以工程意識教育為導向的工程圖學能力培養方法探析

伊 鵬， 劉衍聰， 牛文杰， 趙軍友， 秦 臻

（中國石油大學(華東)機電工程學院，山東 青島 266580）

以工程意識教育為導向的工程圖學能力培養方法探析

伊 鵬， 劉衍聰， 牛文杰， 趙軍友， 秦 臻

（中國石油大學(華東)機電工程學院，山東 青島 266580）

本科階段加強學生工程意識培養重要而緊迫，分析了現代工程意識和能力培養的主要內容，以工程圖學課程為切入點探究了課程教學內容與工程意識的密切聯系，基于工程意識培養的可行方案，針對不同教學環節的培養方法進行創新設計，并配套設計了工程意識實驗環節，使得教學手段更為立體、方法更為多樣，為培養理論基礎扎實的現代工程創新人才提供了有效途徑。

工程意識；圖學能力；培養方法；實驗課程

知識經濟時代國際競爭日益激烈，技術創新已經成為競爭力的決定性因素。我國的經濟發展正處于從資源依賴型向創新驅動型的轉變過程中，其中也伴隨著從技術依賴型向自主創新型的戰略轉變。當下，培養具有專業素質又富有創新精神和能力的高層次人才顯得尤為重要，這對于高等學校本科的專業基礎課程培養水平也提出了更高的要求，而“人才培養模式改革取得突破，學生的實踐能力和創新精神顯著增強”成為國家對現階段高等教育人才培養的直接要求。為應對新形勢下的人才需求，眾多高校已經開始探索一種大工程教育背景下的工程教育體系改革，著重培養和提高學生的工程意識成為新型高教人才培養的共識[1-3]。

工程圖學作為工程類專業的技術基礎課程，以培養學生空間思維能力、繪制和閱讀工程圖樣的能力、以及增強學生工程實踐能力和創新意識為目標[4-5]。通常開設于大一和大二階段，也正是學生開始接觸工程問題、形成工程意識的啟蒙階段，所以該課程的教學對學生工程意識、創新意識的培養具有至關重要的作用。

根據學校制訂的“十二五”發展規劃，工程圖學所在的機械工程系列課程的教學改革與實踐要以工程意識養成教育和實踐動手能力、創新能力培養為目標，構建集教與學為一體、理論教學與實踐教學為一體、課內與課外教學為一體的實踐基地，不斷提高教學水平和教學質量[6]。因此，在已有改革的基礎上，依托工程圖學省級精品課程的建設平臺，突出重點、開拓思路，分析課程中工程意識教育與現代工程圖學能力之間的內在聯系，堅持實驗教學與理論教學相結合、實驗教學和科學研究相結合，對工程圖學課程進行創新建設。

1 現代工程意識和能力培養的主要內容

現階段學生的工程意識和能力的培養，主要從工程實踐意識培養和工程創新意識培養這兩個方面著手，兩方面培養雖然在層次上為遞進關系，但通過設置合理的課程教學環節能夠得到互為補充和促進的教學效果。

1.1 實踐意識培養

理工科院校是培養工程技術人才的重要基地，因此需要培養學生的工程實踐意識和能力作為其課程體系的建設導向。近年來，雖然眾多院校一再呼吁要加強實踐教學環節，包括實驗、實習和設計等；但由于各方面條件所限，考試成績一定程度上仍然是教學的主導方向，學生的工程實踐興趣沒有得到引導，學校的課程建設投入沒有得到保證[7]。因此，課程中實踐教學環節比重較低，學生缺乏學習興趣，也很少有時間和機會參與產品設計、機械制造甚至加工裝配等第一線的工程實踐活動。

課程教學環節的設置過程中，要體現工程實踐意識的特征，切實加強工程實踐訓練。一方面，避免過多的理論教學純學術化和學科化傾向，加強工程基礎類課程的教學，并在這些課程中結合課程內容開展工程教育，讓基礎課程工程化、近現場化，幫助學生建立工程實踐的概念；另一方面，構建新的實驗與實踐教學體系，整體提高學生的設計能力。從而逐步將依附性實驗轉變為獨立性實驗，增加設計性、綜合性實驗，從單純技術性實習向綜合性實習轉變，同時增加和加強課程設計環節，提高設計內容的綜合性、設計過程的實踐性以及完整性。

1.2 創新意識培養

工程實踐意識逐漸建立起來的同時，工程創新意識教育也開始在學習過程中萌發，學生會針對所學知識進行自覺地綜合運用，期待能夠解決實際問題，解決問題又不可避免地激發創新意識，從而形成對工程創新意識的自覺培養，所以兩者是密不可分的?？梢酝ㄟ^啟發、誘導等教育手段，激發學生探求新知和新技術的興趣，自我學習、自我提高，從而能夠推陳出新，有所發現和突破。

