唐樂為 熊德紅 黃星梅 張愛軍 諶霖霖

[摘 要]面向新工科建設(shè)和“六卓越一拔尖”計(jì)劃2.0要求，工程基礎(chǔ)課教育工作者需要探索構(gòu)建新工科人才培養(yǎng)的教學(xué)新模式。為了培養(yǎng)具有新工科背景下的工科創(chuàng)新人才，以工程需求為導(dǎo)向初步探索工程制圖測(cè)繪實(shí)踐教學(xué)新模式，構(gòu)建以數(shù)字化設(shè)計(jì)為主線的工程制圖測(cè)繪教學(xué)課程新體系。以學(xué)生工程素質(zhì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的發(fā)展為測(cè)繪課程教學(xué)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)并突出探究性和個(gè)性化創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。該測(cè)繪實(shí)踐教學(xué)新模式為其他院校工程制圖實(shí)踐課程建設(shè)提供了思路與參照，對(duì)新工科其他專業(yè)實(shí)踐課程建設(shè)具有一定的參考意義。

[關(guān)鍵詞]工程教育;新工科;工程制圖測(cè)繪;工程實(shí)踐教學(xué)

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2020）11-0091-04

一、概述

高等學(xué)校新工科建設(shè)的主要任務(wù)是培養(yǎng)工科創(chuàng)新人才[1]。工程基礎(chǔ)課程作為基本載體，對(duì)工科人才創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有不可替代的作用。近年來，教育部積極推進(jìn)各高校新工科建設(shè)，開展關(guān)于工程教育改革的五項(xiàng)新內(nèi)容（新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量和新體系）建設(shè)[2]，全面探索中國(guó)工程教育新模式，培養(yǎng)具有工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的人才，實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國(guó)發(fā)展和建設(shè)的戰(zhàn)略目標(biāo)。不同于傳統(tǒng)的工科教育，新工科建設(shè)要求高等學(xué)校工科課程新體系立足于國(guó)家戰(zhàn)略需求，加強(qiáng)校企交流合作，明確市場(chǎng)產(chǎn)業(yè)需求，以適應(yīng)未來工科教育的發(fā)展。因此，新工科課程建設(shè)呈現(xiàn)如下三個(gè)特點(diǎn)：1.產(chǎn)業(yè)需求導(dǎo)向代替學(xué)科導(dǎo)向的課程教學(xué)，產(chǎn)教融合為產(chǎn)業(yè)發(fā)展培養(yǎng)創(chuàng)新高端人才[3];2.專業(yè)交叉融合取代單一專業(yè)學(xué)習(xí)，多學(xué)院通力合作共同培育創(chuàng)新人才[4];3.從適應(yīng)企業(yè)服務(wù)過渡到引領(lǐng)國(guó)際化創(chuàng)新技術(shù)研究和開發(fā)[5-6]。面對(duì)新工科的實(shí)踐課程建設(shè)[7]，探索并構(gòu)建以數(shù)字化設(shè)計(jì)為主線的工程制圖測(cè)繪課程新體系，以學(xué)生工程素質(zhì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的發(fā)展為教學(xué)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)高校本科生探究性和個(gè)性化創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。該課程體系旨在為其他院校工程制圖實(shí)踐課程建設(shè)提供思路與參照，對(duì)新工科其他專業(yè)實(shí)踐課程建設(shè)具有一定的參考意義。

