熊志勇， 羅志成， 陳錦昌， 姜立軍， 鄧學雄， 劉 林， 陳熾坤

（華南理工大學設(shè)計學院，廣東 廣州 510006）

創(chuàng)新是一個民族進步的靈魂，是一個國家興旺發(fā)達的不竭動力。胡錦濤同志在十七大報告中首次把“提高自主創(chuàng)新能力、建設(shè)創(chuàng)新型國家”，確立為“國家發(fā)展戰(zhàn)略的核心，提高綜合國力的關(guān)鍵”，提出到2020年要將我國建設(shè)成為創(chuàng)新型國家。這就對高校特別是高水平研究型工科大學培養(yǎng)具有高素質(zhì)創(chuàng)造性的工程技術(shù)人才提出了新的任務(wù)和要求。培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維能力已成為高等教育改革的重要內(nèi)容，它也是工程圖學教育中的關(guān)鍵問題。工程圖學課程作為工科院校的一門量大面廣的技術(shù)基礎(chǔ)課，其主要任務(wù)是培養(yǎng)學生工程圖學素質(zhì)。工程圖學課程中創(chuàng)新思維方式的培養(yǎng)是學生工程圖學素質(zhì)教育的核心[1]，而形體的構(gòu)型設(shè)計是工程圖學思維方式培養(yǎng)的重要方法。

在教育部工程圖學教學指導委員會最新修訂的“本科工程圖學課程教學基本要求”中，明確提出了將“創(chuàng)造性構(gòu)型設(shè)計能力的培養(yǎng)”作為工程圖學課程教學任務(wù)和5個基礎(chǔ)之一，通過工程圖學課程學習培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和工程意識。新的教學理念對工程圖學課程體系、教學內(nèi)容改革、教學方法和教材建設(shè)提出了新的任務(wù)和要求。如何在新的教學理念下應(yīng)用現(xiàn)代化教學手段,培養(yǎng)學生形體構(gòu)型設(shè)計創(chuàng)新思維能力是工程圖學課程教學改革的一個熱點問題[2-4]。

我們依托國家級工程制圖教學團隊建設(shè)、國家級建筑制圖精品課程建設(shè)和廣東省教學研究項目“培養(yǎng)創(chuàng)新能力的工程圖學新體系的研究”，提出以構(gòu)型設(shè)計為主線培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維能力的工程圖學新體系的研究，旨在探索與實踐工程圖學課程以構(gòu)型設(shè)計為主線的課程體系構(gòu)建、教學內(nèi)容和教學方法的改革以及與之配套的教材建設(shè)，從而培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力。該研究為工程圖學課程教學改革指明了新的方向，其成果將為我國高校在新的教學理念下，培養(yǎng)學生形體構(gòu)型設(shè)計創(chuàng)新思維能力提供重要參考價值的教學實踐和有效途徑。

1 國內(nèi)外工程圖學教研情況

一些先進工業(yè)國家的工程制圖課程中，傳統(tǒng)的畫法幾何內(nèi)容及制圖技能的培訓所占的學時逐漸減少，取而代之的是加強了徒手草圖、三維建模和培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維的教學內(nèi)容[5-13]。例如，弗吉尼亞洲立大學工程技術(shù)學院的教學大綱中，有關(guān)二維和三維工程圖學課程的安排為：畫軸測圖、用繪圖軟件畫二維圖、用SolidWorks生成零件實體模型、由實體模型生成二維圖形等；澳汀德州大學工程設(shè)計制圖課在低年級開設(shè)，將實體建模作為該課程的核心，每周教學環(huán)節(jié)包括：講課，手繪草圖，計算機繪圖等3個環(huán)節(jié)；加州大學圣迭哥分校工程圖學課程教學中[14]，注重培養(yǎng)學生解決實際工程問題的能力和動手能力，實踐教學和課堂教學緊密結(jié)合，課堂教學內(nèi)容圍繞實踐教學項目逐步展開；路易斯安那州立大學則在圖學教育中引入角色扮演、腦力風暴和問題解決方法學，提高了學生設(shè)計創(chuàng)新產(chǎn)品的能力。上述這些學校的教學內(nèi)容都蘊涵著構(gòu)型設(shè)計的思想。

