劉佳 李心橋 楊勝強 馬麟

摘要 文章介紹了美國賓夕法尼亞州立大學(xué)哈里斯堡分校工程設(shè)計圖學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀，分析了其圖學(xué)課程教學(xué)體系的構(gòu)成，借鑒其教學(xué)模式的特點，針對作者所在學(xué)院的工程制圖教學(xué)模式，進行了“穿插互補式”教學(xué)模式改革，實踐證明，改革后的教學(xué)模式有助于增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的空間構(gòu)形能力，提升學(xué)生的工程素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 工程制圖；教學(xué)改革；教學(xué)實踐；美國圖學(xué)課程

中圖分類號：G642文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.8.019

工程制圖作為一門培養(yǎng)大學(xué)生工程意識和能力的專業(yè)基礎(chǔ)課，通過學(xué)習(xí)工程立體形狀的表達，培養(yǎng)學(xué)生認真、耐心、細致的工程作風(fēng)和應(yīng)用性、實踐性、創(chuàng)造性的工程能力。隨著三維建模軟件的廣泛應(yīng)用以及3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，培養(yǎng)滿足新工科建設(shè)要求和社會需求的應(yīng)用型人才，掌握一定的構(gòu)形思維和建模技能成為學(xué)生的必備能力。國外一些國家的工程制圖課程重在培養(yǎng)學(xué)生的徒手繪圖能力和建模能力[1-3]，國內(nèi)許多高校在提升學(xué)生圖學(xué)知識應(yīng)用能力方面已經(jīng)進行了多種教學(xué)模式的嘗試[4-5]，王妍等[6]采用基于OBE理念的教學(xué)模式，依托網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，充分利用Solidworks軟件資源加強學(xué)生工程能力的培養(yǎng)。史艷紅[7]等考慮到建模融入工程圖學(xué)的原則，建模部分只學(xué)習(xí)零件建模、裝配建模、生成工程圖3個模塊的基本操作。張宗波[8]等從比較簡單的基本體造型開始就引入三維造型軟件，從簡單到復(fù)雜，從基本體到組合體，逐步完成造型設(shè)計。白柳[9]在三維CAD構(gòu)形思想支持下闡述圓柱體、球體、正方體等立體的構(gòu)形過程，運用計算機繪圖軟件將三維CAD構(gòu)形思想有效融合到工程制圖教學(xué)的各個環(huán)節(jié)。將工程制圖教學(xué)內(nèi)容和三維建模軟件進行有效結(jié)合，體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心、以能力達成為目標”，符合雙一流建設(shè)學(xué)科“重基礎(chǔ)、寬口徑、大縱深”的人才培養(yǎng)目標。

1賓夕法尼亞州立大學(xué)的圖學(xué)課程特點

工程圖學(xué)課程在賓夕法尼亞州立大學(xué)稱為工程圖形技術(shù)，作為一門通識課程能訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)。其具備以下特點：

1.1理論課程先行

作為一門工程圖形技術(shù)的先修課程，其內(nèi)容包括：草圖及書寫、正投影圖、立體圖、剖視圖、斜視圖、尺寸標注、公差、螺紋緊固件。學(xué)生上課教室配備電腦，教師首先利用板書對理論概念進行介紹，采用Solidworks軟件進行實際操作。學(xué)生一方面利用軟件進行練習(xí)，另一方面利用美國特制的“方格紙”進行訓(xùn)練，強化手工繪圖的能力。

1.2課程體系完善

包括以下科目：①計算機輔助繪圖簡介——利用計算機輔助繪制和設(shè)計圖形；②空間分析和計算機輔助繪圖——2D繪圖和3D實體建模技術(shù)，繪制工程圖；③圖形和實體建?！榻B具有約束和無約束的幾何及裝配的參數(shù)化實體建模技術(shù)；④應(yīng)用實體建?！獜膶嶓w模型創(chuàng)建工程圖，包括尺寸標注，螺紋緊固件，表面處理符號；⑤高級計算機輔助繪圖——應(yīng)用專業(yè)實體建模軟件生成完整、標準的工程圖樣。

1.3考查機制全面

該課程一學(xué)期完成，共3學(xué)分，16周，每周一次，每次2+1個課時?？疾榉绞桨?次測驗，3次考試和1次期末考試，第2周結(jié)束進行測驗，第6、10、14周結(jié)束分別進行3次考試，第16周結(jié)束進行期末考試，期末考試成績占總成績的25%。除此之外，還需考查學(xué)生參加實驗情況以及小組課題完成情況，該考核方式提高了學(xué)生的出勤率，強化學(xué)生對整個課程內(nèi)容的掌握，培養(yǎng)了創(chuàng)新思維和設(shè)計能力。