以培養學生的創新意識和創新精神為目標，應注重3個方面的培養：①樹立創新教育觀念，改變傳統的繼承式教學模式，釋放學生的創新熱情，不僅注重理論知識的學習，更要重視學生應用所學知識創造性地解決問題的能力；②營造有利于培養學生創新意識和創新能力的文化氛圍，開設有關創造學、創造力開發訓練和創造工程的課程，同時調動自主創新的積極性等；③樹立個性教育的觀念，知識的個性可以有效驅動并產生創造能力，通過還原教育的生機和活力，賦予學生知識的靈性和創造性。

2 工程圖學能力課程教學方法設計

工程圖學是理工科學生在本科期間首先接觸的專業類基礎課，學生能夠在圖學課程的學習中，或抽象或具體地接觸大量的工程元素，是大學本科工程意識培養的重要陣地，因此對其課程教學方法進行了設計，主要內容如圖 1所示。圖學能力培養可以分為 4個方面：圖感檢索能力、圖學表達能力、空間分析能力以及現代制圖能力。在實驗支持方面，搭建石油石化特色裝備的實驗平臺供學生進行拆裝測繪實踐，同時配套進行教材建設和軟硬件支持。

圖1 基于工程意識培養的課程內容示意圖

2.1 圖感檢索能力的培養

圖感是對所看到圖形的直觀感覺，在靈活應用圖學理論的基礎上，以形象思維和抽象思維為依托，經過大量訓練逐漸形成，其對圖形的敏感程度是圖學能力的重要度量[8-9]。因此真正用圖學的語言進行思考，調動圖感直接對相關知識檢索進而將對象結構進行快速分析，成為提高工程意識、鍛煉圖學能力的有效途徑。

(1) 在點、線、面和組合體環節，適當壓縮幾何關系和投影規律的推導，轉而明確提出圖感的概念，帶領學生展開空間想象及形象思維，在腦中建立空間點、線、面和基本形體的虛擬模型，并積極進行對應和聯系，進而建立起條件反射，此為圖感的形成階段。

(2) 在軸測圖環節，重點鍛煉學生根據投影圖繪制軸測圖的能力，訓練學生快速繪制空間形體的軸測草圖，如同模型在腦中一樣，使用起來得心應手，由此進一步掌握典型形體結構及其特征，促進圖感的逐漸建立，此為圖感能力的輔助提升階段。

(3) 在畫圖和讀圖環節，大量使用實物模型，將模型與平面視圖進行比對，旋轉實物模型進行多視角觀察、剖切，以此引導學生對虛擬模型進行轉換思考，然后脫離模型繼續思考，依托基本的投影規律，可以將空間形體想象清楚從容作圖，此為圖感的增強和運用階段。

(4) 在表達方法和零件圖環節，依托計算機3D建模軟件，根據教學安排中的例題，對應制作零件模型，以3D環境中零件模型的動態教學為主，PPT靜態教學為輔，綜合前面圖感能力的培養，引導學生熟練運用圖感進行零件圖的繪制，此為圖感的熟練、綜合運用階段。

2.2 圖學表達能力的培養

注重表達能力的培養有助于增強學生運用已有知識解決工程問題的自覺性，因此在機件表達方法的輔導、一般類零件表達方法、典型機構零件表達方法、行業特色典型機構零件表達方法、行業特色圖樣閱讀方面對課程體系進行調整。

(1) 在機件表達方法的輔導和一般類零件表達方法環節，加強理論教學手段，開發理論教學多媒體CAI課件以體現課程教學內容、思維特點以及反映軸、盤、支架、殼體類零件幾何形體表達、尺寸標注、技術條件的課程培養特點，通過教學使其得到不斷完善，在圖學表達能力培養方面發揮作用。

(2) 在機件表達方法和一般類零件表達內容環節，根據圖學實踐教育的重要性，與理論教學對應配套1:1學時的實踐環節，以軸、盤、支架、殼體類零件的課內工程測繪、表達方案的討論以及相應的工程圖樣繪制加強學生這兩方面能力的培養。

(3) 在典型機構零件表達方法和部件表達方法環節，主要采取與工程測繪實踐相結合的方式進行，以部件實物測繪方式對部件及其典型零件進行工程圖樣的表達繪制，以加深學生對工作原理、裝配關系、零件的組成、零件之間的相互作用、尺寸公差、材料以及表達方案的選擇等內容的理解。

(4) 在行業特色典型機構零件表達方法環節，主要結合目前正在開展的機械產品設計相關的研究工作，如石油鉆采用的泵閥及運動裝置等都由結構典型的各類零件組成，教師帶領并輔導學生通過集體討論、分工協作的方式，繪制其工程圖樣，如圖2所示，增強學生對具有行業特色零部件的表達能力。