二、工程制圖實(shí)踐教學(xué)新模式

工程制圖可以認(rèn)為是以圖形系統(tǒng)（包括工程圖形中的點(diǎn)、線、面和立體等幾何元素）為載體，用以表達(dá)工程對(duì)象客體屬性信息的基礎(chǔ)學(xué)科[8]。工程制圖作為本科生的第一門工程基礎(chǔ)課程，通過教授工程圖學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)本科生工程圖學(xué)理論的應(yīng)用能力，促進(jìn)本科生工程圖學(xué)思維的產(chǎn)生和發(fā)展。工程制圖實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)在于從產(chǎn)品裝配體測(cè)繪操作、數(shù)字化產(chǎn)品建模和參數(shù)化設(shè)計(jì)等方面進(jìn)一步加深和拓寬學(xué)生在工程制圖、機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)、互換性與檢測(cè)技術(shù)、工程材料等課程中所學(xué)的基本知識(shí)，結(jié)合產(chǎn)業(yè)需求提出的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)具體問題，培養(yǎng)學(xué)生用學(xué)科專業(yè)理論知識(shí)解決工程實(shí)際問題的能力，探索一種以數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)為目標(biāo)的工程制圖實(shí)踐教學(xué)新模式。

（一）工程制圖實(shí)踐教學(xué)體系

工程制圖實(shí)踐教學(xué)的總體設(shè)計(jì)需要從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、時(shí)間安排和能力評(píng)價(jià)四個(gè)方面進(jìn)行綜合思考?；谛鹿た埔螅こ讨茍D實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建如圖1所示。教學(xué)內(nèi)容包括圖學(xué)知識(shí)理論講解、產(chǎn)業(yè)工程概念導(dǎo)入、專業(yè)知識(shí)綜合運(yùn)用和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力培養(yǎng)。圖學(xué)知識(shí)理論學(xué)習(xí)階段主要集中在本科一年級(jí)期間，通過繪圖作業(yè)和集中討論課加深和拓展畫法幾何、投影理論及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)習(xí)?；诮虒W(xué)課題組實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在本科一年級(jí)適當(dāng)引入產(chǎn)業(yè)工程理念和產(chǎn)品構(gòu)型設(shè)計(jì)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，這對(duì)后續(xù)機(jī)械類專業(yè)課程的學(xué)習(xí)會(huì)起到一定的促進(jìn)作用。工程圖學(xué)實(shí)踐教學(xué)體系第二步，即學(xué)生處于大一下學(xué)期時(shí)，建議結(jié)合機(jī)械制圖中零件和裝配體內(nèi)容，導(dǎo)入相應(yīng)的工程概念。要求學(xué)生具有讀懂工程零件圖的能力，通過工程材料選擇和零件構(gòu)型分析，完成產(chǎn)品實(shí)物數(shù)字化模型的創(chuàng)建和再創(chuàng)作。在工程圖學(xué)零件圖和裝配圖講解時(shí)，需要教師適當(dāng)增加產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能原理分析，同時(shí)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)制造工藝流程的認(rèn)識(shí)和理解。在綜合運(yùn)用專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)協(xié)同合作能力的培養(yǎng)對(duì)本科生從學(xué)生到工程師的轉(zhuǎn)變起到重要的支撐作用。測(cè)繪實(shí)踐課程設(shè)計(jì)教學(xué)開設(shè)在機(jī)械類專業(yè)本科二年級(jí)，通過產(chǎn)品的參數(shù)化建模和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，培養(yǎng)具有一定專業(yè)設(shè)計(jì)能力的機(jī)械類創(chuàng)新人才。

（二）測(cè)繪實(shí)踐任務(wù)與要求

要求每位學(xué)生按照指導(dǎo)教師的總體要求和小組分配的產(chǎn)品裝配件設(shè)計(jì)任務(wù)，制定任務(wù)截點(diǎn)時(shí)間表，以小組為單位（每組4—5名學(xué)生）獨(dú)立完成測(cè)繪實(shí)踐課程各個(gè)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)。在實(shí)踐課程答辯前，要求以小組為單位提交一套完整的測(cè)繪草圖、一套完整的二維工程零件圖及裝配圖、完整的產(chǎn)品三維裝配體模型及測(cè)繪實(shí)踐報(bào)告。

