新工科背景下機械制圖課程綜合改革探索

賈涵杰　何澤銀　王正倫　梁棟　羅召霞

摘 要：新工科建設(shè)是我國在當今世界新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革形勢下工程人才培養(yǎng)改革的重要部署，開創(chuàng)了我國工程教育的新路徑。機械制圖是高等院校機械類專業(yè)的一門核心基礎(chǔ)課程，兼具較強的理論性和實踐性。由于傳統(tǒng)機械制圖教育未能很好適應(yīng)培養(yǎng)創(chuàng)新型卓越工程科技人才的新工科建設(shè)需求，本文從教學理念、教學內(nèi)容、教學手段三方面介紹了我院機械制圖課程綜合改革的探索過程，可為其他兄弟院校的機械制圖課程改革提供參考。

關(guān)鍵詞：新工科 機械制圖 工程教育專業(yè)認證

1 引言

當今世界正在經(jīng)歷新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，綜合國力的競爭愈加激烈，為應(yīng)對金融危機挑戰(zhàn)、擴大實體經(jīng)濟、搶占未來全球創(chuàng)新生態(tài)的制高點，主要發(fā)達國家都將重振制造業(yè)作為優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略目標。為應(yīng)對新的國際形勢，我國政府發(fā)布了《中國制造2025》，制定了制造強國建設(shè)的戰(zhàn)略部署，促使從制造大國向制造強國轉(zhuǎn)變[1]。高等教育水平是一個國家發(fā)展水平和發(fā)展?jié)摿Φ闹匾獦酥荆こ探逃c產(chǎn)業(yè)發(fā)展緊密聯(lián)系、相互支撐。新工科建設(shè)是為響應(yīng)制造強國戰(zhàn)略需求，支撐服務(wù)新經(jīng)濟蓬勃發(fā)展，突破核心關(guān)鍵技術(shù)所開展的高等工程教育改革。2017年2月，教育部發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》，指出發(fā)展建設(shè)新工科要圍繞新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新體系開展[2]。隨后，《復旦共識》《天大行動》《北京指南》的新工科“三部曲”，標志著中國的新工科建設(shè)從思想到行動，已正式拉開帷幕。

新工科建設(shè)以互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)智能為核心，創(chuàng)新性地優(yōu)化工程技術(shù)人才培養(yǎng)體系，一方面是新建包括大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、區(qū)塊鏈、虛擬現(xiàn)實、空天技術(shù)等領(lǐng)域的新工科專業(yè)，另一方面是以智能建造、智能制造、云計算、人工智能、機器人、智能醫(yī)學等新技術(shù)驅(qū)動傳統(tǒng)工科專業(yè)升級改造[3]。前者指一個全新的領(lǐng)域，后者指傳統(tǒng)工科專業(yè)的理念、內(nèi)容、標準、方法技術(shù)都需要更新改造。機械制圖作為所有機械大類學生的專業(yè)核心基礎(chǔ)課，它是工程教育的基礎(chǔ)，必須開展理性自覺的教學改革，以適應(yīng)新工科背景下對課程教學的新要求。

2 新工科對機械制圖教學提出新要求

新工科對機械制圖教育提出了新要求，具體體現(xiàn)在以下四個方面：

（1）對機械制圖教學內(nèi)容提出了新要求。在工業(yè)4.0和互聯(lián)網(wǎng)+的時代背景下，數(shù)字化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化等新趨勢給工程設(shè)計方式帶來革命性的變革，用人單位對畢業(yè)生的制圖技能提出了更高要求，傳統(tǒng)的機械制圖教學內(nèi)容已不能滿足新工科建設(shè)的新要求。

（2）對制圖知識與其他機械課程的交叉融合提出了更高要求。機械制圖涉及生產(chǎn)過程方方面面的知識，如金屬材料與熱處理、公差與配合、機械加工工藝、機械設(shè)計等領(lǐng)域的初步知識。新工科建設(shè)需要打破不同課程之間的壁壘，以問題為導向加強機械制圖與相關(guān)課程的交叉融合。

（3）在機械制圖教育中需更加注重培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和實踐能力。新工科建設(shè)是高等工程教育應(yīng)對國家制造強國和創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展的改革行動計劃，它所培養(yǎng)的人才應(yīng)該具有較強的創(chuàng)新思維和實踐應(yīng)用能力，能夠推動我國新經(jīng)濟、新產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，增強我國在相關(guān)領(lǐng)域的國際競爭力。

（4）提高機械制圖對解決復雜工程問題能力的支撐作用。隨著我國加入《華盛頓協(xié)議》，如何提升學生解決復雜工程問題的能力已成為高等工程教育關(guān)注的重點。機械制圖的學習應(yīng)使學生養(yǎng)成嚴謹、嚴肅、嚴格、嚴密的工程素養(yǎng)，獲得準確交流設(shè)計思想的溝通能力，而這些素養(yǎng)和能力在解決復雜工程問題中將起到基礎(chǔ)性和關(guān)鍵性的作用。

