張京英，楊 薇，佟獻英，張 輝，張 彤

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構(gòu)建基于OBE的立體化制圖教學新體系

張京英，楊 薇，佟獻英，張 輝，張 彤

(北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081)

以機械工程大類的“機械制圖”課程為載體，以成果導(dǎo)向教育(OBE)理念為牽引，以課內(nèi)教學為主線，整合和挖掘課外教學資源，依托“互聯(lián)網(wǎng)+”的技術(shù)手段，搭建了基于主動學習能力培養(yǎng)的“線上線下融合式教學平臺”；構(gòu)建了“課內(nèi)與課外相結(jié)合、線上與線下相結(jié)合、必修課與開放實驗課相結(jié)合、教師與學生相結(jié)合、理論與實踐相結(jié)合”的全方位立體化制圖教學新體系。經(jīng)過7年的教學實踐及逐步完善，適度解決了課內(nèi)學時有限、生師比高、實踐教學欠缺、課外輔導(dǎo)力量不足、學生學習興趣不高等長期困擾工程類基礎(chǔ)課教學中的難題，收到了良好的教學效果，為工程類基礎(chǔ)課程教學提供改革思路。

圖學教育；成果導(dǎo)向教育；工程圖學；混合教學；新體系

工程教育專業(yè)認證遵循成果導(dǎo)向、以學生為中心、持續(xù)改進3個基本理念，其對引導(dǎo)和促進專業(yè)建設(shè)與教學改革、保障和提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量至關(guān)重要。成果導(dǎo)向教育(outcome based education，OBE)亦稱能力導(dǎo)向、目標導(dǎo)向或需求導(dǎo)向教育，作為一種先進的教育理念已成為美國、英國、加拿大等國家教育改革的主流理念，且被工程教育專業(yè)認證采納。用OBE理念引導(dǎo)我國工程教育改革，具有現(xiàn)實意義[1]。

“工程教育認證標準”注重能力的培養(yǎng)和業(yè)界需求，對課程的培養(yǎng)目標提出了更高的要求。華盛頓協(xié)議對畢業(yè)生的基本要求是必須掌握一定的數(shù)學、科學、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識，強調(diào)具備解決復(fù)雜工程問題以及設(shè)計復(fù)雜工程系統(tǒng)的潛在能力以及現(xiàn)代工具的應(yīng)用能力——能在復(fù)雜工程活動中創(chuàng)建、選擇并應(yīng)用合適的技術(shù)、資源、現(xiàn)代工程與IT工具，包括預(yù)測和建模等；同時還要求畢業(yè)生必須富有社會責任感，意識到工程與環(huán)境及可持續(xù)性之間的重要性，具有良好的職業(yè)道德，具有團隊工作能力、溝通交流能力、項目管理能力和商業(yè)意識、自主學習能力和終身學習意識等。這體現(xiàn)了社會發(fā)展對人才知識、能力和素質(zhì)的普遍要求，與當前社會需求及學生發(fā)展相適應(yīng)，為制定工科人才培養(yǎng)方案和本科培養(yǎng)標準提供借鑒和啟示。工程圖學課程作為工程教育的先導(dǎo)課程對學生能力培養(yǎng)具有重要的地位和作用[2]。北京理工大學工程圖學教研室以機械工程大類的“機械制圖”課程為載體，以O(shè)BE的教育理念為牽引，參照國外一流大學的教學理念和模式，強化師生互動、生生互動和實踐教學，在工程基礎(chǔ)課中改革和創(chuàng)新工程教育人才培養(yǎng)新模式，充分調(diào)動教師和學生的積極性和創(chuàng)造性，構(gòu)建了以課內(nèi)教學為主線，課內(nèi)與課外相結(jié)合、線上與線下相結(jié)合、必修課與開放實驗課相結(jié)合、教師與學生相結(jié)合、理論與實踐相結(jié)合[3]的全方位立體化制圖教學新體系(圖1)，適度解決了課內(nèi)學時有限、生師比高、實踐教學欠缺、課外輔導(dǎo)力量不足、學生學習興趣不高等長期困擾工程類基礎(chǔ)課教學中的難題；以制圖類學科競賽促學、促教，持續(xù)改進，構(gòu)建了課程改革、實踐教學及學科競賽一體化的人才培養(yǎng)新模式。