測(cè)繪實(shí)踐教學(xué)過程著重培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、合作能力、協(xié)調(diào)能力和解決工程實(shí)際問題的創(chuàng)新能力。要求學(xué)生從機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)者的角度出發(fā)，將工程軟件應(yīng)用與機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)、工程技術(shù)規(guī)范和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用緊密結(jié)合，要讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到此實(shí)踐課程設(shè)計(jì)是運(yùn)用先進(jìn)三維信息（數(shù)字孿生）技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。這個(gè)過程不僅僅要完成繪圖、建模和編程的訓(xùn)練，更重要的是實(shí)踐一種先進(jìn)的數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程實(shí)踐模式。

（三）測(cè)繪實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)

測(cè)繪實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)是教師為實(shí)現(xiàn)測(cè)繪實(shí)踐課程目標(biāo)、完成教學(xué)任務(wù)，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃和組織的過程。目前，該實(shí)踐課程共32學(xué)時(shí)，記2學(xué)分，課程時(shí)間安排在本科二年級(jí)暑假學(xué)期，為期兩周。根據(jù)課程內(nèi)容和能力評(píng)價(jià)的要求，測(cè)繪實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)分為5個(gè)環(huán)節(jié)，如圖2所示。下面以桌虎鉗（圖3）為例進(jìn)行測(cè)繪實(shí)踐課程教學(xué)設(shè)計(jì)介紹。

1.產(chǎn)品裝配體測(cè)繪

課程教學(xué)設(shè)計(jì)第一步產(chǎn)品裝配體測(cè)繪包含以下四項(xiàng)內(nèi)容。

（1）繪制裝配示意圖

繪制裝配示意圖前，學(xué)生通過分組討論分析產(chǎn)品工作原理、結(jié)構(gòu)功能、裝配關(guān)系和主要的性能參數(shù)。指導(dǎo)教師講解拆裝工具的安全使用要求，旨在讓學(xué)生了解合理正確使用工具的必要性。督促學(xué)生查找產(chǎn)品相關(guān)專業(yè)手冊(cè)，采用類比的方法確定產(chǎn)品型號(hào)和主要性能參數(shù)，完成桌虎鉗的裝配示意圖。

（2）繪制零件草圖

分析裝配體各零件類型是否為標(biāo)準(zhǔn)件，確定設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和視圖表達(dá)方法。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)件，要求學(xué)生熟練掌握查閱機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)、確定標(biāo)準(zhǔn)件類型的方法。對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)零件，培養(yǎng)學(xué)生的產(chǎn)品二次設(shè)計(jì)能力，著重考查學(xué)生對(duì)于零件材料、粗糙度和幾何公差等技術(shù)要求的理解和設(shè)計(jì)。同時(shí)，通過繪制零件草圖，加深學(xué)生對(duì)機(jī)械加工制造方法和互換性等課程知識(shí)點(diǎn)的理解。

（3）量注尺寸

零件量取的尺寸一般采用尺寸優(yōu)先數(shù)。配合尺寸一般只在配合兩零件中的一個(gè)零件量取。對(duì)于一些重要尺寸（比如最小軸徑），量取后需要通過理論計(jì)算進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核。另外，零件上已有標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)尺寸（比如退刀槽和燕尾槽）需要查閱有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定。

（4）確定并標(biāo)注有關(guān)技術(shù)要求

學(xué)生需要查閱工程材料教材和機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，確定零件技術(shù)要求和材料類型。

完成零件草圖繪制后，由具有相同裝配體的不同小組學(xué)生完成產(chǎn)品零件草圖互審，初步培養(yǎng)學(xué)生作為工程師的審圖能力。

2.數(shù)字化建模

從裝配體零部件的基準(zhǔn)（設(shè)計(jì)、工藝、測(cè)量、加工、裝配等基準(zhǔn)）入手，分析各個(gè)零部件的合理建模方法及過程，分析基準(zhǔn)、草圖平面和建模步驟等的內(nèi)聯(lián)關(guān)系，學(xué)會(huì)更好地利用草圖平面表達(dá)產(chǎn)品基準(zhǔn)等設(shè)計(jì)概念，使結(jié)構(gòu)建模過程更為合理。分析1—2個(gè)典型零件結(jié)構(gòu)和主要加工制造工藝，討論采用不同三維數(shù)字化建模方法的合理性和零件的尺寸標(biāo)注。確定相關(guān)零件尺寸相關(guān)性，進(jìn)一步修改草圖，具體分析步驟如下。

