的復合型 “新工科”人才。

“工程圖學”課程是機械工程專業的技術基礎課，通過基礎投影學習，掌握繪制和閱讀工程圖樣的方法，重在培養學生的形象思維能力、圖形構思能力、基礎圖形表達能力和高階創新設計能力，錘煉工程師素質，提升自主學習能力和團隊協作能力。該課程教學目標的實現將對傳統工科專業的升級改造和專業發展具有強有力的支撐。本文在“新工科”人才培養目標的指導下， 以工程應用為主線，能力培養為核心，構建“工程圖學”課程的教學新體系。

一、構建具有“新工科”特色的課程新體系

“新工科”人才培養將課堂教學視為工程教育人才培養質量的關鍵與保障，將教學過程視為人才培養的生命線[2]。為此，東北石油大學以“新工科”人才培養為目標，專業認證為契機，調整了各專業的人才培養方案，注重人才培養的新理念，課程教學的新內容、新方法、新手段，教學過程評價的新體系等。作者總結了30余年的教學經驗，對“工程圖學”課程進行了全面的教學改革。

（一）基于設計思維的課程內容調整

“新工科”要求學生要具備工程設計與實踐能力和創新思維能力，需要對現有“工程圖學”課程的內容與結構進行調整，具體如圖1所示。

課程結構采用模塊化設計，模塊1將圖學理論和三維數字建模有機結合進行構型設計，培養學生的形象思維和創新能力。模塊2以產品設計全過程為主線，利用頂層設計思想，以裝配圖為引領，采用項目設計的方式切入，對零件圖、標準件和表達方法展開學習，有效地改善了學生以往知其然不知其所以然的狀況，培養學生的工程表達和工程設計能力。

教學內容改革的具體思路是“三弱三強”，即弱化截交相貫，強化尺寸注法，弱化尺規繪圖，強化徒手草圖[3]，弱化知識點學習，強化設計提升，對“新工科”創新型人才培養，奠定堅實的圖學基礎。

弱化截交線和相貫線的內容，是基于學生三維圖形軟件的可視化，截交線和相貫線的畫法晦澀艱深，難懂難求，而在圖形軟件中則為顯而易見;強化尺寸注法是由于尺寸是零部件加工和檢驗的重要依據，是文件的強指令部分，不僅要將尺寸完整和正確地標注，還要保證符合工程加工工序，符合國家標準，符合清晰性表達的基本要求，因此學生只有具備這些綜合性理論知識，了解工程實踐背景，才能夠完全合理地標注全部尺寸，并有效地提升學生的實踐應用能力。

由于徒手繪圖能與思維同步，能快速地表達出設計者的創意構思和設計思想，并且能根據草圖直接利用計算機繪圖軟件畫出零件圖和裝配圖，來代替人工的尺規繪圖，所以作為工程設計人員必須具備熟練的徒手繪圖的能力。特別在徒手繪制軸測圖時，可利用美學手法進行適度的潤色，在很大程度上激發學生的創作激情，培養學生的美學品質[4]。

強化設計提升，圖學知識終究是為工程設計、創新設計服務的，要在設計中把握各知識之間的關聯[5]，才能更好地掌握知識，并將其應用于設計中。弱化知識點逐條學習，主要針對標準件和常用件的規定畫法，剛從高中進入大學的學生，不能很好地把這些零件和結構（螺栓、螺母、鍵槽等）的作用和視圖表達的必要性建立關系，應該從原理講清楚，抓住問題的主要矛盾，舉網以綱，千目皆張;振裘持領，萬毛自整。以設計的角度展開思維，實踐環節輔助繪制裝配圖和零件圖進行強化，能夠更好地認知標準結構和標準件的作用，對畫法的學習將水到渠成。另外機件常用表達方法服務于零部件結構的表達，在分析各類零件和裝配的表達過程中學習效果更佳。總之，實踐檢驗真知，通過發現問題，解決問題的過程，讓學生振葉尋根，觀瀾溯源，獲得分析問題能力的提升，逐漸成長。踐行在應用中學習，在實踐中成長的教學理念。