圖1 立體化制圖教學新體系

1 以業(yè)界需求為導(dǎo)向，整合教學內(nèi)容，實現(xiàn)傳統(tǒng)制圖與計算機二維及三維設(shè)計軟件一體化教學

信息技術(shù)的發(fā)展為傳統(tǒng)制造業(yè)所涉及的各種技術(shù)帶來了沖擊與改變。多元化計算機輔助技術(shù)(computer aided X, CAX)包括：計算機輔助設(shè)計(computer aided design，CAD)、計算機輔助工藝規(guī)劃(computer aided process planning，CAPP)、計算機輔助工程(computer aided engineering，CAE)等技術(shù)，其替代了原有的圖紙設(shè)計模式，使設(shè)計、裝配等繁瑣流程可以借助計算機完成[4]。如今計算機二維及三維設(shè)計軟件已融入到工程圖學課程的教學之中。

工程圖學課程的基本任務(wù)是培養(yǎng)構(gòu)形、表達、讀圖及制圖能力，每種能力中既有對二維也有對三維能力的要求。我國高校對于在工程圖學課程中引入三維幾何建模教學采用“外掛式、分段式、融合式”等方式[5-6]，“外掛式”、“分段式”教學多是將工程制圖傳統(tǒng)教學、計算機二維繪圖(AutoCAD等)和三維設(shè)計軟件(Inventor、Solidworks、UG等)課程分別設(shè)置在不同學期進行，學生在學習各課程之間相關(guān)知識點時常會出現(xiàn)遺忘，教師在傳統(tǒng)制圖理論教學中常使用實物模型或制作電子立體模型幫助學生理解“二維圖”與“三維物”之間的對應(yīng)關(guān)系，由于立體模型的數(shù)量有限，不足以覆蓋到教材和習題集中涉及的全部內(nèi)容?！叭诤鲜健币氲乃枷胧菍⑷S建模的原理、方法和技能融入、滲透到工程圖學課程中，形成新的教學體系、教學內(nèi)容和過程[6]，課程之間相關(guān)知識點的教學可相互支撐。

北京理工大學以多學時“機械制圖”課程為依托，打破傳統(tǒng)制圖課程與計算機二維及三維設(shè)計軟件課程教學的界限，整合相關(guān)知識點的教學內(nèi)容，實現(xiàn)傳統(tǒng)制圖與計算機二維及三維設(shè)計軟件的一體化教學。

1.1 《機械制圖I》中的一體化教學

借助計算機三維設(shè)計軟件，將傳統(tǒng)制圖教學中“由二維想三維”的“讀圖”過程用計算機進行三維呈現(xiàn)，并通過投影生成工程圖將“由三維畫二維”的“畫圖”過程進行二維表達。

在“立體的截交、相貫、組合體、圖樣畫法”等教學環(huán)節(jié)，穿插講授三維設(shè)計軟件的三維建模和二維投影表達。三維建模的過程就是運用“形體分析法”中“讀圖”過程的三維呈現(xiàn)，學生在建模的過程中能更深刻地理解“形體分析法”的意義和作用，同時對尺寸的分類以及尺寸標注的要求有較深刻的理解；通過投影生成工程圖，可更好地體會“三等規(guī)律”的含義以及圖線、線框與立體結(jié)構(gòu)之間的對應(yīng)關(guān)系，可與“由二求三”尺規(guī)作圖進行對比，自我檢驗讀圖、繪圖正確性。

學生掌握了三維設(shè)計軟件，便可根據(jù)二維視圖進行三維建模，全方位動態(tài)地觀看立體，使二維圖樣“立”起來，激發(fā)學生的學習興趣；通過投影生成二維工程圖檢驗三維建模的正確性。傳統(tǒng)制圖教學與三維設(shè)計軟件的教學互相促進、相得益彰(圖2)。