（1）分析指出裝配體的各裝配主線及其作用，分析各個(gè)零部件的裝配基準(zhǔn)、接合面和運(yùn)動(dòng)副的類型等。

（2）對(duì)各個(gè)零部件之間的裝配關(guān)系、裝配配合公差以及零部件之間的連接、緊固和密封方法進(jìn)行說明。

（3）指出組成運(yùn)動(dòng)副的各個(gè)零件之間的運(yùn)動(dòng)約束關(guān)系。

（4）建立裝配體三維數(shù)字化裝配模型，如圖4所示。利用三維數(shù)字化裝配模型檢測(cè)零部件之間的潛在干涉，完善修改測(cè)繪草圖和二維零件工程圖。

基于產(chǎn)品裝配體數(shù)字化模型，分析運(yùn)動(dòng)部件的仿真需求。

（1）分析主運(yùn)動(dòng)及其實(shí)現(xiàn)方法。

（2）指出不同的建模方法（如草圖平面、基準(zhǔn)的處理等）與仿真分析的關(guān)系，理解CAD與CAE兩種技術(shù)的相互依存關(guān)系。

（3）從裝配體工作性能分析的角度指出需要進(jìn)行哪些仿真分析，并盡可能指出仿真分析用的方法和軟件系統(tǒng)。

3.零件參數(shù)化設(shè)計(jì)

引入Open Grip 等編程語(yǔ)言，讓學(xué)生嘗試使用程序語(yǔ)言進(jìn)行三維模型的設(shè)計(jì)與繪制，提高學(xué)生的產(chǎn)品二次開發(fā)及編程的能力，具體實(shí)施流程如下。

（1）分析需要參數(shù)化設(shè)計(jì)的零部件結(jié)構(gòu)，確定參數(shù)及其輸入方式、建模方法等，繪制程序設(shè)計(jì)框圖。

（2）根據(jù)確定的建模方法和流程，設(shè)計(jì)主程序以及子程序結(jié)構(gòu)。

（3）針對(duì)參數(shù)特點(diǎn)和輸入方式，設(shè)計(jì)用戶交互式界面，根據(jù)規(guī)定的參數(shù)范圍，設(shè)計(jì)程序的糾錯(cuò)功能。

（4）按照程序書寫規(guī)范（如主詞和輔詞一律大寫，變量小寫;根據(jù)程序結(jié)構(gòu)采用縮進(jìn)方式編程;適當(dāng)進(jìn)行標(biāo)注，增強(qiáng)程序的可讀性等）完成程序編碼及調(diào)試，輸出設(shè)計(jì)結(jié)果。

4.測(cè)繪實(shí)踐報(bào)告

此部分極其重要但又經(jīng)常為工科學(xué)生所忽略。工科學(xué)生往往將重點(diǎn)放在規(guī)范化設(shè)計(jì)及圖紙繪制，而忽視報(bào)告撰寫的重要性。此環(huán)節(jié)重在提高學(xué)生報(bào)告撰寫的能力，提高學(xué)生文檔編排的能力，讓學(xué)生明白“既要做好，更要展示好”的重要性。

5.實(shí)踐課程答辯

（1）答辯PPT的制作。此部分是整個(gè)課程設(shè)計(jì)中非常重要的環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生PPT的展示能力，讓學(xué)生盡可能展示工作亮點(diǎn)，這有利于提高學(xué)生的表達(dá)能力。

