智能制造背景下“機械制圖”課程重構

蘇文桂

（廣西大學機械工程學院，廣西 南寧 530004）

0 引言

智能制造是工業化與信息化深度融合的產物。隨著中國智能制造戰略的大力推進，數字化、智能化轉型已成為制造企業的主要發展趨勢[1]。在2021世界智能制造大會上，中國工程院院士周濟指出人才是智能制造發展的第一資源[2]。智能制造需要具備家國情懷、科學精神、創新能力、大工程觀的交叉復合型人才。高校是智能制造人才培養的第一陣地，課程是高校人才培養的核心要素，高質量的課程是實現智能制造人才培養的現實支點。

“機械制圖”課程是高校工科各專業的核心基礎課程，培養學生運用投影原理和國家標準繪制和理解工程圖樣，運用形體表達方法進行復雜機件的工程表達；培養學生發現、解決問題的創新思維和綜合能力，適應復雜多變的工程需求。授課對象為大學一年級學生。本文對標智能制造人才培養需求和當前“機械制圖”課程教學痛點，探索“機械制圖”課程教學改革。

1 智能制造背景下機械制圖課程面臨的機遇與挑戰

1.1 產品表達的方式發生了變化

工程圖是工程界交流的語言，在整個制造過程中起著至關重要的作用，要實現智能制造，首先需要實現產品的數字化設計。傳統的制造業中產品的設計過程采用“二維設計-二維表達”設計方式，二維工程圖是傳遞設計信息的載體和工具。設計人員將產品的三維構思采用適當的表達方式設計出二維工程圖。在制造單元，加工制造人員通過二維工程圖樣了解設計要求，還原出的三維模型進行產品制造。在智能制造背景下，數字與智能貫通設計與生產制造的每一環節，傳統設計方式改變為正向設計，工程表達從二維向三維轉變。數字化設計制造環境下，設計和制造過程采用“三維設計-二維表達”、“三維設計-三維表達”的方式，三維幾何模型信息貫穿產品全生命周期，工程圖的內涵不再局限于二維圖紙[3]。傳統的“機械制圖”課程教學從投影理論開始，著重講授二維制圖，再從二維圖樣延伸至三維建模，教學內容不能很好地適應智能化設計和制造的要求。

1.2 智能制造需要高質量的人才推動

中國工程院院士周濟指出：智能制造人才隊伍大而不強，特別表現在富有創新精神和創新能力的智能制造人才隊伍建設上，這是我們的短板和劣勢。智能制造的“人-信息-物理”系統中，制造是主體、智能是主導、人是主宰。推進發展智能制造，最根本的要靠“人”，智能制造人才為本[2]。在制造產業智能化升級過程中需要具備社會責任感、扎實基礎理論、復雜問題處理能力、自主學習能力、科學思維和創新能力的人才。傳統的“機械制圖”課程以課堂為主、教學方式偏重灌輸，以理論授課為主，學生缺乏主動性與參與性，教學評價方式單一，評價過程強調結果，忽視發展和變化的過程。教學缺乏創新，不能滿足新時代制造人才培養需求。

現代智能技術的發展推動傳統工科向新工科轉變。面對技術引發的變革，作為工科生接觸的第一門專業基礎課的“機械制圖”課程，如何變革以滿足培養制造業轉型升級的智能制造人才的需要，支撐我國邁向制造強國，是人才培養的挑戰。

2 “機械制圖”課程重構

針對目前“機械制圖”課程中存在的課程內容針對性、時效性不強、教學方式創新不足、教學評價不能很好地激勵學生自主學習等問題，對標智能制造人才培養需求和專業認證的畢業要求，以服務智能制造人才培養為目標，對課程目標、教學總設計等進行統籌規劃，支撐人才培養從傳統知識進階型向工程能力提升型轉變。

2.1 課程目標設定

課程目標是確定課程內容、教學目標和教學方法的基礎。根據學校的辦學定位、專業的人才培養需求，“機械制圖”課程堅持“知識傳授、能力培養、價值塑造”三位一體現代化人才培養目標，以學生發展為中心，通過價值引領、知識探究、能力建設培養學生空間思維能力、創新能力和工程意識。課程目標具體描述如圖1所示。

