職業能力導向的工程圖學課程教學創新設計

丁 頌,張照焓,竇傳蕊,巢陳思

(長春師范大學工程學院,吉林 長春 130032)

創新驅動發展,實施“中國制造2025”,讓中國從制造大國邁向制造強國行列,對新工科專業尤其是機械工程專業大學生職業能力的培養提出了更高的要求[1]。為主動應對新一輪科技革命和產業變革的挑戰,服務國家戰略和區域發展需求,推動新工科建設再深化、再拓展、再突破、再出發,2014年起,教育部組織企業支持高校開展產學合作協同育人項目。政府搭臺、企業支持、高校對接、共建共管共享,推進行業人才進校園、企業需求進課堂,深化高校和企業聯合培養機制,積極探索形成中國特色、世界水平的工程教育體系,建設工程教育強國[2-3]。以新理念、新標準、新模式、新方法、新技術、新文化為特征的新經濟模式下,傳統產業轉型升級,新興產業將成為主導產業。智能制造中不斷涌現出復雜工程問題,對新工科工程教育尤其是機械工程教育培養適應未來新興產業和新經濟需要的實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型新工科人才提出了更高的要求。工程圖學是機械工程專業的基礎課程,學生所學的技術技能貫穿整個職業生命周期。面向新工科建設,亟須匹配適用有效的課堂教學方法。

1 工程圖學課程教學現狀

中國高等工程教育從1895年起步階段開始,可劃分為起步、重構、調整、擴張、創新五個階段,工程教育課程的發展劃分為小規模通用型工程教育、小規模急需專業型工程教育、重基礎科學教育、通識教育與基礎科學教育并重、回歸工程教育五個階段[4]。2013年末,中國工程教育進入創新階段,強化分類培養和分類指導,作為機械工程專業全生命周期基礎課程的工程圖學,問題逐漸凸顯。

1.1 教學內容陳舊

工程圖學是機械類專業的機械基礎類課程。經過工程教育百年的深耕和幾代制圖人的不斷打磨、優化,工程圖學課程中的每個案例都非常典型。案例中充分展現了點、線、面、體、常用件、標準件及裝配的基本理論知識,符合我國工程教育擴張階段實情,為國家培養了一大批工程人才。2013年,教育部和中國工程院印發《卓越工程師教育培養計劃通用標準》[5],標志著我國工程教育進入創新階段。經濟建設與社會的飛速發展,要求工程教育與時俱進。然而,工程圖學課程中的案例對新產業發展帶來的新結構、新工藝和新知識的更新滯后,嚴重影響工程教育培養與復雜工程問題解決的有效銜接。

1.2 教學方法僵化

以機械工程專業為例,工程圖學課程一般包括畫法幾何、機械制圖、計算機二維繪圖、計算機三維繪圖、機械制圖課程設計等五部分。其中,畫法幾何、機械制圖部分實行理論教學,在多媒體教室進行;計算機二維繪圖、計算機三維繪圖部分實行計算機技能操作,在計算機室進行;機械制圖課程設計部分實行實踐測繪,即在實驗室對齒輪油泵、減速器等裝配體的零部件進行測繪,在繪圖室進行。通過MOOC、SPOC、微課等信息化教學手段,開展翻轉課堂,課堂教學效果獲得顯著提升。但教學實踐顯示,信息化手段過度使用會導致“課堂灌輸”轉為“視頻灌輸”,重理論傳授而輕實踐創新探究,無法達到生生、師生充分互動,無法實現深層次的技能訓練。

1.3 教學評價單一

工程圖學課程中的畫法幾何、機械制圖理論環節將習題、繪圖作為學生課后作業,教師對作業進行批閱,在課上講解難點、易錯點,將課后作業完成情況、聽課及回答問題表現作為20%～30%的平時成績計入總成績,其余成績通過期末試卷進行考核。計算機二維繪圖、計算機三維繪圖環節將計算機繪圖練習作為課后作業,最后一次課要求學生完成一項計算機繪圖任務,教師根據學生的完成質量進行賦分。機械制圖課程設計環節要求學生通過拆裝實驗室齒輪油泵、減速器等裝配體,對零部件進行測量,查閱標準件,繪制非標件零件圖和裝配體的裝配圖。教師對學生的圖紙進行批閱,答辯時根據提問常規問題、圖中錯誤判斷學生對知識的掌握情況,為學生賦予五級制成績。在工程教育擴張階段,該方法能有效地評價學生對理論知識的掌握情況。但是隨著學生獲取信息途徑的多元化,教師對學生進行單向的評價方式會不知不覺走入同質化泥潭,無法適應工程教育創新階段的多樣性和個性化人才培養需求。

