張方圓

（寧波大學 機械工程系，浙江 寧波 315211）

0 引言

高等教育的關鍵任務之一是培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的人才，為國家經(jīng)濟和社會發(fā)展提供支撐。而工科專業(yè)的高質量教育是國家經(jīng)濟社會高質量發(fā)展的基礎與前提。為了提高工科專業(yè)的高等教育質量，教育部發(fā)起了對新工科教育模式的探討與研究，以培養(yǎng)更多創(chuàng)新型科技人才，為國家產業(yè)轉型升級提供強有力的支撐[1]?！肮こ虉D學”是工科專業(yè)的基礎課程，引領學生建設創(chuàng)新性思維，培養(yǎng)學生的實踐能力。因此，為了響應國家對于創(chuàng)新型工科人才的需求，必須結合時代背景，探討工程圖學更加先進的教學模式，提出合理的課程改革措施。

經(jīng)過不斷的探索和研究，國內外高校在工程圖學的課程改革方面取得了顯著成果。哈爾濱工業(yè)大學以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識為教學重點，強調了計算機繪圖和三維建模的重要性，并對課程結構和內容進行了調整，增加了產品設計課時[2]。美國密蘇里州科技大學則更注重培養(yǎng)學生用二維圖表達零件三維形體的能力。他們認為繪制三維圖是為了清晰地表達機械部件的配合關系以及完成部件的裝配圖，并強調工程圖在零件設計、制造整個生命周期的作用[3]。國內大部分高校將“工程圖學”分為“工程圖學”基礎、工程圖學應用和計算機繪圖3個部分?！肮こ虉D學”基礎主要教授理論基礎知識，“工程圖學”應用主要涉及零部件的結構分析、二維零件圖和裝配圖繪制等知識，計算機繪圖包括產品設計與建模，主要教授三視圖的軟件繪制和三維軟件建模[4，5]。美國紐約大學將三維繪圖軟件應用至圖學理論的課堂教學中去，從而使得學生更容易理解截交線、相貫線等重點、難點[6]。而隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展，線上線下混合教育模式也得到了大力推廣，北京航空航天大學等基于網(wǎng)絡平臺，設計了工程圖學的混合式教學模式，充分融合并發(fā)揮了傳統(tǒng)線下教學和新型線上教學的優(yōu)勢，使得混合教學模式產生了1 + 1 >2 的教學效果[7，8]。

目前各高校對“工程圖學”的教學模式進行了深入的探索，并進行了創(chuàng)新性的改革，但是改革的重點圍繞加入三維建模過程，并大力推廣線上線下混合教學模式。但是，“工程圖學”課程涉及多個工科專業(yè)，針對不同學科特點，建立教學大綱的探索還不深入。針對這一問題，分析不同學科的特點，設置教學模式和教學內容，讓學生最大程度地掌握知識，并提高創(chuàng)新、實踐能力。

1 基于學科特點的教學設計

機械類專業(yè)的工程圖學課程對機械零件的繪制進行了重點講述，因此學生能夠理解“工程圖學”的應用背景和意義。而非機械專業(yè)，“工程圖學”課程重點講述工程圖學基礎的相關知識點，“工程圖學”應用的課時極少，導致學生無法理解工程圖學的實際應用場景，進而學習熱情不高。因此，在進行相關知識點的講解時，應結合各學科的背景，選取典型的應用場景和零件，引導學生更加深刻地理解工程圖學對于創(chuàng)新設計的重要貢獻。

以材料專業(yè)為例。通過引入新材料的應用場景以及產品設計，進而引入設計過程涉及的工程圖學知識點。比如，碳纖維作為一種輕質、高強的新型材料，正在廣泛應用于醫(yī)療、體育、交通等領域，如假肢、羽毛球拍、汽車零部件等[9，10]。圖1（a）為碳纖維自行車架，在對其進行設計時，需要考慮管與管間的連接并在表面穿孔以便進行裝配。而在連接和穿孔的過程中，在車架表面形成相貫線和截交線。為了清晰、全面地表達所設計產品的外形，設計者必須具備截交線、相貫線繪制的能力，由此引入截交線和相貫線的產生機理以及繪制等相關知識點。