圖2 組合體的三維建模及工程圖

在講授“制圖國標及平面圖形繪制”時，及時講授用AutoCAD繪制平面圖形，通過“圖幅、圖框、線型、線寬、字體樣式、尺寸樣式”等的正確設(shè)置，及時復(fù)習、鞏固國標中的相關(guān)規(guī)定；通過正確完成幾何圖形的繪制復(fù)習、鞏固幾何作圖的要點、同時完成二維繪圖軟件的教學，二者相輔相成，加深印象。

在講授圖樣畫法時，再次利用AutoCAD繪制剖視圖，并與尺規(guī)作圖以及三維設(shè)計軟件投影練習一同鞏固和強化圖樣畫法教學內(nèi)容，從而實現(xiàn)將傳統(tǒng)制圖與計算機二維及三維設(shè)計軟件一體化教學，如圖3所示。

圖3 《機械制圖I》的一體化教學

北京理工大學《機械制圖I》共48學時(第一學期)，含16學時上機和尺規(guī)繪圖實踐。在完成“幾何作圖、組合體、圖樣畫法”3次尺規(guī)作圖大作業(yè)和習題集小作業(yè)的基礎(chǔ)上，還要完成“幾何作圖、圖樣畫法” 2次AutoCAD電子作業(yè)和“截交相貫、組合體、圖樣畫法” 3次Inventor (或UG)電子作業(yè)。期末總評成績的構(gòu)成：15%尺規(guī)作業(yè)(含考勤)+15%電子作業(yè)+70%期末考試。

1.2 在《機械制圖II》中的一體化教學

以“項目驅(qū)動”的理念整合機械制圖(II)的教學內(nèi)容，引導(dǎo)學生完成涵蓋標準件、常用件、軸系、各類典型零件和裝配體的學習以及零件圖和裝配圖的繪制，分階段完成裝配體(如：齒輪油泵或齒輪減速箱)的全套建模、虛擬裝配、運動仿真以及生成工程圖，如圖4所示。

圖4 《機械制圖II》的一體化教學

(1) 充分利用Inventor(或UG)三維設(shè)計軟件中標準件庫的強大資源及設(shè)計加速器的功能，完成螺紋緊固件及軸系中相關(guān)零件的建模、調(diào)用、裝配和投影，強化學生對常用標準件的國標代號、規(guī)格尺寸、結(jié)構(gòu)、用途以及裝配關(guān)系和投影的認知。

(2) 用AutoCAD繪制零件工程圖，鞏固典型零件的表達及零件圖中相關(guān)內(nèi)容。

(3) 對裝配體中各零件進行三維建模并生成二維零件工程圖，使學生充分理解各類零件的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸標注及投影表達。

(4) 通過虛擬裝配并生成裝配工程圖，深刻理解零件在裝配體中的位置和作用，掌握裝配工程圖的繪制。

(5) 通過運動仿真及拆裝動畫，深入了解裝配體的工作原理及裝配過程，提高工程認知。

這種項目驅(qū)動式一體化教學，不但使二維工程圖樣“立”起來，還能“動”起來，二維工程圖樣不再是抽象和難以想像的。很多學生對三維模型進行精心渲染并對制作的裝配體工作原理運動仿真和拆裝動畫配樂，使三維表達有聲有色。傳統(tǒng)的制圖理論教學與現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)手段教學的有機結(jié)合，使教學不再是枯燥難懂的，而是生動、有趣、有吸引力的，大大提高了學生學習的積極性和主動性。

《機械制圖II》共48學時(第二學期)，含16學時上機和尺規(guī)繪圖實踐學時，其中部分上機實踐以項目小組課外完成。在完成習題集小作業(yè)的基礎(chǔ)上，再分別完成1張AutoCAD零件圖、螺紋緊固件尺規(guī)圖、A2齒輪油泵裝配圖尺規(guī)圖以及螺紋緊固件連接及軸系裝配三維電子作業(yè)以及一套裝配體項目作業(yè)，課程結(jié)束前進行小組匯報展示。期末總評成績的構(gòu)成：20%尺規(guī)作業(yè)+20%電子作業(yè)(含項目作業(yè))+60%期末考試。