3 機械制圖教學現(xiàn)狀分析

3.1 教學理念陳舊

要滿足新工科建設(shè)背景下工程科技人才培養(yǎng)的新需求，作為機械制圖教師必須首先改變認識、革新教學理念。傳統(tǒng)的機械制圖課堂以教師為中心，老師滿堂灌，學生被動學，不利于激發(fā)學生學習的主動性[4]；傳統(tǒng)的機械制圖教學以完成知識體系講授為目標，較少關(guān)注學生工程能力的獲得情況；傳統(tǒng)的機械制圖課程建設(shè)取決于教師的個人素質(zhì)，對教學效果的持續(xù)改進缺乏制度性保障。

3.2 教學內(nèi)容局限

工程科技人才需要具有很強的實踐動手能力，在傳統(tǒng)的機械制圖教學體系下，教學內(nèi)容與工程實踐脫節(jié)較大，缺乏最新的工程應(yīng)用案例，學校教學與企業(yè)需求依然存在差異[5]。目前，我校的《機械制圖A》課程分兩個學期進行學習；大一上學期40個理論學時外加8個實踐學時，主要學習投影關(guān)系和制圖規(guī)范；大一下學期24個理論學時外加8個實踐學時，主要學習零件圖與裝配圖相關(guān)內(nèi)容。實踐學時的教學方式為上機練習，主要通過抄圖讓學生實踐和鞏固理論課學習的知識點，以及熟悉CAD軟件的操作環(huán)境。學生剛開始學習CAD軟件時興趣都比較高，但隨著對軟件操作逐漸熟悉，簡單的抄圖無法進一步激發(fā)學生的學習興趣和創(chuàng)造力。總的來說，傳統(tǒng)的實踐教學安排，理論學時偏多，實踐學時偏少，理論性、概念性、規(guī)范性的內(nèi)容偏多，實際應(yīng)用性的內(nèi)容偏少，尤其缺少將制圖知識與機械設(shè)計融合的內(nèi)容。同時，大一年級新生大多數(shù)沒有實地參觀過機械制造企業(yè)，對機械制造業(yè)缺乏感性認識，不利于學生深刻理解課程內(nèi)容。

3.3 教學手段單一

當代大學生思想活躍、個性鮮明，有著較強的求知欲和表現(xiàn)欲，對傳統(tǒng)的教師講授學生接受的教學模式認同感較低，渴望與教師之間的互動[6]。在傳統(tǒng)的教學模式下，機械制圖技能的傳授主要依靠課堂，受課堂條件限制，教學手段主要以PPT、視頻以及板書為主，采用以教師為中心單向傳授知識的方式，課堂互動性較差，不利于學生展現(xiàn)個性、發(fā)揮主動性，學生學習效率較低。

4 機械制圖課程綜合改革措施

4.1 教學理念與時俱進

我國已是《華盛頓協(xié)議》正式成員國，構(gòu)建了具有中國特色以及國際實質(zhì)等效的工程教育專業(yè)認證體系，但工程教育專業(yè)認證仍需實現(xiàn)從“形似”到“神似”的轉(zhuǎn)變[7]。實現(xiàn)轉(zhuǎn)變的前提之一是要讓新的教學理念在一線教師中形成廣泛共識和深刻認識。為此，機械制圖教研室每月組織一次教學研討例會，通過案例分享、交流討論不斷加深對“學生中心、成果導向、持續(xù)改進”三大教學理念的理解。同時，學校和學院層面還通過職稱政策、績效政策引導老師進行教學改革研究，使新的教學理念入腦入心。最后，我們制作并采用了統(tǒng)一的畢業(yè)要求支撐度及課程目標達成度分析工具，并將這兩項指標的分析過程以及根據(jù)分析結(jié)果撰寫的持續(xù)改進報告作為課程歸檔的必須材料，使課程續(xù)改進工作得以制度化、標準化。

4.2 教學內(nèi)容緊追前沿

機械制圖教研室結(jié)合多年教學實踐經(jīng)驗，分別從教材建設(shè)和實踐教學改革兩個方面解決教學內(nèi)容局限的問題。在教材建設(shè)方面，為了順應(yīng)時代潮流培養(yǎng)具有國際視野的工程科技人才，教研室正在編寫機械制圖中英文雙語教材，并且邀請了資深的企業(yè)專家參與雙語教材的工程案例庫的建設(shè)。新教材將體現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+教材”和“數(shù)紙融合”等理念，以立體動畫、行業(yè)典型前沿應(yīng)用、企業(yè)專家談工程、相關(guān)知識點關(guān)聯(lián)與應(yīng)用等更加豐富的底層內(nèi)容呈現(xiàn)。