2工程制圖課程教學(xué)模式改革

對比國內(nèi)工程制圖教學(xué)方式，賓夕法尼亞州立大學(xué)的圖學(xué)課程具有以下特點：①課程實踐性強。Solidworks作為教學(xué)必備軟件，貫穿整個教學(xué)過程，對徒手繪圖能力、計算機繪圖能力要求較高；②課程理論知識弱。整個教學(xué)過程幾乎沒有理論講解，課程直接從三維構(gòu)形展開，不向?qū)I(yè)制圖延伸，最后向二維圖形拓展，強調(diào)課程內(nèi)容的實用性，重在多種圖樣表達方式的學(xué)習(xí)。

基于賓夕法尼亞州立大學(xué)圖學(xué)課程的優(yōu)點，對工程制圖課程教學(xué)模式進行改革?；诠こ讨茍D課時數(shù)共56學(xué)時的限制以及教學(xué)環(huán)境現(xiàn)狀，智慧教室電腦配備數(shù)量無法保障每位同學(xué)可以直接進行隨堂建模訓(xùn)練，不能及時反饋學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，因此，靈活使用“穿插式”教學(xué)模式進行有效教學(xué)。教學(xué)模式改革內(nèi)容包括：

2.1“穿插式”計算機輔助工程制圖教學(xué)

①工程制圖教學(xué)內(nèi)容重新整合。工程制圖課程重在立體的表達，根據(jù)立體構(gòu)形的復(fù)雜度，將課程內(nèi)容重新整合為立體基礎(chǔ)模塊、集合體強化模塊、部件—零件—圖樣專業(yè)模塊。

立體基礎(chǔ)模塊以課堂展示教學(xué)實物模型為主，輔以計算機多媒體技術(shù)，利用學(xué)生邏輯思維能力強的優(yōu)點，將點、線、面基礎(chǔ)投影理論知識穿插到立體基礎(chǔ)模塊中講解，幫助學(xué)生加強對一般位置和特殊位置直線、平面概念的理解和區(qū)分，使抽象的概念具體化，便于學(xué)生快速掌握投影基礎(chǔ)知識。

集合體強化模塊以三維建模為主，將截切立體和相貫立體穿插到集合體強化模塊中講解，弱化截交線和相貫線的理論概念，通過三維建模使抽象的概念形象化。幫助學(xué)生逐步建立基本體與點、線、面，集合體與基本立體的投影轉(zhuǎn)換和對應(yīng)關(guān)系，在授課環(huán)節(jié)注重強調(diào)工程制圖的“邏輯性”，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在集合體強化模塊的授課中，通過讀集合體軸測圖—建?！嬋晥D，讀三視圖—建?！嬢S測圖這樣一個二維三維不斷轉(zhuǎn)化的穿插式教學(xué)，強化集合體三維形象，提高學(xué)生的軟件應(yīng)用和三維構(gòu)形能力。

在學(xué)生建立了“表達+構(gòu)形”的設(shè)計意識和“表達+建?！钡闹圃煲庾R之后，從“設(shè)計、制造、裝配”一體化的角度出發(fā)，學(xué)習(xí)部件—零件—圖樣專業(yè)模塊。將國家標準的概念穿插到專業(yè)模塊內(nèi)講解，掌握常見零件和標準件的規(guī)定表達方法，加強對零件制造與裝配工藝的理解，提高學(xué)生的標準意識，提升現(xiàn)代制造理念。

②計算機輔助繪圖學(xué)時安排重新整合。傳統(tǒng)工程制圖課程安排為CAD軟件學(xué)習(xí)在前，三維建模軟件學(xué)習(xí)在后。但是，盡早開展三維建模可以幫助學(xué)生更輕松地理解點、線、面基礎(chǔ)知識，加快培養(yǎng)學(xué)生的構(gòu)形思維能力。因此，將計算機輔助繪圖學(xué)時安排重新整合為三維建模軟件學(xué)習(xí)在前，實驗學(xué)時為12個，CAD軟件學(xué)習(xí)在后，實驗學(xué)時為8個。

從立體基礎(chǔ)模塊開始，就使用三維建模軟件，通過構(gòu)建基本立體模型，培養(yǎng)“表達+構(gòu)形”的設(shè)計意識。在集合體強化模塊，不斷強化三維軟件建模技能，建立“構(gòu)形+建?！钡脑O(shè)計意識，構(gòu)建三維模型與二維視圖相互轉(zhuǎn)換的概念，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)工程制圖課程的“思維性”。

