新工科背景下非機械專業工程制圖教學探索

趙德勝 屈軍鎖

(西安郵電大學自動化學院,陜西 西安 710121)

以大數據、云計算、人工智能技術為代表的新一輪技術革命正在推動產業變革，各領域技術交叉疊加，為教育事業發展帶來了更多可能和創新發展機遇。當前教育改革面臨著技術疊加、產業革命和中華民族偉大復興的多重背景，要求新工科教育要面向未來、主動作為、積極謀劃。非機械專業工程制圖教學也應該順勢而動，了解新工科最前沿知識和最新發展方向，豐富非機械專業工程制圖教學實踐，實現教學手段和方式再深化、再拓展、再突破，在提升教學質量的同時，適應時代奔騰發展的浪潮，為產業變革和技術發展輸送優質人才。

1 新工科背景下非機械專業教學的邏輯基點

新工科背景下，非機械專業教學要兼顧四方面內容：充分考慮新工科背景下非機械專業教學鮮明的工科教育屬性和高等教育屬性；非機械專業教學要滿足新工科課程體系改革的總體要求，充分發揮非機械專業的教學特點；非機械專業教學要適應當前新工科課程改革的現實變化，滿足未來行業和產業發展的時代要求；機械專業教學既要借鑒國外先進經驗，也要結合我國非機械專業學生的實際情況。在明確上述四點要求基礎上，能夠進一步厘清新工科背景下非機械專業教學的基本邏輯。

1.1 理論邏輯：通識教育與專業教育相結合的跨學科教學

新工科主要包含以互聯網和人工智能為核心的智能科學與技術、云計算、大數據、區塊等相關工科專業。與傳統工科專業相比，智能科學與技術、智能制造、人工智能、機器人更具有鮮明的時代屬性，屬于對傳統工科專業的改造升級。未來隨著產業融合推進，必然會出現新產業、新模式和新業態[1]。這一背景下，就需要創造能力更強，實踐能力更強，兼具國際視野的復合型新工科人才。同時，非機械專業教學也要充分考慮到新工科所帶來的深刻影響。新工科自出現以來，就帶有鮮明的跨界融合和學科交叉特點，非機械專業教學改革也會受到新工科潛移默化的影響。因此，在非機械專業教學體系建設過程中，應將通識教育與專業教育有機結合，提升學生培養的系統性和全面性。通識教育主要包含學科專業基礎課程和通識基礎課程；專業教育則包含本專業的核心課程和專業拓展課程[2]。根據非機械專業工程制圖教學的目的和要求，工程制圖屬于必修專業基礎課程。從范圍上看，應屬于通識教育領域。但從專業背景考慮，需要學生掌握基本工程制圖技巧，具備繪圖和看圖能力。工程制圖作為通識教育與專業教育相結合的跨學科課程。在教學過程中，一方面，強調工程制圖教學的交叉性，作為通識教育與專業教育有機融合的結果，通過課程教學能夠促進相關知識一體化，有助于提升學生知識融合能力，有助于提高人才培養效果。另一方面，有利于通識教育課程與專業教育課程建設，在教學過程中實現二者優勢互補，讓學生在掌握知識過程中加深對國家制圖標準的理解，提升學生對現代信息技術背景下繪圖技術的交叉融匯能力。

新工科背景下，非機械專業教學本身就具有非常強的跨界和跨學科屬性。因此，在教學過程中不僅會涉及理工、工程等自然學科知識，還會涉及藝術、思維等人文社會科學知識。工程制圖是新工科建設背景下非機械專業學生必須掌握的重要課程之一，這一課程教學充分體現以新工科為代表課程教學的跨學科思維和屬性。要求教師在工程制圖相關課程教學過程中既要培養學生的問題發現能力、分析能力和解決能力，也要培養學生的價值觀感知、觀察、分析、判斷能力，實現學生工程思維和工程知識的有機融合，讓學生更好掌握工程制圖的核心要領，敢于打破傳統邊界限制，有能力、有勇氣應對復雜工程制圖問題。新工科背景下，非機械專業工程制圖教學應以新工科為底色，對課程建設和教學設計進行優化和完善，不脫離工程制圖實際，也不進行空洞的理論講解。通過工程制圖教學，培養學生工程設計思維，并以工程設計為作為核心培養學生的想象力、鑒別力、創造力、設計能力和思維能力，引導學生對工程制圖有更為深刻的思考，形成工程設計思維。