1.3 在《數(shù)字化設(shè)計表達實訓》實踐周中強化項目驅(qū)動實踐教學

以裝配體為起點進行測繪或以裝配圖為起點進行拆畫，以小組為單位完成《機械制圖II》中裝配體項目全套作業(yè)，形成實驗報告。教學中強化過程管理，注重能力的培養(yǎng)和協(xié)作學習，使所學知識得以融會貫通。

實踐周(一周)32學時，課程結(jié)束時各小組匯報、展示學習成果，注重能力培養(yǎng)和協(xié)作學習，鞏固教學效果。

2 引入基于OBE能力培養(yǎng)的教學理念及團隊協(xié)作學習模式

如前所述，在傳統(tǒng)制圖教學內(nèi)容基礎(chǔ)上又增加了計算機二維及三維設(shè)計軟件的教學，如此多的教學內(nèi)容和作業(yè)量在沒有增加學時的基礎(chǔ)上若沿用以往的教學模式是難以完成的。為此，引入基于OBE能力培養(yǎng)的“項目驅(qū)動”同伴式學習的教學理念，特別是在《機械制圖II》中，依托三維設(shè)計軟件，以裝配體為載體設(shè)計項目作業(yè)，各班分成項目小組完成裝配體的三維建摸、虛擬裝配、工作原理運動仿真及拆裝動畫，并投影生成零件工程圖和裝配工程圖。

教師提前在第二學期初公布項目作業(yè)并確定學習成果，使得最終學習成果既是OBE的終點又是起點。隨著教學內(nèi)容的深入，分段布置階段作業(yè)，如圖4所示。各項目組組長負責分解任務(wù)，組員分工合作，共享三維建模零件完成項目作業(yè)。在項目完成過程中，同學之間必須充分溝通，互相協(xié)作，一個錯誤的尺寸或建模都會影響到其他同學的裝配和最終作業(yè)的完成，因此必須要有團隊精神和責任心，形成團隊協(xié)作的學習模式。在課程結(jié)束前各小組匯報展示，且互評打分，可進一步提升學生對所學知識的理解和再認識(圖5)。

圖5 小組匯報展示

3 依托“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)手段，搭建基于主動學習能力培養(yǎng)的線上線下融合式教學平臺，探索以學生為中心的教學新模式

以學生為中心，要解決學生“學”的問題。在未增加學時的情況下增加了計算機二維和三維設(shè)計軟件的教學內(nèi)容，必須將課堂教學延伸到課外方可完成教學任務(wù)。MOOC為解決問題提供了有效的技術(shù)手段。

本文教學團隊根據(jù)教學需求在“中國大學MOOC”平臺(http://www.icourses.cn/)開設(shè)了《工程圖基礎(chǔ)及數(shù)字化構(gòu)型》和《機械制圖及數(shù)字化表達》慕課課程，分別對應(yīng)北京理工大學《機械制圖I》和《機械制圖II》本科課程。

3.1 課前預(yù)習、自測，課內(nèi)加強實踐應(yīng)用

將教學知識點以授課視頻的形式上傳到慕課在線課程平臺，要求學生課前預(yù)習，充分利用線上教學資源完成知識點的學習。慕課教學可使學生按照自身需求隨時隨地學習請教，并能反復(fù)學習和復(fù)習。

通過在線完成選擇、判斷等客觀自測題，并由系統(tǒng)在線實時批改，從而督促和檢驗學生的預(yù)習效果?？陀^自測題可提供多次答題機會，以鞏固學習效果。

線下的課堂教學則增加討論和實踐的時間比例，側(cè)重解題、繪圖、上機操作實踐指導(dǎo)，以綜合例題覆蓋相關(guān)知識點，突出知識點的綜合應(yīng)用。

課內(nèi)學時有限，課外以學習小組形式同伴式學習，互相幫助，充分討論，共同提高。這樣線上線下相結(jié)合的混合教學模式，充分體現(xiàn)了以學生為中心的教育理念，可有效提高學習效果。

