新工科背景下地方高校機械制圖課程教學改革探索

梁剛，孔金超，馬雄位，廖益孔

（貴州大學明德學院，貴州貴陽 550025）

自2016 年新工科概念提出以來，教育部組織各高校進行深入研討，形成了新工科建設的“復旦共識”“天大行動”“北京指南”，提出了我國工程教育發(fā)展的新模式、新方式。其內涵是：以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才[1]。2018 年6 月21 日，時任教育部部長陳寶生在新時代全國高等學校本科教育工作會議上提出，要提升大學生的學業(yè)挑戰(zhàn)度，合理增加課程難度、拓展課程深度、擴大課程的可選擇性，激發(fā)學生的學習動力和專業(yè)志趣，真正把“水課”變成有深度、有難度、有挑戰(zhàn)度的“金課”[2]。機械制圖是大部分工科專業(yè)必

修的技術基礎課程，主要培養(yǎng)學生制圖能力和識圖能力，同時培養(yǎng)學生嚴謹細致的工作作風、工程意識、貫徹執(zhí)行國家標準的意識，故機械制圖課程對于卓越工程師的培養(yǎng)具有極為重要的作用。在當前課時量逐漸縮減，而課程要求提高的情況下，對該門課程的教學改革勢在必行。已有研究提出，以市場、企業(yè)人才需求為導向，采用線上與線下融合的混合式教學模式、主動學習與協(xié)作學習融合的教學模式，以圖形表達為核心，以形象思維為主線，建立基于認識實踐的機械制圖教學環(huán)境和以工程設計為主線的機械制圖教學體系，以校企合作、學科競賽等方式激發(fā)學生的學習熱情[3-10]，進行教學改革，提升學生學習的興趣，提高學生繪圖、讀圖、獨立思考解決問題的能力。

1 貴陽信息科技學院機械制圖課程教學問題分析

貴陽信息科技學院是2021 年5 月由教育部批準設置的本科層次民辦普通高等學校，其前身是公辦院校的獨立學院。學校的辦學定位是培養(yǎng)應用型專業(yè)技術人才。目前貴陽信息科技學院大部分工科專業(yè)開設了機械制圖課程，其中機械設計制造及其自動化專業(yè)為112 學時，從大一開始，分上、下兩個學期講授，電氣工程及其自動化、計算機科學與技術、人工智能等專業(yè)為56 學時，開設1 個學期。該課程教學過程中主要存在下列問題：

（1）課程授課以課堂講授為主，授課形式單一，學生學習興趣不高。

（2）大班級授課，學生人數(shù)多，教師不能掌握所有學生的學習情況。普遍情況下，該門課程都是兩個班級同時上課，學生人數(shù)通常為90 至100 人，課堂上人數(shù)較多，教師不能兼顧所有學生，批改作業(yè)耗費大量的精力，且不能有效掌握每名學生的學習情況。

（3）授課課時縮減，但教學要求沒有降低，授課內容需要滿足教學大綱的要求，且不得低于教育部對該門課程的教學內容要求。課堂時間基本用于知識點的講解，課堂討論、習題講評較少，師生之間的交流較少。

（4）缺乏教學模型，教學過程中沒有實體的教學模型輔助教學，空間想象能力較差的學生難以理解復雜形體的特征。

（5）教材中各圖形案例常常是孤立的，學生不了解其在工程應用中的實際功能，缺乏學習興趣。

使該門課程成為“金課”，提高教學質量，提高考評難度，提出教學改革的思路、方法和具體措施，將學生培養(yǎng)成合格的工程人才，是課程教學改革面臨的主要問題。

2 教學改革的措施

根據(jù)新工科建設的內涵及要求，需完善“以學生為中心”的培養(yǎng)質量持續(xù)改進體系，完善學習目標、培養(yǎng)目標、培養(yǎng)方案、課程大綱、評價分析、課程品質報告、改進方案實施、更新學習目標的閉環(huán)質量持續(xù)改進體系[11]。課程的建設也要遵循這樣的閉環(huán)，持續(xù)提升教學質量。根據(jù)貴陽信息科技學院機械制圖課程的教學現(xiàn)狀及新工科的建設要求，提出教學改革思路：秉承以學生為中心的教學理念，進行空間思維能力、讀圖能力、制圖能力、工程意識、工匠精神和家國情懷的培養(yǎng)。為了解決課時不足、大班級授課、教師不能及時掌握所有學生學習情況的問題，采用線上線下混合式教學模式。課前，學生通過小視頻預習、完成視頻測驗；課中，教師根據(jù)視頻測驗的情況，重點講解易混淆、重難點內容，采用多媒體課堂、板書教學和翻轉課堂等多種教學形式，借助二維CAD 制圖軟件、三維建模軟件和3D 打印實物模型輔助教學；課后，學生完成課后作業(yè)，鞏固學習成果；同時教師進行過程考評，每章進行一次線上測評，期末成績中包含平時測評成績，綜合進行考評。