（二）基于教-學互動的教學設計

“新工科”人才培養目標不僅要培養學生的設計思維和工程思維，還要結合課程思政教育，提升學生的自主學習、終生學習、溝通合作、創新思維等方面的能力。這些能力在以教師為中心的“靜悄悄”的課堂上是難以實現的，一定要將課堂模式由傳統的單向傳遞知識轉變為雙向互動的動態學習模式，打造教師和學生共同參與的高效“活課堂”[6]。以學生為中心，教師為主導，才能讓學生的思想活躍起來，充分發揮他們的想象力和創造力，把以往的“要我學”變成“我要學”，為學生自主終身學習打下基礎。作者根據新的教學內容從以下幾個方面進行了具體的教學設計。

1.講練式互動

這種教學方式主要應用于模塊1基本理論知識的教學內容中。根據對學生的問卷調查顯示，學生課堂專注聽課的時間在20～30分鐘之間，因此每小節課前30分鐘教師采用啟發式教學精講理論內容，后15分鐘學生動手訓練，教師發現問題及時引導，通過這種教學互動，大大提高課堂學習效率。這種互動方式的關鍵在于教師要在課前規劃好訓練題，題目要包含當前各知識點，且還要稍有延伸，如構型設計等，讓學生“墊墊腳能夠到”，保護學生的自信心，長此以往，學生的知識儲備和創新能力會逐步增長。

2.研討式互動

這種教學方式主要應用于模塊2的理論應用方面，如各類零件的結構表達。課前教師布置作業，學生分組進行討論，得出表達的初步方案，徒手繪出草圖。課堂上每組代表分析講解該組的表達方案，各組之間互相討論、學習、質疑，甚至否定，在辯論中激發學生的大腦，開闊思路，發散思維，有效地訓練了學生對工程各類零件的綜合表達能力，踐行在應用中學習的教學理念，將知識學習變成能力培養。這種互動方式的關鍵在于題目要來源于工程實際，從科研項目或實際部件中凝練提取，難度適當，由淺入深，循序漸進。教師要把控課堂秩序，充分發揮教師的主導作用。

3.引領式互動

這種教學方式主要應用于模塊2的工程設計方面，該項目設計過程比較復雜，需要幾節課完成一個周期。課前教師將部件的裝配圖和任務發布給學生，學生分組進行討論預習;課上以教師精講為主引領學生看懂部件各零件的結構、裝配關系、尺寸關系和工作原理等;課下學生利用三維軟件分別對零部件建模，進一步明晰裝配關系和工作原理。課上在教師的指導下徒手拆畫典型零件的草圖，注意辨析零件的工藝結構、尺寸、技術要求和標準結構的表達等;課下完成零件圖的計算機繪圖。這一教學過程的關鍵是，項目設計要來源于工程實際，具有一定的知識覆蓋面，并且難度適中;教師要具備豐富的實踐經驗，給予學生充分的指導，培養學生的“工程圖-設計-制造”一體化的工程意識[7]，讓學生體會產品的整個設計過程，踐行在實踐中成長的教學理念。

（三）基于過程考核的評價體制

過程考核評價貫穿課程教學和課堂內外，過程考核為手段，能力考核為目標，改變一考定終身，課程成績評價強調過程與結果并重，改變以往以一次考試成績為主的狀況，將考核分散在教學過程的各個環節，考核體現線上、線下教學結合，課內與課外交流結合，繪圖理論知識與建模結合，課程建立過程跟蹤和效果反饋為核心的教學質量分析，對培養目標、能力達成度和實踐繪圖能力等方面進行總結，實現課程的持續改進，如圖2所示。

過程性評價涉及到教師的教學方法、學生的學習方式和學習效果等諸多因素，從這些因素的相互作用中來探索過程性評價方法和效果，從而建立一個科學、有效、可行的評價體系[8]。針對圖學理論知識仍然采用客觀答題為主，具體采用閉卷考核和線上評價結合的方式。網絡在線課程平臺通過線上測試可以有效進行過程評價，期末考試以筆試、閉卷考核方式進行。該部分的考核成績能夠客觀地評價學生的理論知識掌握情況，反映出學生的實際學習效果。