以電氣專業(yè)為例。隨著生活水平的提高，消費者對家用電器的外觀提出了更高的要求，因此，對家用電器進行設計時，外觀結構設計成為了電器設計的重要組成部分。圖1（b）為家用電燉鍋，為了讓整體外觀更加美觀，鍋體和鍋把均為圓柱體且相交，進而形成相貫線。而在電器結構設計時，必須清晰地表達出相貫線的三視圖。由此引出相貫線的概念以及相貫線繪制等知識點。

圖1 各學科產品設計實例

這種將各專業(yè)的應用實例與相關知識點相連接的教學方法既能夠讓學生領會到工程圖學的應用背景，激發(fā)學習興趣，又能夠讓學生更快速深刻地掌握繪圖技巧，因此應該在理論教學過程中加入這一教學環(huán)節(jié)。

2 三維建模軟件學習設計

空間想象能力是學習“工程圖學”應具備的基本能力。但是，面對復雜結構零部件，多數(shù)學生無法想象和分析出實體的三維模型，進而無法將三維模型轉換成二維工程圖。而三維建模輔助學生理解復雜零部件的空間結構，提升學生的空間想象能力，并能夠將三維實體流暢地轉化到二維的制圖和讀圖過程。因此，工程圖學教學過程中，應充分利用三維建模軟件。

目前，教學過程中利用三維建模軟件的途徑有兩種，一種是教師在理論課教學過程中，通過三維建模軟件向學生展示已建立好的三維模型，輔助學生對知識點的理解[11]；另一種是通過教授三維建模課程，學生掌握建模技巧，進而繪制零部件的三維模型[12]。但是，國內目前對于三維建模課程的學習均在“工程圖學”基礎課程之后，即學生先學習點、線、面以及組合體的繪制和讀圖之后，再學習三維建模課程。由于課時的限制，教師在課上僅對三維模型進行短暫的展示，無法深入教授細致的建模過程。而對于“工程圖學”基礎課程，截交線、相貫線等難點，結合三維模型，能夠幫助學生更加直接、深刻地理解這些知識點。

隨著信息技術的發(fā)展，學生對于軟件的學習能力大幅提升，因此有能力快速掌握三維建模軟件的基礎功能。因此，在“工程圖學”基礎這門課程進行之初，應安排課時進行三維建模軟件的教學，使得學生能夠掌握簡單的功能，比如拉伸和切割等功能，以便其快速入門三維建模軟件。除了課上簡短的三維建模教學外，老師錄制三維建模教學視頻，學生通過視頻更加深入地學習三維建模。在理論課教授基本立體相關知識點之前，要求學生能夠建立簡單的圓柱、圓錐、球體的三維模型，并對模型進行切割、組合。在掌握了三維建模知識后，學生在學習組合體三視圖繪制等知識點時，能夠在課后建立三維模型，以便對知識點進行理解并能夠將三維幾何形狀轉化為二維三視圖。

學生經(jīng)過4 節(jié)課的三維建模學習后建立的簡單組合體三維模型，如圖2 所示。學生基于課上講解的組合體三視圖，分析出組合體的空間結構，并建立三維模型。在建模過程中，再次理解了組合體的投影特征，并對課上理解不透徹的知識點，比如圖中兩個組合體相貫線的形狀，進行深入的理解。因此，三維建模過程，既掌握了三維建模技巧，又學習了“工程圖學”基礎中難以理解的知識點。

圖2 三維建模實例

3 課堂教學設計

在對多個班級的學生進行課上觀察和課后調研時發(fā)現(xiàn)，對于簡單的知識點，比如點、直線的投影規(guī)律，學生能夠快速理解并掌握，并且認為在這些知識點上進行過多的講解會浪費課時；而對于難以理解的知識點，比如曲面立體截交線、相貫線的繪制，學生一方面難以快速領會作圖技巧，另一方面雖然課上能夠領會知識要點，但是課后作圖仍然有較大難度。同時，調查發(fā)現(xiàn)，相比于教師按部就班的講解，學生更希望親自參與，通過獨立思考來理解知識點并繪制出三視圖。