2.1 基于超星學習通的線上線下混合式教學平臺建設

目前，線上線下混合式教學大多采用翻轉課堂教學模式，通過搭建網(wǎng)絡教學平臺，錄制基于知識點的教學視頻，學生課前在線上學習相關基礎知識，教師課前了解學生線上學習情況，針對學生提出的問題，講解課程重點、難點和習題知識，同時進行交流、互動，將學生難以理解的問題講解清楚。要進行這樣的教學模式改革，首先要搭建線上教學平臺?；诔菍W習通的教學平臺包含資源、活動、管理、統(tǒng)計四個模塊。

資源模塊中以章節(jié)為核心，根據(jù)機械制圖課程教學內容，錄制每個章節(jié)的教學微視頻，創(chuàng)建檢驗視頻學習效果的小測驗，準備教學課件、章節(jié)復習題等資料，供學生瀏覽、復習?；顒幽K提供教學過程中簽到、選人回答問題、設計主題討論、問卷調查、課堂測試等課中活動。管理模塊主要提供班級管理、成績權重設計等功能。統(tǒng)計模塊提供實時的課堂報告、學情統(tǒng)計，進行學習監(jiān)控。線上平臺建設以章節(jié)視頻為重點內容，通過精選和錄制教學視頻，學生可以隨時隨地觀看教學視頻進行自學。同時錄制難度較大的習題解答過程視頻，學生可以在習題課后再次進行復習。

2.2 線上線下混合式教學設計

由于機械制圖課程的理論性和實踐性都較強，不是所有內容都適合進行線上教學。根據(jù)機械制圖課程的教學內容，重構每個章節(jié)知識點的教學方法和手段，如表1 所示。

表1 基于不同知識點的分類教學方法

針對每個章節(jié)的知識點，進行視頻測驗。所有的視頻測驗采用客觀題形式，由學習通平臺自動批改，不占用教師批改作業(yè)的時間。課堂上，教師根據(jù)學生的視頻測驗情況，選擇性講解重點和難點內容。為了使每位學生都掌握相關知識、具備制圖看圖的能力，對每個知識點分別采用不同的教學方法和手段。如國家標準的相關規(guī)定、正投影法、組合體的類型、軸測圖的分類、基本視圖、螺紋的要素、表面粗糙度等概念性的知識，學生通過微視頻的學習、課堂上的PPT 適度講解及課后習題的訓練即可掌握。在制圖基礎知識中，斜度、錐度、圓弧連接、平面幾何圖形的繪制部分要求學生掌握相應的繪圖方法，在授課過程中采用板書或CAD 繪圖工具，將繪圖過程詳細講解給學生，再通過習題和大作業(yè)的訓練，讓學生掌握復雜平面圖形的繪制方法和國標中的相關規(guī)定。在點、線、面的投影內容中，直線上的點、平面上的直線和點、換面法、三角形法求實長等內容是難點，教學中需采用多媒體加CAD 制圖相結合的方式，詳細講授繪圖步驟，使學生掌握相關作圖方法。立體投影、組合體投影和軸測圖等章節(jié)，除了采用微視頻+多媒體+CAD 制圖等教學方法外，還需采用三維建模軟件設計制作三維模型、3D 打印實物模型等輔助教學手段，增強學生空間想象能力的訓練。標準件與常用件、零件圖、裝配圖等章節(jié)基礎知識多，要求學生能夠將所學知識靈活應用到繪圖及讀圖過程中，培養(yǎng)綜合能力，故要將多媒體教學、CAD 繪圖、三維模型輔助教學、3D 打印實物模型輔助教學等多種教學手段相結合，提高學生的綜合素質。

2.3 強化課堂德育，推進課程思政建設

在機械制圖課程教學過程中，積極開展課程思政建設。課前，主講教師精心準備，充分挖掘課程的思政要素，精選課程思政案例素材，例如由執(zhí)行作圖的標準和規(guī)范引出要有規(guī)則意識，由作圖要表達完整性引出精益求精的工匠精神等。選擇講解與教學目標契合、與教學聯(lián)系緊密及學生感興趣的熱點問題。

2.4 三維數(shù)字模型輔助教學

三維數(shù)字化模型直觀性強、易于理解，三維模型和實體模型的輔助教學，能極大促進學生空間思維能力的訓練，增強學生的空間想象能力，提升學生的學習興趣。運用三維數(shù)字化軟件開展機械制圖課程教育，使學生在直觀與高效的課程中學習機械圖學知識，充分調動學生對機械制圖課程學習的積極性，運用三維數(shù)字化技術讀圖和畫圖，促使學生學習效果與能力的雙重提升[12]。針對不同的教學內容，創(chuàng)建相應的三維模型，例如創(chuàng)建棱柱、棱錐、圓柱、圓錐、球體等簡單立體三維模型，切割體和相貫體的三維模型，如圖1 所示。