我國工程制圖課程教學改革主要經(jīng)歷了兩個階段：一是早期基本上沿用前蘇聯(lián)模式，以二維視圖作為形體表達的主要形式；二是 20世紀90年代，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展逐步深入，將計算機繪圖技術(shù)引入到工程制圖的課程當中，并逐步引人三維設(shè)計的手段來改革工程制圖的課程體系和教學內(nèi)容[15-17]。

然而，計算機繪圖的引入僅僅是對繪圖工具的改變，其對工程制圖課程體系、教學內(nèi)容的改變只是側(cè)重點上的變化，而不是根本的改革，也難以提高學生設(shè)計創(chuàng)新問題的解決能力。為此，新的工程制圖課程體系應(yīng)該注重培養(yǎng)形體構(gòu)型設(shè)計創(chuàng)新思維能力，讓學生在了解現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)與設(shè)計的基本知識的基礎(chǔ)上，能夠通過三維參數(shù)化特征造型軟件進行初步的構(gòu)型創(chuàng)新設(shè)計工作。

近年來，國內(nèi)一些高校對構(gòu)型設(shè)計在工程圖學課程中的應(yīng)用進行了一定的探索和研究。清華大學王濤[18]從機械設(shè)計方法學角度建立了一種面向計算機實現(xiàn)的仿生構(gòu)形設(shè)計方法，并從功能面、零件和機構(gòu)3個層次給予闡述；燕山大學趙炳利等[19]闡述了組合體構(gòu)形設(shè)計在現(xiàn)代圖學教育中的重要作用，并說明了在制圖教學中實施組合體構(gòu)形設(shè)計的方法及考評辦法；江南大學蔡小華[20]從培養(yǎng)學生的工程設(shè)計意識和創(chuàng)新能力的角度提出用動態(tài)思維方法培養(yǎng)學生的空間構(gòu)形能力開展了研究。但如何有效地培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性構(gòu)型設(shè)計能力、如何開展構(gòu)型設(shè)計訓練，目前還沒有形成一個完整的教學體系，也沒有一本以構(gòu)型設(shè)計為主線的，著重培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的工程圖學教材。

為解決上述問題，以陳錦昌為首席教授的工程制圖國家級教學團隊在全國率先開展了以構(gòu)型設(shè)計為主線的工程圖學課程新體系的研究[3]。

2 教學改革目標

現(xiàn)代工程圖學教育的基本出發(fā)點是培養(yǎng)、啟發(fā)人的創(chuàng)造才能。構(gòu)型設(shè)計教育是一種關(guān)于創(chuàng)造的教育。形體的構(gòu)型設(shè)計是創(chuàng)造性設(shè)計的重要表達形式，也是培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和工程素質(zhì)的關(guān)鍵?；趧?chuàng)新性構(gòu)型設(shè)計的工程圖學教學改革目標是：構(gòu)建適合培養(yǎng)學生創(chuàng)造性構(gòu)型設(shè)計能力和創(chuàng)新能力的課程體系以及與之相適應(yīng)的教學方法和教學評價體系。

構(gòu)型設(shè)計作為空間想象和創(chuàng)造性思維訓練的重要載體對培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維能力具有重要作用。在教學改革過程中，要以構(gòu)型設(shè)計為主線，突出培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維能力的基于創(chuàng)新性構(gòu)型設(shè)計的工程圖學新課程體系；以此為基礎(chǔ)，在教學實踐中采用基于任務(wù)驅(qū)動教學法培養(yǎng)學生創(chuàng)造性問題的解決能力。