在實踐教學改革方面，我們保留了大一上下學期各8個學時的學時安排，但實踐內(nèi)容從原來簡單地運用CAD軟件進行抄圖練習，改為了“三維轉(zhuǎn)二維”的表達方案練習，以及“二維轉(zhuǎn)三維”的小組大作業(yè)。在三維轉(zhuǎn)二維訓練中，學生通過掃碼使用手機查看零件三維模型，查看零件時可以對其進行任意角度的旋轉(zhuǎn)，然后選擇合適的表達方案并遵循相關(guān)國家標準繪制二維零件圖，如圖1所示；在二維轉(zhuǎn)三維中訓練中，已知機械產(chǎn)品的裝配圖和零件圖，學生以小組分工合作的方式，分別完成零件三維建模和產(chǎn)品虛擬裝配，通過實踐教學改革試點，發(fā)現(xiàn)這類有挑戰(zhàn)的實踐內(nèi)容更能激發(fā)學生的學習興趣，課后提問的同學對傳統(tǒng)班明顯增加。

4.3 教學手段靈活多樣

為了充分發(fā)揮學生的個性，做到因材施教，機械制圖教研室經(jīng)過多年持續(xù)改進，形成了豐富的線上教學資源，采用線上線下混合式教學模式，并大力開發(fā)第二課堂，為學有余力的同學提供進一步提高和展示自己的機會，使得機械制圖學習在學生中形成話題，進而塑造比學趕超的良好氛圍。

采用線上線下混合式教學模式是為了幫助教師高效地實現(xiàn)教學目標。新工科背景下的機械制圖課程，不僅要訓練學生讀圖與繪圖的能力，并且還要激發(fā)學生的專業(yè)興趣，培養(yǎng)學生的工程素養(yǎng)與解決復雜工程問題的能力。這些教學目標的實現(xiàn)，需要使學生對機械設(shè)計/制造過程具有感性認識，對機械與環(huán)境/安全關(guān)系具有初步意識，對學科前沿熱點擁有了解，并擁有足夠嚴格的制圖訓練，進而形成嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度和對機械專業(yè)的熱愛。為了在學時不增加的前提下實現(xiàn)這些目標，必須采用線上線下混合式教學，并注重精略結(jié)合。線上部分注重知識面寬而新穎，作為教室學習的補充主要用于發(fā)布學習任務(wù)、提供學習資源；線下部分則注重師生互動，主要用于項目研討和疑難精講，隨堂檢查學生的學習效果，解答學生學習過程中的疑問。

開發(fā)第二課堂可以幫助優(yōu)秀的學生進一步發(fā)揮個性，實現(xiàn)從優(yōu)秀到卓越的轉(zhuǎn)變。在新工科建設(shè)的大背景下，我們需要大量高素質(zhì)的工程科技人才，提高學生培養(yǎng)質(zhì)量一方面要提高培養(yǎng)的整體質(zhì)量，另一方面也要提高頭部學生的培養(yǎng)質(zhì)量。機械制圖教研室采用以賽促學，依托“全國大學生先進成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模創(chuàng)新大賽”，先在學院組織海選擴大參與面，報名海選的學生都利用課余時間參加教研室組織的統(tǒng)一集訓，集訓題目的難度及強度均大于正常教學環(huán)節(jié)。最終，通過統(tǒng)一集訓，學生整體的制圖水平有了提高，特別是參加了省賽和國賽的同學，經(jīng)過自身的主動學習和刻苦訓練，制圖技能和軟件技能均已比較出眾，并在本科階段后續(xù)的“互聯(lián)網(wǎng)+”大賽及各種創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中均表現(xiàn)出較好的工程素養(yǎng)和解決問題的能力，能夠通過嚴謹?shù)乃伎歼M行合理的機械設(shè)計并準確地表達自己的設(shè)計意圖。

5 結(jié)語

機械制圖是未來工程科技人員不可或缺的重要基礎(chǔ)技能。新工科建設(shè)對機械制圖教育提出了新要求，本課程面向全體機械大類學生，是大學生最先接觸的專業(yè)基礎(chǔ)課，并承載著對學生建立工程概念的啟蒙。本次改革基于新工科建設(shè)需求，從教學理念、教學內(nèi)容、教學手段三方面展開，其根本目的是要培養(yǎng)適應(yīng)時代需要的高素質(zhì)工程人才。

基金項目：重慶交通大學教學改革研究基金資助項目《“新工科”建設(shè)背景下以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心的機械制圖課程教學改革研究》（項目編號：2103025）。

參考文獻：

[1]李剛， 秦昆， 萬幼川. 新工科背景下遙感實驗教學CDIO-OBE模式改革[J]. 測繪通報， 2019， No. 507（06）： 140-145+151.

[2]教育部高等教育司. 關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知[EB/OL]. （2017-02-20） [2019-04-29]. http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/tongzhi/201702/t20170223_297158.html

[3]黃云清. 基于新工科理念推進大學數(shù)學教學改革[J]. 中國大學教學， 2020， No. 354， No. 355（Z1）： 28-31.

[4]宋小軍. 機械制圖教學中學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J]. 內(nèi)燃機與配件， 2021， No. 325（01）： 224-225.

[5]劉錦榮. 《機械制圖》教學須適應(yīng)企業(yè)需求[J]. 科技創(chuàng)新導報， 2019， 16（31）： 220-221.

[6]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（01）： 164-168.

[7]李志義， 趙衛(wèi)兵. 我國工程教育認證的最新進展[J]. 高等工程教育研究， 2021， No. 190（05）： 39-43.