圖1 立體三維模型

在教學過程中，對于簡單立體的投影，主要掌握簡單立體棱線及輪廓線的投影、立體上定點投影的表達方法。給出三維模型圖片后，大部分學生都能立即理解相關作圖方法，但是對于切割體和相貫體等，僅僅給出三維模型圖片，部分學生還是不能完整繪制出三視圖，特別是在習題練習過程中，出錯的概率較大。這些知識需要學生理解截交線和相貫線的形成及畫法。為了培養(yǎng)學生的制圖和讀圖能力，在課堂教學中，使用三維建模軟件，通過放大視圖、旋轉視圖、切換不同方位的視圖，更改模型顯示方法，如改為線框顯示等方法，使學生全面理解模型中線的投影。

2.5 3D 打印實物模型輔助教學

使用三維模型輔助教學，在教學過程中進行演示，雖然能幫助學生提高繪圖能力，但是對于大量的練習和習題作業(yè)，教師沒有時間一一講解，因此，通過3D打印制作教學和習題模型，將模型給學生實時觀摩、學習、拆解，通過實際的模型觀察，能極大提高學生繪圖和讀圖的能力。3D 打印模型具有成型快、成本低和重量輕的特點。引入3D 打印技術，將課程中的模型打印成實體，將其作為教具，增強學生的空間想象能力[13]。形成3D 打印模型庫，學生能夠參與設計、制作、裝配、原理分析的全過程，增強了學生的參與度和興趣，提高了教學質量[14]。在具體的模型打印過程中，主要打印了切割體、相貫體、組合體、機械零件等形狀較為復雜的模型，對于基本立體等較簡單的模型，通過三維模型和相關圖片即可清楚理解其結構，這部分模型不再打印。在做習題時，學生基于平面圖形進行圖形繪制，根據(jù)兩個視圖補畫第三視圖、補畫漏線等題目難度較大，對學生空間想象能力要求較高，對于這部分習題模型也進行了3D 打印，幫助學生理解相應的三維實體結構。部分3D 打印教學模型如圖2 所示。

圖2 3D 打印模型教學模型

2.6 重構教學內容

教材中各種類型的機件常常是孤立的元件，學生只能看懂零件的形狀、結構，對零件的功能、作用理解不深，通過結合工程中的實際案例更新部分教學內容，極大提高了學生的工程意識。減速器、閥門、泵體、氣缸、液壓缸等機件是機械工程領域常用的部件，繪制出它們的三維零件模型、裝配體模型及其爆炸圖模型，各種類型零件形狀、大小、功能、作用一目了然，學生從單個的零件讀圖和繪圖到理解它們在整個裝配體中的位置、作用，極大地提高了學習的興趣和積極性。直齒圓柱齒輪裝配體模型、爆炸圖模型、零件模型如圖3所示。

圖3 一級直齒圓柱齒輪減速器

3 教學評價及效果

從多維度進行課程考核評價，平時成績占40%，期末考試占60%，兩項之和構成期末總成績。平時成績由學生出勤率（10%），作業(yè)成績（20%），期中考核成績（10%）三部分構成。通過對比近兩年的期末考試成績，在考核難度不變的情況下，學生平均成績有較大提高。學生對機械制圖課程的興趣明顯提升。近兩年，學生積極報名參加全國大學生先進成圖技術比賽、全國三維數(shù)字化創(chuàng)新設計大賽、貴州省3D 打印創(chuàng)意設計大賽等相關學科競賽，獲得優(yōu)異成績，共獲得省級以上獎項17 項。

4 結語

通過超星學習通線上教學平臺與課堂多媒體教學相結合，建設線上教學資源，載入豐富的教學視頻，引導學生主動預習，課后復習，通過課堂精講重點難點，解決課堂教學學時少的問題。通過線上教學平臺統(tǒng)計功能，解決大班級教學不能掌握多數(shù)學生學習情況的問題。通過課堂板書和CAD 繪圖，讓學生理解繪圖過程的詳細步驟，以三維數(shù)字模型和3D 打印實物模型輔助教學，提高學生的空間想象能力、制圖讀圖能力，提升學生學習興趣。以學生為中心，多種教學手段相結合，讓學生在課程學習過程中實現(xiàn)繪圖、讀圖能力的提升，掌握各種復雜模型的繪圖和讀圖方法，為后續(xù)專業(yè)課程的學習及參加各種學科競賽打下堅實的基礎。同時，在教學中融入思政元素，在潛移默化中培養(yǎng)學生的工匠精神、家國情懷，達到立德樹人的根本目的。