3.2 計算機設(shè)計軟件個性化“翻轉(zhuǎn)”教學

由于計算機設(shè)計軟件的教學實踐性強，學生對計算機軟件的掌握程度差異較大，很難“齊步走”，必須采用個性化教學。因此，計算機二維及三維設(shè)計軟件的教學內(nèi)容采用依托慕課的翻轉(zhuǎn)課堂形式：學生根據(jù)自己的速度學習指定的教學視頻，根據(jù)作業(yè)要求和評分標準在線提交電子作業(yè)，并在指定時間參加互評。互評的過程也是再學習的過程。教師在課內(nèi)教學中的主要任務(wù)是設(shè)計作業(yè)題目，給定評分標準，指出軟件操作中的要點，針對學生操作中遇到的困難和具體問題進行個性化輔導(dǎo)。

3.3 后臺數(shù)據(jù)、在線答疑，多種資源助力教學

慕課后臺的數(shù)據(jù)統(tǒng)計可幫助教師及時了解學生的在線學習狀況，以便有針對性地開展教學；教師的答疑，從線下的見面答疑擴展到利用線上的討論區(qū)與學生互動，以及利用微信、QQ、郵件等多種形式個性化在線答疑，線上線下師生充分互動，能有效促進師生之間、學生之間資源共享、互動交流以及學生自主式與協(xié)作式學習。

為了幫助學生提高工程認知，在慕課中增加了學生欠缺的機加工相關(guān)視頻；慕課中展示學生的優(yōu)秀作業(yè)，以榜樣的力量激發(fā)學生的學習興趣，增加學生對工程的熱愛。

為了更好地與線下教學對接，采用基于慕課的異步SPOC[7-8]，發(fā)布時間靈活，并可有針對性地增加教學資源。同時，借助“北理在線——樂學”網(wǎng)絡(luò)課堂平臺以及我校建設(shè)的國家級《工程制圖》精品共享課的網(wǎng)絡(luò)資源輔助教學，搭建了線上線下融合式一體化教學平臺，為學生提供多樣化的學習資源，引導(dǎo)學生自主學習，培養(yǎng)終身學習的意識和自學能力。

4 選修課和“第二課堂”助力教學改革，競賽檢驗，促學促教，持續(xù)改進

4.1 開設(shè)制圖類實驗選修課和開放實驗課——加強實踐教學，提升學生的工程素質(zhì)

為了提高制圖實踐能力，在課內(nèi)加大了實踐教學的比例，課外開設(shè)以實踐教學為主的《基于制圖的二維和三維工程能力訓練》的開放實驗課和實驗選修課，彌補課內(nèi)實踐教學欠缺的問題，進一步強化和完善實踐教學，提升學生的工程實踐能力和工程素質(zhì)，使優(yōu)秀學生脫穎而出。

4.2 參加制圖類學科競賽，促學促教，持續(xù)改進

積極組織參加北京市及全國制圖類學科競賽以及機械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計競賽，既可使優(yōu)秀學生脫穎而出，以點帶面，帶動和激發(fā)周圍學生的學習熱情，又可發(fā)現(xiàn)教學中的問題和不足，從而檢驗教學成果，以賽促學，以賽促教，持續(xù)改進。

北京理工大學2014至2018年連續(xù)5年組織參加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，2015至2018年連續(xù)4年參加北京市大學生工程設(shè)計表達競賽，均獲得團體一等獎和諸多單項獎。這些脫穎而出的優(yōu)秀學生在后續(xù)的機械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計大賽以及一系列學科競賽中都成為骨干力量。

4.3 組建學生學習型社團，助力教學改革

以高年級制圖類競賽獲獎學生為主體組建學生學習型社團。學生們在教師的指導(dǎo)下利用課外時間深入鉆研計算機三維設(shè)計軟件，組隊參加數(shù)字化設(shè)計等系列科創(chuàng)活動和比賽；并組織對低年級的學生進行課外輔導(dǎo)和培訓，形成“第二課堂”；自發(fā)組織3D打印比賽并協(xié)助組織校級制圖比賽，助力教學改革。每期參加社團活動的低年級學生可達200余人，在各教學班的項目小組的學習中成為骨干、高手，起到了很好的帶動作用。學生完成的項目作業(yè)以及小組展示的作業(yè)作品無論是三維設(shè)計建模、裝配、運動仿真，還是生成的二維工程圖表達，質(zhì)量逐年提高。同伴式學習，營造良好的學習氛圍，彌補課內(nèi)學時有限和課外輔導(dǎo)力量不足的問題，提升學生的綜合素質(zhì)。