3 教學改革內(nèi)容

3.1 教學體系的構(gòu)建

學生創(chuàng)造性構(gòu)型設(shè)計能力培養(yǎng)中突出的是學生三維形體的造型能力，這是學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要形式之一。這一能力在基于構(gòu)型設(shè)計的工程圖學課程中是通過不同教學內(nèi)容中多種構(gòu)型設(shè)計訓練、基于實例的創(chuàng)新設(shè)計理論方法訓練及計算機三維建模方式來完成的。工程圖學課程新教學體系如圖1所示。

本文提出以構(gòu)型設(shè)計為主線突出創(chuàng)新思維培養(yǎng)的工程圖學課程的改革是培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的一種對策，從而構(gòu)建出以構(gòu)型設(shè)計為主線的工程圖學課程的新體系。基于創(chuàng)新性構(gòu)型設(shè)計的工程圖學課程體系包括五大部分：圖學基礎(chǔ)與投影理論、構(gòu)型表達、計算機構(gòu)型基礎(chǔ)、機械工程圖樣和創(chuàng)新構(gòu)型綜合。

該課程體系減少了傳統(tǒng)的畫法幾何及制圖技能的培訓內(nèi)容，加強了徒手草圖、三維建模、構(gòu)型創(chuàng)新設(shè)計和培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維的教學內(nèi)容。這一新體系將有效地培養(yǎng)學生的工程圖學思維能力，提高學生的工程圖學素質(zhì)。

圖1 基于創(chuàng)新性構(gòu)型設(shè)計的工程圖學課程教學體系

3.2 教學評價

教學評價是發(fā)揮評價的教育功能的有效手段,其評價指標和方法對教學過程和教學活動起著導向、激勵和質(zhì)量監(jiān)控的作用。因此，構(gòu)建符合素質(zhì)教育要求、適合培養(yǎng)學生創(chuàng)造性構(gòu)型設(shè)計的能力和創(chuàng)新能力、具有教學改革特點的教學評價體系具有重要意義。我們注重建立“學習結(jié)果與學習過程并重的評價機制”的基本理念，實現(xiàn)評價目標多元化，評價手段多樣化、形成性過程評價和學生個體縱向評價并舉、定性評價和定量評價結(jié)合。

創(chuàng)新能力培養(yǎng)是在構(gòu)型設(shè)計創(chuàng)新思維反復訓練中逐步提高的。我們在教學活動中采用基于任務(wù)驅(qū)動的教學方法，充分調(diào)動學生的學習積極性，激發(fā)了他們的求知欲望以及分析問題、解決問題的能力。由于學生個體智力和非智力因素的差異性，他們對教學內(nèi)容的理解和掌握程度會有所差異，這就要求我們根據(jù)學生學習具有個體差異性的實際情況，建立了教學活動的自我矯正系統(tǒng)。

教學過程評價我們借鑒布盧姆(Benjamin S·Bloom)的教學評價理論，該理論從評價功能角度將教育評價分為3類：診斷性評價、形成性評價和總結(jié)性評價。我們在教學過程中，教育評價不再延用過去依據(jù)期末測試成績進行等級劃分或選拔評價，而是注重形成性過程評價，來適應(yīng)并培養(yǎng)每個學生的創(chuàng)新思維能力。教學評價基本過程如圖2所示。

圖2 教學評價基本過程

由于注重形成性評價，及時反饋與矯正，也注重心理因素的重大作用，充分體現(xiàn)了教學過程的積累效應(yīng)和期待效應(yīng)。通過診斷性評價、單元（課時）形成性評價和階段終結(jié)性評價以及它們之間的相互轉(zhuǎn)化，使教學自始至終形成了一個“閉合的螺旋式”教學自我反饋矯正系統(tǒng)，為學生創(chuàng)設(shè)一種激勵性評價機制，這有利于激發(fā)學生的潛能和培養(yǎng)學生的形體構(gòu)型設(shè)計創(chuàng)新思維能力。