針對零部件結構常用表達、零件圖繪制和裝配圖讀圖等專項考核，以項目設計為主線，采用研討法和翻轉課堂組織教學。開放式大作業+課堂表現+項目答辯的考核方式是學生對所學圖學知識的綜合運用、設計思維和工程師素質的綜合展示，有效地評價了學生語言表達能力、自主學習能力、團隊協作能力等。

二、教學資源建設

（一）一站式在線課程平臺

建立了線上線下工程圖學教學新模式。利用精品課、慕課、試題庫等在線教學資源，實現線上和線下相結合的學習方式，建立豐富的課堂結構模式，如圖2所示。線上與線下教學相輔相成，學生有效利用線上資源，拓展學習時空的同時獲取能力提升，形成良好的學習習慣。

以學生為中心的線上教學一站式平臺，匯集教師的全部教學資源和學生的教學活動，作為評價依據的學習數據得到準確記錄，并能夠通過數理統計獲得學生的學情反饋，教師教學有抓手，學生進步有依據。學生在多元化的模式下掌握教材內容的知識點，在工程案例和評述的過程中總結教學方法，提升工程素養。

（二）典型零部件測繪、拆裝實驗室

在工程實踐中，以機械認知教育為拓展目的，以典型的機械裝置為測繪對象，通過多元化的測繪對象訓練，獲得學生實踐能力的提升。測繪對象和方式的多樣化，也將改變學生缺乏興趣，照抄圖紙的現象。在測繪過程中適當引入PBL（Problem Based Learning）教學法，該教學法是以問題為導向、學生為參與主體，以培養學生能力為目標展開教學。測繪實踐活動可以讓學生在學習中獲得成就感，前期學習的基礎知識和繪圖技巧可以學以致用，還可以激發學生的創新激情，通過拆卸實踐，實際的觸感與思想上的對比認知能夠讓學生對機械產生深刻概念，對結構的用途、材質、加工方法、傳動方式和裝配等，建立知識體系，為后續的學習積累創新潛能。

“工程圖學”課程是引導學生認識工程和走入工程的橋梁，肩負著培養學生工程意識、工程素質等多項能力的入門課程。本次課程改革對教學內容、教學設計、考核機制等進行了全面改革，并且建立了一站式在線課程平臺和零部件測繪、拆裝實驗室，形成了具有“新工科”特色的工程圖學新的課程體系，它從根本上將“以教師為中心”單頻道輸入的課堂變成“以學生為中心”互動氣氛濃厚的鮮活的課堂，該教學體系實踐了兩年，雖然還沒有達到一個實踐周期（四年），但從學生的學習熱情、過程考核成績、綜合測繪、問卷調查等方面可以看出，這套教學體系極大地激發了學生參與的熱情和對未知探究的欲望，有效地培養了學生的設計表達能力、創新能力和人文素質，為他們未來的人生發展奠定了堅實的基礎。

參考文獻：

[1]黃曉明，許國良，王曉墨，等.工程熱力學課程改革如何適應“新工科”建設[J].高等工程教育研究，2019（S1）：99-101;107.

[2]胡國寶，戴銳.地方高校“新工科”人才培養的應然定位、實然困境與必然選擇[J].黑龍江高教研究，2019，37（3）：156-160.

[3]楊蕊，曹喜承，杜秀華，等.以工程實踐為導向的工程圖學課程教學模式的探索[J].科教文匯（下旬刊），2021（2）：70-71.

[4]晏群，劉念舒.工程制圖課程教學內容與體系的教改實踐與思考[J].浙江工業大學學報，2000（S1）：6.

[5]孫康寧，于化東，梁延德.基于新工科的知識、能力、實踐、創新一體化培養教學模式探討[J].中國大學教學，2019（3）：93-96.

[6]李慶豐，袁明月.工程教育互動式教學法研究：基本概念、應用現狀及改進策略[J].黑龍江高教研究，2018，36（5）：137-141.

[7]欒英艷，王迎，何蕊.新工科背景下工程圖學課程改革研究[J].圖學學報，2020，41（1）：164-168.

[8]郭艷，李宏，李寬彪.工程認證背景下工程圖學的教改探討[J].時代教育，2017（5）：3-4.