在部件—零件—圖樣專業(yè)模塊的學(xué)習(xí)過程中，培養(yǎng)學(xué)生掌握從模型庫中調(diào)用標準件的能力，靈活實踐零件的設(shè)計、制造、裝配信息即尺寸標注與技術(shù)要求。并開始CAD軟件的學(xué)習(xí)，彌補由三維建模軟件直接導(dǎo)出二維工程圖的不足，優(yōu)化學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，夯實基礎(chǔ)。

將工程制圖課程內(nèi)容和三維建模軟件、CAD軟件教學(xué)相互穿插，避免了單獨安排計算機輔助繪圖教學(xué)與工程制圖課程難以實現(xiàn)有效銜接的問題，并且三維建模軟件和二維CAD繪圖軟件的相互穿插學(xué)習(xí)，降低了軟件操作學(xué)習(xí)的枯燥性，提升了學(xué)生興趣，強化了圖學(xué)知識應(yīng)用能力。

2.2“互補式”計算機輔助工程制圖考核

工程制圖作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課，需要考核的不僅有理論知識，還包括學(xué)生的構(gòu)形思維能力。因此，需要建立一個知識與能力相結(jié)合的考核方式。包括兩方面：

①階段性課程內(nèi)容考核。根據(jù)基礎(chǔ)模塊、強化模塊和專業(yè)模塊的課程安排，在每一模塊課程內(nèi)容結(jié)束之后，對學(xué)生進行階段性考核，利用建模軟件完成考核內(nèi)容，根據(jù)考核結(jié)果檢驗學(xué)生對理論知識和建模技能的掌握程度，與教學(xué)內(nèi)容形成一個及時的反饋和互補。

②創(chuàng)新性課題任務(wù)實踐。工程制圖教學(xué)和三維建模教學(xué)都是針對學(xué)生的綜合素質(zhì)進行培養(yǎng)，在掌握了基本知識與技能之后，需要學(xué)生創(chuàng)新能力的提升。因此，分別在強化模塊和專業(yè)模塊之后，設(shè)置一個創(chuàng)新性課題任務(wù)，給定任務(wù)主題，學(xué)生根據(jù)主題進行三維建模并生成相應(yīng)的二維圖形，進一步增強學(xué)生的實踐能力、提升學(xué)生的創(chuàng)新意識，對課程的教學(xué)目標實現(xiàn)反饋和互補。

3工程制圖課程改革實踐

通過“群課堂”中的課程喜愛度調(diào)查、課堂教學(xué)效果滿意度調(diào)查、學(xué)生自評和對教師的評價，關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的情感與態(tài)度，并將工程制圖期末考試成績與第一作者所帶試驗班級與同專業(yè)其他班級成績對比，平均成績與及格率均有所提高。

除學(xué)習(xí)成績提高外，學(xué)生的建模技能也有明顯提升，主要體現(xiàn)在兩個方面：①通過平時的階段性測驗，考查學(xué)生的軟件使用情況，從建模速度、準確度和建模思維三個方面進行衡量，學(xué)生軟件使用熟練程度加強，從而使學(xué)生參加先進成圖技術(shù)大賽的積極性大幅度提升，2021年校賽報名總?cè)藬?shù)達到歷史新高258人；②通過設(shè)定小組科研創(chuàng)新任務(wù)，提升學(xué)生的軟件實操和創(chuàng)新構(gòu)形思維能力，體現(xiàn)工程圖學(xué)實踐性和創(chuàng)造性的教學(xué)目標。

4結(jié)論

在工程制圖的教學(xué)過程中通過重構(gòu)課程教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化軟件教學(xué)環(huán)節(jié)，弱化基礎(chǔ)理論概念，強化三維軟件建模技能，將模塊化的工程制圖課程與建模軟件教學(xué)穿插進行，優(yōu)化學(xué)生知識結(jié)構(gòu)，增強圖學(xué)知識的實踐性。“穿插互補式”教學(xué)模式在培養(yǎng)學(xué)生的讀圖繪圖能力、空間構(gòu)形能力、創(chuàng)新實踐能力方面體現(xiàn)出良好的教學(xué)效果，使學(xué)生具備了勝任社會專業(yè)需求的必需技能。

*通訊作者：李心橋

基金項目：國家自然科學(xué)基金（52105474）；山西省高?？萍紕?chuàng)新項目（RD2000003620）；山西省教改項目（J20220144）。

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