基于創新性構型設計的工程圖學教學體系研究

熊志勇， 羅志成， 陳錦昌， 姜立軍， 鄧學雄， 劉 林， 陳熾坤

（華南理工大學設計學院，廣東 廣州 510006）

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

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“創造性構型設計能力的培養”作為工程圖學課程教學任務和5個基礎之一，通過工程圖學課程學習培養學生的創新能力和工程意識。新的教學理念對工程圖學課程體系、教學內容改革、教學方法和教材建設提出了新的任務和要求。如何在新的教學理念下應用現代化教學手段,培養學生形體構型設計創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、國家級建筑制圖精品課程建設和廣東省教學研究項目“培養創新能力的工程圖學新體系的研究”，提出以構型設計為主線培養學生創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型設計為主線的課程體系構建、教學內容和教學方法的改革以及與之配套的教材建設，從而培養學生的創新思維能力。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，培養學生形體構型設計創新思維能力提供重要參考價值的教學實踐和有效途徑。

1 國內外工程圖學教研情況

一些先進工業國家的工程制圖課程中，傳統的畫法幾何內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、三維建模和培養學生創新思維的教學內容[5-13]。例如，弗吉尼亞洲立大學工程技術學院的教學大綱中，有關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計制圖課在低年級開設，將實體建模作為該課程的核心，每周教學環節包括：講課，手繪草圖，計算機繪圖等3個環節；加州大學圣迭哥分校工程圖學課程教學中[14]，注重培養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合，課堂教學內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，提高了學生設計創新產品的能力。上述這些學校的教學內容都蘊涵著構型設計的思想。

我國工程制圖課程教學改革主要經歷了兩個階段：一是早期基本上沿用前蘇聯模式，以二維視圖作為形體表達的主要形式；二是 20世紀90年代，隨著計算機技術的發展逐步深入，將計算機繪圖技術引入到工程制圖的課程當中，并逐步引人三維設計的手段來改革工程制圖的課程體系和教學內容[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、教學內容的改變只是側重點上的變化，而不是根本的改革，也難以提高學生設計創新問題的解決能力。為此，新的工程制圖課程體系應該注重培養形體構型設計創新思維能力，讓學生在了解現代工業生產與設計的基本知識的基礎上，能夠通過三維參數化特征造型軟件進行初步的構型創新設計工作。

近年來，國內一些高校對構型設計在工程圖學課程中的應用進行了一定的探索和研究。清華大學王濤[18]從機械設計方法學角度建立了一種面向計算機實現的仿生構形設計方法，并從功能面、零件和機構3個層次給予闡述；燕山大學趙炳利等[19]闡述了組合體構形設計在現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形設計的方法及考評辦法；江南大學蔡小華[20]從培養學生的工程設計意識和創新能力的角度提出用動態思維方法培養學生的空間構形能力開展了研究。但如何有效地培養學生的創造性構型設計能力、如何開展構型設計訓練，目前還沒有形成一個完整的教學體系，也沒有一本以構型設計為主線的，著重培養學生創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型設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

現代工程圖學教育的基本出發點是培養、啟發人的創造才能。構型設計教育是一種關于創造的教育。形體的構型設計是創造性設計的重要表達形式，也是培養學生創新能力和工程素質的關鍵。基于創新性構型設計的工程圖學教學改革目標是：構建適合培養學生創造性構型設計能力和創新能力的課程體系以及與之相適應的教學方法和教學評價體系。

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

3 教學改革內容

3.1 教學體系的構建

學生創造性構型設計能力培養中突出的是學生三維形體的造型能力，這是學生創新能力培養的重要形式之一。這一能力在基于構型設計的工程圖學課程中是通過不同教學內容中多種構型設計訓練、基于實例的創新設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。

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

該課程體系減少了傳統的畫法幾何及制圖技能的培訓內容，加強了徒手草圖、三維建模、構型創新設計和培養學生創新思維的教學內容。這一新體系將有效地培養學生的工程圖學思維能力，提高學生的工程圖學素質。

圖1 基于創新性構型設計的工程圖學課程教學體系

3.2 教學評價

教學評價是發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、激勵和質量監控的作用。因此，構建符合素質教育要求、適合培養學生創造性構型設計的能力和創新能力、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“學習結果與學習過程并重的評價機制”的基本理念，實現評價目標多元化，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合。

創新能力培養是在構型設計創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驅動的教學方法，充分調動學生的學習積極性，激發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，他們對教學內容的理解和掌握程度會有所差異，這就要求我們根據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。

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、形成性評價和總結性評價。我們在教學過程中，教育評價不再延用過去依據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，來適應并培養每個學生的創新思維能力。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，充分體現了教學過程的積累效應和期待效應。通過診斷性評價、單元（課時）形成性評價和階段終結性評價以及它們之間的相互轉化，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，為學生創設一種激勵性評價機制，這有利于激發學生的潛能和培養學生的形體構型設計創新思維能力。

4 教學改革實踐

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

4.1 教學資源建設

通過前期教學研究實踐，我們構建了突出學生創新思維能力培養的以構型設計為主線的工程圖學課程具有特色的新體系；編制基于構型設計創新思維培養的工程圖學課程講義和教學大綱；開發了部分創新設計理論方法工具集，用于輔助學生創造性構型方案生成。目前，本教學團隊在陳錦昌教授的倡議和大力支持下，正著手根據已有材料編寫出版基于構型設計創新思維培養的工程圖學課程教材；同時，繼續開發構型創新輔助工具集輔助學生構思創意方案，進一步完善課程教學資源，如網絡課程、模型庫等的建設，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量。

4.2 教學實踐

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

我們以中青年教師為主體，2008年在非機械類專業（生物醫學、材料化學和金屬材料等）工程制圖教學中引入了任務驅動教學法講授產品創新方法和構型設計思想，以課程設計的方式讓學生以小組為單位設計創新產品，并以各種方式呈現個人創新構思，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性評價以及它們之間的相互轉化，培養每個學生的創新思維能力。通過這種教學模式提高了學生主動學習的積極性、培養了他們的創新思維能力，并產生了一批可申請專利的創意方案，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 結束語

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

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