2 相關概念厘定

2.1 職業能力

職業能力是個體從事某種職業活動的多種能力的綜合,直接影響職業活動效率和職業心理特征,可分為一般職業能力、專業能力和職業綜合能力。一般職業能力主要包含一般的學習能力、語言運用能力、人際交往能力、團隊協作能力、對環境的適應能力、良好的心理承受能力等。專業能力主要指從事某一職業的專業能力。在求職過程中,招聘方最關注的就是求職者是否具備勝任崗位工作的專業能力。例如,應聘機械工程師崗位,招聘方最看重的是學生是否具備獨立繪圖識圖能力。職業綜合能力主要包括運用工具、外語、計算機等跨職業的專業能力,收集、篩選信息及獨立決策的能力,人際交往、團隊溝通的社會能力,誠實守信、愛崗敬業的個人素養等。

2.2 對分課堂

對分課堂的核心理念是一半課堂時間教師講授,一半課堂時間學生討論,講授與討論時間錯開。考核方法強調過程性評價,關注學生個性化需求。在教師講授時間內,教師介紹知識框架、基本概念,著重講授重點難點及前沿技術,單向講授,不組織討論,不覆蓋細節。學生討論時間與教師講授時間錯開一周,學生選擇自己最合適的時間去理解、吸收教師講授的內容。討論環節,學生以小組為單位,互相答疑、互相提問、互相啟發。對于疑難問題,全班討論,教師引導總結。同一教學內容,經過教師講授、課后學習、分組討論三個過程,以過程評價為引導,不斷強化學生學習的自覺性、積極性、獨立性,使學生對知識、技能的理解程度逐步加深。

2.3 “引—講—練—評”教學模型

“引—講—練—評”教學模型由“引”(內容引入)、“講”(精講留白)、“練”(零件測繪)、“評”(三次點評)四個教學環節構成。模型在理念上強調學生“學到了多少”“掌握了多少”“內化了多少”,教學目標明確清晰,符合中國工程教育創新階段人才培養需求。教學方法上要求學生主動討論式學習,并通過過程評價對學生的學習信息實時反饋,有利于學生及時調整學習方法和學習態度。教師及時調整后續教學環節,促進教學目標的順利達成。

3 “引—講—練—評”教學設計

“引—講—練—評”教學設計遵循學生中心(SC)宗旨,按照成果導向(OBE)要求,堅持持續改進(CQI)機制的原則,利用對分課堂、形成性評價,開展“引—講—練—評”教學實踐,如圖1所示。

3.1 “引”——內容引入

通過引入環節讓學生快速了解課堂主題,激發學生學習興趣。將課程教學團隊教師主持和參與的國家自然科學基金項目、吉林省科技發展計劃項目、企業技術攻關項目,以及教師指導的大學生創新創業訓練計劃項目中的新技術、新思想作為引入案例,使大學生通過科研創新成果洞見前沿,通過創新創業成果感受創新。在引入機械工程領域最新發展動態和前沿技術的同時,講好科研創新的中國故事,激發學生的求知欲。例如在講授零件圖的技術要求時,帶領學生觀看《大國重器》關于中國鏡面加工技術突破的視頻,結合“風云衛星掠入射鏡正樣的研制開發”項目,提出如下問題:為提高掠入射鏡的面形精度和表面粗糙度值,如何設計加工用裝夾模具?模具工程圖上標注的技術要求作用是什么?這些問題高度契合零件圖上的技術要求,能夠激發學生探究科學的好奇心和內生動力。