4 教學改革實踐

在教學改革實踐中，構(gòu)型設(shè)計的教學貫穿在工程制圖課程教學的各個教學環(huán)節(jié)中，突出造型創(chuàng)新設(shè)計的教學與訓練，并與構(gòu)型創(chuàng)新輔助工具集和計算機三維建模與表達相結(jié)合，體現(xiàn)創(chuàng)新性構(gòu)型設(shè)計的特點。為保證教學改革的順利實施，我們從教學資源建設(shè)、教學方法與教學過程設(shè)計、教學評價等多方面進行改革和完善。

4.1 教學資源建設(shè)

通過前期教學研究實踐，我們構(gòu)建了突出學生創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)的以構(gòu)型設(shè)計為主線的工程圖學課程具有特色的新體系；編制基于構(gòu)型設(shè)計創(chuàng)新思維培養(yǎng)的工程圖學課程講義和教學大綱；開發(fā)了部分創(chuàng)新設(shè)計理論方法工具集，用于輔助學生創(chuàng)造性構(gòu)型方案生成。目前，本教學團隊在陳錦昌教授的倡議和大力支持下，正著手根據(jù)已有材料編寫出版基于構(gòu)型設(shè)計創(chuàng)新思維培養(yǎng)的工程圖學課程教材；同時，繼續(xù)開發(fā)構(gòu)型創(chuàng)新輔助工具集輔助學生構(gòu)思創(chuàng)意方案，進一步完善課程教學資源，如網(wǎng)絡(luò)課程、模型庫等的建設(shè)，提供豐富的素材給教師用于課堂教學，有效地提高教學效率和教學質(zhì)量。

4.2 教學實踐

工程圖學課程新體系中突出創(chuàng)新思維培養(yǎng)，構(gòu)型設(shè)計訓練是構(gòu)型設(shè)計教學中的一個重要環(huán)節(jié)。在教學中我們精心制定每一知識結(jié)構(gòu)的構(gòu)型設(shè)計目標，并設(shè)定一定的約束條件，使構(gòu)型設(shè)計隨著制圖課程的展開與深入，為學生所掌握，達到培養(yǎng)學生創(chuàng)造性構(gòu)型設(shè)計能力和創(chuàng)新能力的目標。

我們以中青年教師為主體，2008年在非機械類專業(yè)（生物醫(yī)學、材料化學和金屬材料等）工程制圖教學中引入了任務(wù)驅(qū)動教學法講授產(chǎn)品創(chuàng)新方法和構(gòu)型設(shè)計思想，以課程設(shè)計的方式讓學生以小組為單位設(shè)計創(chuàng)新產(chǎn)品，并以各種方式呈現(xiàn)個人創(chuàng)新構(gòu)思，其他學生以腦力風暴方式提出建議和意見，任課教師最后點評設(shè)計方案。教學過程中，我們注重形成性評價，及時反饋與矯正，通過診斷性評價、單元（課時）形成性評價和階段終結(jié)性評價以及它們之間的相互轉(zhuǎn)化，培養(yǎng)每個學生的創(chuàng)新思維能力。通過這種教學模式提高了學生主動學習的積極性、培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新思維能力，并產(chǎn)生了一批可申請專利的創(chuàng)意方案，目前該教學實踐仍在進一步推廣，期望能為其他工科院校工程圖學教學改革提供參考與借鑒。

5 結(jié)束語

這一新的基于創(chuàng)新性構(gòu)型設(shè)計的工程圖學課程體系以培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維能力為目標，打破了長期以來傳統(tǒng)工程制圖課程以二維繪圖設(shè)計為主的課程體系。在課程的內(nèi)容體系上結(jié)合當前工程制圖的教學改革成果，突出“以構(gòu)型設(shè)計為主線”，引入三維CAD和基于實例的創(chuàng)新設(shè)計理論方法的內(nèi)容，并采用基于任務(wù)驅(qū)動的教學方法和適合培養(yǎng)學生創(chuàng)造性構(gòu)型設(shè)計的能力和創(chuàng)新能力教學評價體系，能很好的培養(yǎng)學生的形體構(gòu)型設(shè)計創(chuàng)新思維能力。

[1]童秉樞, 高樹峰. 談工程圖學教學中學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J]. 工程圖學學報, 2008, 29(6): 1-6.