1.2 實踐邏輯：理論課程與實踐課程相結合的多面向教學

當前部分非機械專業教學對于專業基礎課程還存在“重理論、輕實踐”的共性問題，由于理論學習和實踐環節缺少有效銜接，造成了部分學生理論學習不扎實，實踐能力不達標的困境。新工科背景下，有必要通過理論課程與實踐課程相結合方式，構建多面向教學體系，提升學生的理論學習效果和實踐創新能力。工程制圖具有鮮明的操作性和實踐性特征，這就要求教師在教學過程中突出教學內容的實踐屬性[3]。具體遵循的實踐邏輯有：第一，善于借助現代信息技術和先進的教學方式，對教育資源進行有效整合，實現理論課程和實踐課程的有機匹配，制定科學合理的工程制圖實踐課程比例。第二，明確提出工程制圖課程實踐要求，包含與工程制圖相關聯的實踐課程實施方式和所需要的課時數，保障工程制圖實踐課程在總學分中的占比。第三，在工程制圖課程模塊教學任務完成之后，應有相對應的實踐操作環節，要求學生在掌握工程制圖理論基礎知識之上，通過對相關知識的交叉復合應用，增強學生理論與實踐的融會貫通能力。第四，除了必要的驗證性實驗之外，還應該增設研究性實驗和設計性實驗以及綜合性實驗，使學生能夠對工程制圖學習內容進行創造性應用，加深學生對工程制圖相關理論和實踐操作的系統性和整體性把握。第五，加大對工程制圖教學資源投入，滿足學生對工程制圖課程實踐教學的現實訴求。新工科教育是面向未來的工程教育，是對傳統工程教育范式的創新升級，這也對非機械專業學生的課程建設和人才培養方案、培養模式、培養標準提出了新的要求。通過工程制圖課程讓學生加深對新工科的理解，將品德培養、知識培養、能力培養、技能培養融入到課程體系建設之中，通過理論與實踐相結合的方式，讓學生加深對看圖和繪圖基本知識的理解，同時善于挖掘課程內容的素質教育內涵和外延，提升學生的空間想象能力和抽象思維能力。

2 新工科背景下非機械專業工程制圖教學的現實難點

2.1 理論與實踐相結合：“學什么”的核心問題

第一，理論課程內容與實踐聯系不緊密或缺乏及時、有效銜接。盡管有一些學生在工程制圖學習中，掌握了牢固的理論知識，但一到實際應用，便不知如何下手，存在看不懂圖、畫不出圖、畫不對圖的困境。存在這一問題的原因中，一方面是由于教師沒有給學生提供足夠的實踐機會，學生較少接觸實際生產中的圖紙，也沒有為實際生產繪制過零件圖。并且由于學生對課程缺乏了解不知道如何學習該課程，只是套用其他理論課程的學習方法學習工程制圖。這使得在工程制圖的教學中，理論和實踐嚴重脫節。另一方面是由于各種原因導致課時太少，并且理論教學部分占據了絕大部分教學課時，導致講解零件圖等面向應用的教學內容時課時更少，使學生對這一部分內容學習得不深入，甚至沒學懂，成為走馬觀花式教學。導致學生看圖、繪圖時看不懂、畫不出、畫不對。因此造成學生對學習內容一知半解，無法學以致用。

第二，實驗課沒有真正發揮理論和實踐的橋梁作用。造成這種現象的原因是實驗課和理論教學脫節，二者沒有很好的相互融合。在一些沒有機械專業的高校中，這一現象尤為突出。因為各種原因此類院校的工程制圖課發展慢，落后社會需求，對實驗課重視程度不足，所用繪圖軟件長期使用二維繪圖功能。工程制圖是一門內容比較抽象的課程，需要學生具備較強的空間思維能力，但是空間思維能力短期內難以培養起來，因此，在講課時，經常出現教師聲嘶力竭、理屈詞窮。當前社會中，三維繪圖已經非常普遍。三維繪圖功能以其強大的視覺沖擊，憑借直觀、方便的優勢特征深受繪圖者喜愛。隨著計算機軟件技術的發展，一些三維建模軟件如UG、SolidWorks、CATIA等逐漸成為繪圖行業的主流，現代設計的基本過程就是首先運用CAD軟件進行產品的三維實體造型，并進行裝配以及運動仿真，最后直接把三維模型轉換并繪制成符合要求的二維工程圖，極大地提高了作圖效率[4]。這是現代圖學發展的必然趨勢，也是數字化機械產品設計和制造對工程制圖教學提出的要求。而如果只是講解空洞的理論，勢必會影響學生的學習興趣。