圖1 課程目標

2.2 教學總體設計

秉承“以學生為中心”的教學理念，以提升學生科學精神、創新能力為核心，注重線上線下教學資源的優質性與適用性，運用數字化教學工具展開兩性一度、應用型和復合型新工科教育，從教學資源建設、教學內容重構、教學方式創新、教學評價重建和課程思政建設5個方面構建思政教育和專業教育有機結合的教育新形態。課程教學總體設計思路如圖2所示。

圖2 機械制圖教學總體設計

2.2.1 課程知識重構

作為工科的技術基礎課程，表達工程中的立體是“機械制圖”課程的根本任務。為適應智能化設計對圖學課程的要求，對教學內容做相應的調整，在保持傳統的基礎上，與時俱進。對傳統的圖學內容做適當的取舍，精簡畫法幾何部分內容，刪減點線面相對幾何關系、面面交線等內容，降低尺規繪圖訓練，同時增加徒手繪圖訓練，增加三維建模的表達。圖形認知的結構層次從三維到二維、從整體到局部、從實際工程到幾何抽象。

2.2.2 課堂重組

改變以教師為中心的教學模式，打破灌輸式的教學模式，采用線上線下相混合的“翻轉課堂”教學模式，將教學活動劃分為“課前、課中、課后”三個基本教學階段，培養學生的自主學習能力和終生學習的素養。

課前預習階段主要以線上精品課程MOOC學習為主，由學生自主學習方式完成，解決學生的基本概念構建問題和學情分析。

課中根據學生學習數據分析，加強啟發式、討論式、研究式教學，避免重演繹推理、輕歸納綜合，突出對學生創新思維和創新意識的素質培養。通過測繪綜合實訓培養學生解決問題的能力，強化學生的高階思維能力。

課后實現個性化學習從而達到知識遷移。學生可以繼續利用在線資源學習，鞏固知識點，完成作業。通過課后學生作業等數據分析進行及時總結與反饋，動態調整學生線上預習內容。學生將學習中發現的疑難問題通過在線工具進行發布，教師和其他學生均可以進行疑問解答與相關問題的討論，深化對教學內容的理解。

2.2.3 教學資源拓展

線上學習資源整合及應用實現了學生個性化學習。采用中國大學慕課網國家精品慕課天津大學的“工程圖學”、西安交通大學“工程圖學解讀”、大連理工大學“現代工程制圖”等課程作為理論模塊學習的線上參考資源。學生可以利用豐富的線上資源，進行立體化的學習，豐富了學習的途徑和手段。在課程中引入虛擬教學環境促進了學生探究性學習。借助機械工程學院的國家級實驗教學示范中心的資源，建立虛擬模型庫、虛擬加工、零部件裝配庫。數字化新形態教材建設與使用促進了學生的自主學習能力的培養。

2.2.4 課程思政建設

在課程思政建設綱要指導下，結合課程特點和價值理念，以課程專業內容為載體，從社會責任、家國情懷、工匠精神、探究創新、標準意識、團隊合作等幾個方面深入挖掘課程蘊含的思政元素，提升課程價值內涵。通過多渠道、多形式線上線下相結合開展課程思政建設，線上推送思政學習小視頻，PPT集合思政要素，線下師生共建思政案例庫，形成了全時空的課程思政教學體系。

2.2.5 課程評價

根據課程定位與目標，除了針對知識能力的考核，考核體系還包括了課前課中課后教學全過程和思政育人效果的追蹤式檢測。采用過程性考核+終結性考核相結合的評價方法，強化學生自主學習與協作學習過程中的表現，課程思政學習納入考核評價體系。采取多元化評價機制，定量評價與定性評價相結合。終結性考核的評價主體是教師，而過程性考核采用了多評價主體的考核方式。多評價主體的考核方式包含教師評價、自我評價和學生互評的多評價主體。總成績中期末考試為終結性考核，占比60%，平時作業、測驗、測繪、思政、平時表現計入過程性考核指標，占比40%，課程成績組成如圖3。