[2]王秀英, 白海英, 張秀芝. 面向創(chuàng)新人才培養(yǎng)的工程圖學綜合實踐[J]. 工程圖學學報, 2009, 30(5):148-152.

[3]陳錦昌, 陳熾坤, 鄧學雄, 等. 基于構(gòu)型設(shè)計的工程圖學教學體系的探討[J]. 工程圖學學報, 2006, 27(5):130-132.

[4]鮑雨梅, 姜獻峰, 李俊源, 等. 著眼于創(chuàng)新思維培養(yǎng)的工程圖學教學改革[C]//第 1屆中國圖學大會,2007: 463-466.

[5]Graham M, Slocum A, Moreno S R. Teaching high school students and college freshmen product development by deterministic design with PREP [J].Journal of Mechanical Design, 2007, 129(7): 677-681.

[6]Reid B. Effects of industrial experience and coursework during sophomore and junior years on student learning of engineering design [J]. Journal of Mechanical Design, 2007, 129(7): 662-666.

[7]Dym C L, Agogino A M, Eris O, et al. Engineering design thinking, teaching and learning [J]. J. Eng.Educ., 2005, 94(1): 103-120.

[8]Clough G. Educating the engineer of 2020: adapting engineering education to the new century [R].Washington, DC: National Academy of Engineering,National Academy Press, 2005.

[9]Liu Z, Schonetter D. Teaching creativity in engineering [J].International Journal of Engineering Education, 2004,20(5): 801-808.

[10]Sorby S A, Baartmans B J. The development and assessment of a course for enhancing the 3-D spatial visualization skills of first year engineering students [J].J. Eng. Educ., 2000, 89(3): 301-307.

[11]Bruce W F. Visualization, Intuition and mathematics as predictors of undergraduate engineering design performance [J]. Journal of Mechanical Design, 2007,129(7): 735-743.

[12]Kazerounian K, Foley S. Barriers to creativity in engineering education: a study of instructors and students perceptions [J]. Journal of Mechanical Design, 2007, 129(7): 761-768.

[13]Devendorf M, Lewis K, Simpson T W, et al.Evaluating the use of digital product repositories to enhance product dissection activities in the classroom [J].Journal of Computer and Information Science in Engineering, 2009, 9(12): 1-8.

[14]毛文武. 美國加州大學圣迭哥分校工程圖學課程教學研究[J]. 工程圖學學報, 2007, 28(5): 172-177.

[15]戴立玲, 盧章平. 工程圖學與基本 CAD 應(yīng)用技術(shù)融入式教學體系的研究探討[J]. 工程圖學學報,2006, 27(6): 116-120.

[16]張學忱, 陳錦昌. 三維工程圖學課程和教材的研究與實踐[J]. 工程圖學學報, 2009, 30(5): 139-143.

[17]李 麗, 賈 雨, 曾 兵. 現(xiàn)代工程制圖教學內(nèi)容改革的探討與實踐[J]. 高等教育研究, 2001, 17(4):53-54.

[18]王 濤, 滕東興, 童秉樞. 構(gòu)層次上仿生型構(gòu)形設(shè)計系統(tǒng)的研究[J]. 機械科學與技術(shù), 2003, 22(4):653-655.

[19]趙炳利, 任玉波, 賈春玉, 等. 組合體構(gòu)形設(shè)計的教學實踐和體會[J]. 教學研究, 2000, 23(2):191-192.

[20]蔡小華. 用動態(tài)思維方法引導和培養(yǎng)學生的空間構(gòu)形能力[J].江南大學學報(教育科學版), 2009,29(3): 274-276.