基于這一問題，對課時進行調整，對于簡單的知識點，適當縮短課時，而對于難以理解的知識點，增加課時，并把更多課堂時間交給學生，在消化知識點的同時手繪三視圖。教師結合學生的繪圖效果，及時發(fā)現(xiàn)學生普遍難以掌握的知識點并再次進行啟發(fā)與講解，夯實學習效果。同時，對于教學難點，錄制詳細的講解視頻，以便于課上沒有完全理解的學生課下進一步學習。

這樣，通過老師細致講解重點、難點，學生線上、線下同步學習，并結合三維建模，全方位的參與到學習過程中，更能夠有興趣且深入地學習工程圖學，從而產生更好的學習效果。

4 創(chuàng)新性思維培養(yǎng)

隨著國家轉型的重大需求，具有創(chuàng)新和實踐能力的新工科人才培養(yǎng)迫在眉睫。因此，“工程圖學”的最終目標是培養(yǎng)并提高學生的創(chuàng)新與實踐能力。

非機械專業(yè)的學生走上工作崗位后，對于創(chuàng)新設計和圖形表達能力的需求更高，而對于產品的制造能力需求不多。因此，對于非機械專業(yè)的學生，如何呈現(xiàn)出設計理念更加重要。為了實現(xiàn)這一培養(yǎng)目標，在開課伊始，布置產品設計作業(yè)，結合學生自身興趣，基于本專業(yè)相關的產品，設計一款至少包括10個零件的小機構或者電子產品，學期末上交設計成果的三維模型，并且闡述至少五條應用到的“工程圖學”相關的知識點。

機械專業(yè)的學生，尤其是機械制造專業(yè)，更注重讀圖能力，要求學生既能夠設計零件又能夠繪制出二維圖紙，并規(guī)劃出工藝路線。因此，在教授完工程圖學課程后，要求學生設計一款能夠應用到工程實際的、完整的機械產品?；趯Ξa品的設計理念，建立出三維模型，繪制出裝配圖和重要零件的零件圖。同時，對重要零件的作用進行分析，并合理規(guī)劃出零件的加工工序、加工精度以及尺寸要求。

而隨著國家對大學生創(chuàng)新實踐能力的重視，一些大學生設計競賽全面鋪開，比如全國大學生電子設計競賽、全國大學生機械創(chuàng)新設計大賽、中國“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等。這些競賽均需要學生設計出有創(chuàng)新性或者有市場競爭力的產品。而在產品的設計和制作過程中，一定會對產品進行三維建模并繪制零件圖和裝配圖。因此，在比賽的過程中，學生能夠對“工程圖學”的相關知識進行充分的應用。從歷年的比賽結果能夠看出，這些賽事對于學生的工程制圖實踐能力有極大幅度的提高。因此，老師在教學過程中，應鼓勵并指導學生參加相關比賽，使得學生將所學知識運用到實際的產品設計和制造過程中。

5 結論

通過分析不同學科的特點以及未來的就業(yè)方向發(fā)現(xiàn)，各學科對于工程制圖的教學模式提出不同的要求。機械專業(yè)要求學生不僅具有制圖和讀圖的能力，還應具備通過圖紙規(guī)劃工藝路線的能力；非機械專業(yè)的學生要求學生具有創(chuàng)新性的產品設計能力?；谝陨蠈W科特點，對工程圖學的教學方案進行優(yōu)化。

（1）充分調研不同學科產品及其設計特點，發(fā)現(xiàn)工程圖學在各種產品設計過程中的應用。教學過程中，以不同學科的產品為例，融入工程圖學在產品設計過程中涉及的知識點，幫助學生理解工程圖學的重要性和應用場景。

（2）強調三維建模在工程圖學課堂教學過程的重要性，老師充分利用三維模型信息呈現(xiàn)的直接性，向同學展示難以想象的三維模型，輔助理解教學難點。同時，將三維建模課程與工程圖學課程并行，學生將二維制圖知識與三維建模知識相互融合，相互促進。

（3）調整教學課時的分配，將更多課時分配給重難點，而不是面面俱到灌授。激發(fā)學生的主觀能動性，留給學生足夠課上手繪的時間，及時消化吸收知識點。

（4）依據(jù)學科特點，對于有產品設計需求的專業(yè)，將三維建模、二維制圖與產品設計相結合，進行課程設計。對于有機械制造需求的專業(yè)，將教學和實操緊密結合，以增強對工程機械結構感性認知和實踐能力。