圖3 課程成績組成

3 教學實踐與成效

新的“機械制圖”課程知識體系以培養正確的空間思維、構型思維為課程的主要任務。傳統的圖學基礎理論采用點線面體的知識主線。新的機械制圖內容體系以“三維設計表達”為主線，形成三維構型-投影制圖-三維設計的內容體系。從三維實體的構成分析入手，通過觀察零部件三維模型建立產品的結構形狀概念，再學習投影理論，解決空間形體的二維表達和由二維圖形重新構造三維形體問題。新的內容體系符合現代圖形學發展趨勢，同時能幫助學生更深入的理解、認識形體，更有助于空間思維能力的培養。強化的徒手繪圖和三維產品建模的訓練，更貼近現代工程實際中產品設計和表達需求。

3.1 課程構建了教和學的新生態

傳統的“機械制圖”課程課前預習主要是通過課本預習，預習的效果無法評定和監控。課堂采取大班授課，以教師為核心，教學互動形式以課堂提問為主，課堂的活躍度不高，學生的參與性不強。課后的學習主要以課后作業形式來完成。成績的評定以期末考試占70%，平時成績占30%。平時成績以課后作業完成度為主要評定方式，無法有效激勵學生課外自主學習。教師和學生的交流方式通過固定時間地點現場答疑。

在新的教學模式下，依托多種信息化手段，建設線上線下混合式教學過程，做到課前有準備，課中有收獲，課后有拓展。學生的預習通過線上慕課、移動式自主學習系統、新形態教材等完成，通過教學工具推送預習任務，教師可以通過線上教學工具線上監控預習任務的完成效果。線下課堂中，教師回顧課程知識點改為線上課堂前測，學生的預習、復習效果得到驗證，為線下教學活動提供指導。課程教學中，由于部分基礎的教學內容提前到了課前的慕課，課堂中有更多的時間進行以練代講、小組探究，課堂互動性增強。采用多種方式活躍課堂氣氛，教學工具隨機點名，課堂分組每次隨機，促進學生的合作能力。課后課堂實錄上傳至線上，基礎差的學生可以重復觀看。課后除了傳統的作業外，還增加了增強習題微課。對于學有余力的學生，可以自主選擇觀看拓展的習題微課，打造課程的高階性。教師和學生的交流方式也從單一的現場答疑轉變為了QQ群+MOOC平臺+現場，教和學構成了良性的循環和互動。課程成績評定降低了期末考試成績所占的比重，增加了平時成績占比。平時成績中強化了學生課前、中、課后綜合的學習表現。慕課學習、互動答題、小組討論等學習數據都由教學工具記錄作為成績評定的依據，評價更具科學性與激勵性。從線上線下的學習數據與評價反饋來看，學生普遍對知識掌握有所提高，課堂互動性變強，學生的提問從廣度和深度上都有所提升，提高了“教”與“學”的效率。

3.2 學生創新能力增強，人才培養質量提升

在教學中不斷滲透工程意識和培養團隊精神，搭建了系列測繪與拆裝、系列大賽與認證為載體的創新實踐平臺。通過鼓勵學生參加教育部和中國圖學學會組織的創新大賽和成圖大賽，開闊學生視野，厚實了學生基礎知識和提高了工程素養。近5年來，機械制圖教學團隊指導本科生發表論文31篇，其中中文核心期刊25篇；獲授權發明專利42項，授權實用新型專利3項；學生獲國家級學科競賽獎6項，省區級74項，獲獎學生人數400多人；本科生主持創新實踐項目國家級大學生創新計劃項目7項，省區級18項。

3.3 學生對課程滿意度不斷提升

從學生的評教結果來看，學生對課程滿意度較高，任課教師教學質量綜合評價優秀。學生對將課程知識與課程思政融合的教學效果與教學方法均給予正面評價，學生認為將課程知識點與愛國主義、傳統文化進行融合，不僅有利于他們更好地理解知識要點，同時對自己樹立正確的人生觀與價值觀，以及對進一步強化愛國主義、民族精神，提升職業素養有著積極的激勵意義。

4 結語

課程改革通過MOOC教學、智慧教學環境下的合作教研、優質教學資源共享共建、創新平臺建設等豐富的方式，初步形成了常態下滿足不同能力水平學習群體學習需求差異化的教學設計與實施方案。新形態的教學模式發揮了良好的示范作用，教學效果明顯提升，學生的思想政治素養、學習能力、創新能力得到有效提高。后續繼續探索應用新的教學方法與手段，更注重學生探究、創新能力的提高和價值觀的塑造，更好地服務于智能制造人才培養。