2.2 如何做到學以致用：“怎么教”的關鍵問題

工程制圖課時有限，并且幾乎每個學期因為假期原因至少放棄一次教學安排。如何科學安排課堂教學內容成為教師的必選項。往年，有的教師把CAD教學內容壓縮或者把教材中后面的教學內容壓縮。以上壓縮的內容全部是實踐性很強的課程內容，這樣會影響課程實用性教學效果。如果壓縮前面的理論教學部分，理論學習是課程學習的基礎，如果學生對理論沒學懂，對后面的學習效果影響很大。 在實際教學工作中，有的教師把實驗課放在課程最后，這樣實際不能很好地發揮實驗課的作用。如果把實驗課程和理論教學穿插在一起，有可能使理論教學不系統不連貫。并且，理論教學中，剖視圖和零件圖部分需要在最后才講解，如果過早融入CAD軟件，學生可能看不懂零件圖，導致三維建模失敗。因此，CAD如何與理論教學相結合成為一個問題。此外，現行的工程制圖考試方式還是沿用過去的筆試考核形式。通常，一些高校對非機械專業學生的工程制圖的教學要求稍有放松，其課程考核大部分采用筆試的方式。對于軟件操作部分，筆試考試不能準確反映學生的操作水平。由此也造成學生對軟件學習積極性不高，實驗課不認真操作軟件。因為這部分內容不考試。因此，非機械專業的學生也需要上機操作以考核其軟件操作水平。學以致用是教學的核心問題，這一核心思想也應貫徹到教學的各個環節，觀照現實，目前在工程制圖教學中，在內容選擇、課時安排、考核評價等環節均存在不同程度的問題。

3 新工科背景下非機械專業工程制圖教學的實踐探索

3.1 工程制圖教學的具體做法

首先，重新編排教學內容。根據教師的教學經驗嘗試把學生容易理解的內容和非教學重點進行壓縮或合并講解。教師在講課時根據自身具體情況，可嘗試多種方式將CAD融入工程制圖課堂教學。本文作者在講完繪制立體三視圖后，隨后安排講解CAD繪圖[5]。在理論教學過程中，對于復雜零部件在課堂上用軟件演示，并要求學生自己動手操作。實踐證明，學習效果很好，學生學習興趣提高，期末考試成績不及格率下降，比賽成績有所提高。把比賽或教師課題中典型案例融入課堂，從而提高教師講課水平，豐富課堂知識。工程制圖教學大部分學校教師都是沿用前人的教學案例，由于內容更新不及時，逐漸影響了學生學習興趣的提高。因此，教師需要把一些自己的課題中的經典案例帶入課堂進行嘗試。把以往教師做過的課題，可以作為課堂例題進行講解，也可以通過作業的形式布置給學生。

其次，利用三維繪圖功能可以幫助學生理解抽象的繪圖理論，使空洞的理論形象化、真實感化[6]。如果將CAD軟件的講解和應用融合在制圖理論講解中，就會使抽象的概念變得具體化、可視化。工程制圖課程中出現的所有零部件或相貫線習題實例都可以由學生自己構建模型，將零部件各個細節用三維建模軟件直觀地展現在學生面前，使用圖物對照，做到以物代言，不僅極大地簡化了教師對抽象理論的講解，而且使學生很方便地通過三維實體學習復雜組合體各基本體之間的組合關系，加速了學生空間概念的形成，能夠極大地提高學生的學習興趣，提高課堂教學效率。因此，培養學生認識和使用三維建模軟件既是一種時代發展需要也是教學改革的需要。只有提高學生對該課程的學習興趣，提高學生的學習主動性和積極性，才能從根本上改變學生由“要我學”轉變為“我要學”的學習狀態。只有糾正學生在工程制圖課程學習中錯誤觀念，增強對本課程的學習興趣，從思想上解除學生的學習障礙，才能為以后的學習打下良好基礎。