（2）答辯材料的完整性。答辯前需學(xué)生使用檔案袋封裝好一套完整圖紙、測(cè)繪實(shí)踐設(shè)計(jì)說明書一份以及電子文檔光盤一份，以培養(yǎng)學(xué)生材料整理的規(guī)范能力。

（3）其他組對(duì)答辯組提問。其他組對(duì)答辯組進(jìn)行提問，答辯組進(jìn)行解答，這將作為評(píng)價(jià)體系內(nèi)容之一。對(duì)非答辯組的學(xué)生來說，這有利于他們進(jìn)行思考，積極參與討論;對(duì)答辯組的學(xué)生來說，這可以增強(qiáng)他們答辯過程的臨時(shí)應(yīng)變能力，有助于提高他們的表達(dá)能力。

（4）答辯材料修改。依據(jù)答辯教師及學(xué)生的意見，對(duì)答辯材料進(jìn)行修改。此環(huán)節(jié)有利于學(xué)生對(duì)答辯材料中存在的錯(cuò)誤進(jìn)行更加深刻的了解，有助于學(xué)生綜合實(shí)踐能力的提升。

（5）組內(nèi)匿名互評(píng)。通過此環(huán)節(jié)，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生積極主動(dòng)思考的能力，對(duì)組內(nèi)成員工作進(jìn)行合理評(píng)價(jià)，同時(shí)這也提高了組內(nèi)學(xué)生的責(zé)任感。

（四）測(cè)繪實(shí)踐綜合能力評(píng)定

實(shí)踐課程評(píng)價(jià)體系由9個(gè)部分組成，如表1所示。草圖測(cè)繪、裝配圖、UG建模、CAD裝配圖、UG參數(shù)化設(shè)計(jì)均有教師現(xiàn)場(chǎng)批改，成績(jī)占比均為5%。CAD零件圖和課程報(bào)告采用課后批改，成績(jī)占比分別為5%和10%。著重強(qiáng)調(diào)課程報(bào)告內(nèi)容與格式的書寫，為后續(xù)專業(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告的規(guī)范撰寫奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。答辯環(huán)節(jié)由任課教師主持，答辯學(xué)生在完成課程設(shè)計(jì)展示后，需要回答教師和其他學(xué)生的提問。教師綜合學(xué)生設(shè)計(jì)展示和回答問題的表現(xiàn)給出相應(yīng)的答辯分?jǐn)?shù)。組內(nèi)評(píng)分實(shí)行階梯差異化評(píng)分，按1、0.8、0.6、0.4記錄成績(jī)。最終，結(jié)合以上9個(gè)方面的內(nèi)容，完成學(xué)生課程總體評(píng)價(jià)。

三、總結(jié)

在工程制圖測(cè)繪實(shí)踐教學(xué)過程中，工程概念始終貫穿于其中，旨在打造堅(jiān)實(shí)的機(jī)械專業(yè)金課基礎(chǔ)。通過導(dǎo)入工程標(biāo)準(zhǔn)化概念，在產(chǎn)品裝配測(cè)繪和數(shù)字化建模裝配過程中，增強(qiáng)本科生對(duì)于工程材料、熱處理、互換性技術(shù)和加工工藝對(duì)尺寸要求等工程內(nèi)容的理解和應(yīng)用。在零件參數(shù)化設(shè)計(jì)教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維和工程軟件開發(fā)能力。

工程制圖實(shí)踐教學(xué)體系從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式、時(shí)間安排和能力評(píng)價(jià)四個(gè)方面，為高等院校工程制圖課程建設(shè)提供了新思路。特別是工程制圖測(cè)繪實(shí)踐教學(xué)課程給出了教學(xué)設(shè)計(jì)過程安排，對(duì)我國(guó)新工科基礎(chǔ)實(shí)踐課程安排和創(chuàng)新設(shè)計(jì)人才培養(yǎng)進(jìn)行了初步探索，具有借鑒和參考意義。

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[責(zé)任編輯：陳 明]