5 效果與展望

“基于OBE的立體化制圖教學新體系”貫徹了工程教育專業(yè)認證的3個基本理念“成果導(dǎo)向、以學生為中心、持續(xù)改進”。從2011年起，經(jīng)過7年多的摸索與實踐，已逐步完善，每年有500余名北京理工大學機械工程和車輛工程大類學生從中受益，至今已累計3500余人。該體系的教學效果未以學習成績作簡單對比，是因為同一教師同時授課的班級之間也會出現(xiàn)整體分數(shù)存在差異的情況。本教學體系更關(guān)注學生反饋的學習效果和作業(yè)完成的質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)問題及時調(diào)整，持續(xù)改進。該體系環(huán)環(huán)相扣、互相支撐方能較好地在有限的課內(nèi)教學學時完成如此大量的教學任務(wù)。新體系的正常運行還需要學校的政策支持以及教師更多的辛勤付出。

該體系中的教學內(nèi)容及教學思想已在《工程圖基礎(chǔ)及數(shù)字化構(gòu)型》和《機械制圖及數(shù)字化表達》2門慕課中有所體現(xiàn)。其中《機械制圖及數(shù)字化表達》已被認定為國家級精品在線開放課程。

以課內(nèi)教學為主線，課內(nèi)與課外相結(jié)合，教師與學生相結(jié)合，使制圖課程教學逐步實現(xiàn)從灌輸課堂走向?qū)υ捳n堂、從封閉課堂走向開放課堂、從知識課堂走向能力課堂、從重學輕思向?qū)W思結(jié)合轉(zhuǎn)變、從重教輕學向教主于學轉(zhuǎn)變，探索新型工程人才培養(yǎng)的新模式，為培養(yǎng)未來優(yōu)秀的工程類人才打下堅實的基礎(chǔ)。

[1] 李志義. 解析工程教育專業(yè)認證的成果導(dǎo)向理念(OBE) [J]. 中國高等教育, 2014(17): 7-10.

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Constructing a New System of Three-Dimensional Engineering Graphics Teaching Based on OBE

ZHANG Jing-ying, YANG Wei, TONG Xian-ying, ZHANG Hui, ZHANG Tong

(School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Based on a new system of integrated mechanical engineering teaching within an Engineering Graphics curriculum, following the outcome-based-education (OBE) concept as a key guideline, mainly relying on in-classroom format of teaching, integrating and exploring additional extracurricular teaching resources, this study constructs an “online-to-offline integrated teaching platform” that promotes students’ ability and motivation for learning using various “Internet+” technologies and tools. This new and all-around multi-dimensional Engineering Graphics teaching system “integrates in-class learning and after-class learning, combines online tools and offline tools, brings together mandatory courses and open-ended hands-on experiment courses, bonds teachers with students, and integrates theory and practice.” Through seven years of practical teaching experience, the system has gradually improved, and could reasonably resolve some common problems that have previously troubled lots of teachers of fundamental-level engineering curriculum--problems such as insufficient scheduled hours in class, excessively high student-teacher ratio, lack of hands-on experiments or practice, insufficient after-class supplementary assistance, and students’ relatively low self-motivation in learning. Decent teaching results have been observed through the new system, and can provide some reformatory ideas for teaching basic engineering curricula.

graphics education; outcome based education (OBE); engineering graphics; mixed teaching; new system

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2019010201

A

2095-302X(2019)01-0201-06

2018-06-06；

2018-07-01

張京英(1963-)，女，北京人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向為機械制造及其自動化、工程圖學、CAD等。E-mail：zjy2721@bit.edu.cn