再次，組織學生參與工程制圖相關比賽。學科競賽緊跟社會需求，準確把握學科發展方向，通過學科競賽可以彌補教學與社會需求的差距。組織學生參加各級競賽，不僅可以為學生搭建一個展示個人才能的平臺，而且還可以提升學生技能創新水平，擴大學生知識面。參加制圖競賽是一次工程實踐直接檢驗工程制圖課堂學習水平的考試，它將檢驗課堂學習水平和教師講課水平[7]；提升學生分析問題和解決工程問題的思考能力及技能，可以提高學生的空間想象力和繪圖、讀圖的實踐能力，促進學生更積極的學習工程制圖，激發學生參與教學和師生互動的熱情及求知欲，培養學生的學習興趣，強化培養學生的工程實踐能力、創新能力和可持續發展能力。在教學改革與實踐過程中，將工程制圖教學與競賽緊密結合，以賽促學，以賽促教，效果突出。比賽結束后，帶領學生認真總結，主要是總結比賽對學習的促進作用，總結如何學賽結合、學用賽結合。總結學生在比賽中的失誤，讓學生養成工作認真、重視細節的好習慣。在平時對參賽學生培訓時，注意對于制圖相關知識的講解，盡量講解機電結合的知識，以擴大學生知識面，這一點從已畢業學生的反饋情況來看，效果比較好。在組織校賽過程中，盡可能多的組織較多學生參加比賽，讓更多學生了解比賽，學習一些在課堂上沒有講到的與實踐緊密相關的知識，以便增強其實踐能力。

最后，選擇部分學生參與教師的橫向課題或指導學生參加大學生創新創業項目。通過讓學生參與一些與繪圖相關的課題，使學生認識和了解到制圖在解決工程問題中的作用。使學生認識到機電結合、機電耦合等并行設計和綜合設計的重要性，有助于培養學生的工程能力[8]。為了解決教師課題不足的問題，一是采用簡單的活復雜著干，一人的活多人干、重復干的模式，以便讓更多學生參與到課題中來。并且讓學生相互討論，尤其是要和沒有參與課題的學生一起討論。以上對學生參與課題的方式盡管增大了人力成本，但對學生的促進作用是明顯的，并且也擴大了課題的影響范圍。二是在沒有課題時，把往年課題拿出來讓新學生重新做一遍，但是需要用不同的方法來完成。這種方法也有一定的作用。另外，邀請已經畢業的學生通過微信群等方式，讓他們現身說法，現場回答學生問題。也能在一定程度上幫助學生解決工程制圖在以后工作中的作用問題。

最后，改革或調整課程考核方式。首先，在筆試部分，可以把教師課題或比賽題目作為考試內容。這樣可以使試題具有新穎性，擴大了考試題庫。其次，增加軟件操作水平考試。以往的課程考試全部采用筆試的形式，這對繪圖軟件來說不太合適，不能反映學生的軟件操作水平，也就是不能反映學生學以致用的能力。通過增加上機考試，避免了學生因為不考試而帶來的消極上實驗課的問題。而且使學生軟件操作熟練度增加，可以繪制復雜的三維圖形，有利于課堂上復雜零件的講解。

3.2 工程制圖教學的效果評價

通過以上教學方法的改進和實施，從思想上解決了學生“為什么學習”工程制圖的問題，使學生重視學習并認真掌握制圖基礎知識和技能，提高工程意識和創新意識。針對學生工程制圖學習缺乏主動性積極性為研究對象，通過提高學生對課程學習的興趣提高了學生在學習中的主動性和積極性，從而實現了變被動為主動，使學生由“要我學”轉變為“我要學”。不僅提高了學生的學習效果，還有助于減輕教師的教學負擔，提高教師教學積極性。較好地實現了把學生對工程制圖的學習由“教師驅趕型”轉變為“興趣吸引型”。通過上述具體做法的落實，教師的講課水平得以提高，其直接表現是學生對教師講課的受歡迎程度得以提升。

綜上，新工科背景下，迫切要求創新非機械類專業教學，針對當前在工程制圖教學中的理論與實踐聯系不緊密導致學生的學習困境和效果不佳的實際問題，一方面，需要重點解決“學什么”的問題，即圍繞新工科發展理念和具體思路更新課程內容，增加與時代發展和社會實踐緊密相連的教學案例。另一方面，教師首先要明確“怎樣教”的問題，增強問題意識，結合新工科背景下對于工程制圖的影響，提高課程本身的適應性，探索學以致用的教學方法和策略，如模型構建、學科競賽、創新創業項目開發等，通過不斷豐富教學內容、方法、形式、手段以及評價機制，為工程制圖教學創新的落地提供建設性方案。