3.2 “講”——精講留白

本環節運用對分課堂教學模式,每次課2學時,其中,1學時用于教師精講留白,1學時用于學生研討、互評等。在精講留白環節,教師單向傳授,不組織討論、不提問,學生以聽講為主。教師通過前沿案例引入,吸引學生的注意力,重點講授課堂內容知識框架、標準件圖表使用方法、學習資源檢索、歸納整理方法、知識點在后續課程應用情況、知識技能在工作崗位上需求達到的標準等。學生課后根據教師的講解,利用視頻、課件、網絡學習資源等開展自主學習,學習具體知識點內容,理解知識、技能的具體應用,總結歸納學習過程中存在的問題。在學生研討、互評環節,教師觀察記錄學生研討情況,在下一節對分課堂中,教師針對學生知識運用情況進行教學內容調整,酌情強化學生掌握效果不佳和理解有困難的知識點。

3.3 “練”——零件測繪

本環節在課后完成。學生根據自己預約的時間安排進入全天開放制圖室進行練習。練習過程分三個階段:第一階段,測繪實驗室常規教學模型。學生完成零部件測量、工程圖繪制后,與標準圖紙對比,理解知識,查缺補漏。第二階段,測繪近三年從企業收集的不合格零部件。學生根據零部件模型,查閱機械設計手冊等相關資料,還原模型,繪制正確的工程圖。第三階段,教師指導學生參與創新項目,研討零部件樣機、三維模型等,拓展學生的零部件工程圖表達思路。三個階段逐級遞進,提升學生的繪圖、識圖能力。

3.4 “評”——三次點評

本環節分為組內互評、組間互評、教師點評。組內互評在課前完成,小組成員對圖紙進行互審、互問,完成對工程圖表達的規范性和知識點的理解、運用。組間互評分為兩部分——組間互審和組間問答,在對分課堂第一學時進行,教師進行觀看、引導、記錄。教師點評在組間互評結束后進行,教師選有代表性的1～2組圖紙,從圖紙規范性、問題針對性、回答準確性、表達流暢性等方面進行點評,肯定優點,指出不足和改進方向。每張圖紙需要通過三次審核:第一次為組內審核,審核人將問題逐條描述并簽名,然后返回繪圖人修改,由繪圖人逐條回復,對有歧義的地方進行小組討論;第二次為組間審核,審核人將問題逐條描述并簽名,然后返回繪圖人修改,由繪圖人逐條回復,對有歧義的地方進行班級討論;第三次為教師審核,教師根據前兩次審核情況,查看繪圖人的修改情況和組內審核人、組間審核人的審核意見,分別給繪圖人、第一次審核人、第二次審核人賦分。

4 “引—講—練—評”教學設計案例

4.1 設計案例

基于理實一體化課堂,結合教師科研、企業技術攻關、學生創新成果的案例資源,綜合工程圖學課程特點,開展基于職業能力導向的工程圖學“引—講—練—評”教學設計。表1呈現了以“支架類零件畫法與技術要求標注”為例進行的教學設計實踐過程。

表1 “支架類零件畫法與技術要求標注”教學設計實踐過程

4.2 形成性評價考核

遵循學生中心、成果導向和持續改進的原則,采用形成性評價模式,全過程考核五類零部件的測繪,其中軸套類零件占10%,輪盤類零件占10%,支架類零件占20%,箱體類零件占20%,裝配體占40%。對每類零部件圖進行三個階段測繪,每個階段分別占比該零件圖的60%、20%、20%。三次點評中,每張圖紙分值分配占比為:繪圖人80%、組內審查人10%、組間審查人10%。

5 結語

長春師范大學工程學院對基于職業能力導向的工程圖學課程教學設計進行了10年的探索與實踐。2017年,“現代工程圖學”獲批吉林省首批校企合作開發立項建設課程,初步形成了“引—講—練—評”教學模式。該培養模式解決了以往教學內容陳舊、教學方法僵化、教學評價單一的弊端,學生參與度更高,實踐技能培養更全面,理論知識和實踐技能有機融合效果更好。通過“引—講—練—評”教學模式培養的學生,近5年在全國大學生機械創新大賽、“中國互聯網+”大學生創新創業大賽、全國大學生機械產品數字化設計大賽等國家級賽場上獲獎30余項,在《機械》《現代機械》《機械工程與自動化》等期刊上發表學術論文70余篇,申請國家專利20余項。畢業生就業單位和研究生導師的反饋顯示,通過“引—講—練—評”教學模式培養的學生具有良好的表達能力和較全面的工程設計能力,具有較強的適應新環境的能力。