2.3 空間分析能力的培養

空間分析能力的培養方面主要在基本體組合分析、形體構形分析、圖與物的相互轉化分析、畫圖與讀圖的形體分析和線、面分析環節開展課程教學工作。

(1) 在基本體組合分析和形體構形分析環節，采取案例教學結合課上、課后作業練習的方式，課內測繪組合體模型，通過視圖選擇、組合體形體分析、三視圖繪制等內容加強學生對形體分析方法的理解和應用。另外，與圖感培養相結合，給出組合體的一組視圖，如圖3所示，讓學生盡可能多的構想空間形狀，鍛煉學生空間想象能力。

(2) 在畫圖與讀圖的形體分析、線、面分析和圖與物的相互轉化分析環節，以課上講解具體實例、課下作業實踐輔導方式為主，一方面讓學生分析基本體形狀和空間位置，利用形體分析方法對形體進行假想拆分，并應用于讀圖和畫圖，此外，還要鍛煉學生還原基本體、分析截面及交線，并應用于讀圖與畫圖的能力。

2.4 現代制圖能力培養

現代制圖能力是能夠直接反映學生的課程學習效果的可靠手段，課程教學的最后階段，補充制圖能力的培養，可以激發學生的工程實踐意識和創新意識，提高動手能力，主動運用圖學知識，得到設計成果。在工程圖學教學內容改革的基礎上，課程中補充工程圖樣的計算機輔助繪制以及工程零部件的三維幾何建模的教學和實踐內容[10]，分別采用最新版本的AutoCAD和SolidWorks工程軟件。

AutoCAD軟件輔助工程圖樣繪制的教學內容包括圖樣繪制、編輯、圖層、圖塊、尺寸標注等，在實踐環節中[11]，主要針對具體的組合體、曲線圖案、一般類零件，如軸、盤、支架、殼體等的圖樣繪制、尺寸標注為內容對學生進行培養，示例圖樣如圖4(a)所示。SolidWorks軟件輔助三維幾何建模的教學內容包括草圖繪制、零件特征造型、零部件智能裝配、工程圖樣的生成設計等，在實踐環節中主要針對典型的一般類零件的三維特征建模，以及齒輪泵、快速閥等部件所組成零件的三維幾何建模和裝配進行培養實踐，示例圖樣如圖4(b)所示。

圖2 用于學生實踐鍛煉的防噴器裝配和零件圖

圖3 用于鍛煉空間想象能力的一組視圖

3 石油鉆采裝備工程實驗環節設計

工程圖學課程的實驗、實訓環節一直以來課時安排不夠充分，實驗目標不夠清晰，學生很容易將其認為學期末簡單的拆裝測繪，未能達到課程安排的培養目的[12]，然而合理設置這一環節，是可以很好地培養學生的工程自覺意識。因此，依托本校的石油石化行業背景，開展工程圖學課程石油鉆采機械測繪實驗環節的設計工作。

實驗平臺的建設突出我校圖學課程的石油、石化行業特色，從大一開始加強對石油機械的認知，為學生后續石油類專業課程的學習打下良好的基礎，所采購的鉆采機械裝備用于師生的室內拆裝、工程測繪和主要工作原理的講解，并在圖學課程教學中增加石油鉆采機械圖樣教學內容。此外可以在假期課程設計中，針對部分有興趣、有潛力的學生開設鉆采機械產品創新設計的選修課，進一步培養學生的工程意識和實踐能力。

目前實驗平臺正在建設中，現階段購置的設備包括：井口轉盤套、鉆機傳動減速器、螺桿馬達鉆具、液壓油管鉗、井下抽油泵、實驗臺架及設備的拆裝工具等各兩套，并配套鉆采機械測繪網上實驗室和測繪展示櫥窗等進行支持。根據教學安排和工程意識培養目標，盡可能發揮實驗平臺的最大作用，計劃開設的圖學課程及其他相關課程的實驗項目如表1。

表1 實驗環節的課程設計

4 結 束 語

依托工程圖學精品課程的快速建設，在學生的工程意識、實踐意識和創新意識的教學培養方面得到了進一步的重視，進而開展了充分的課程改革探索?；诠こ桃庾R培養創新課程教學方法并配合設計行業特色的工程實驗課程環節，為學生圖學能力和工程能力的提高提供了廣闊的空間，也適應了本科階段的基礎理論課程與工程意識培養的人才教育目標。現階段課程建設和改革是一個長期的系統工程，還需要不斷優化課程內容、配套特色實驗設備和條件，循序漸進地提升教學質量，同時重視加強教學師資隊伍的建設，通過豐富中青年教師的工程經歷提高教學水平。

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Analysis of Engineering Graphics Ability Training Methods Driven by the Engineering Consciousness Education

Yi Peng, Liu Yancong, Niu Wenjie, Zhao Junyou, Qin Zhen
(College of Mechanical & Electronic Engineering, China University of Petroleum, Qingdao Shandong 266580, China)

It is important and urgent to cultivate students′ engineering consciousness in undergraduate education. In this paper, the main contents of modern engineering consciousness and ability are analyzed by taking the engineering graphics course as an instance, and the teaching contents in close contact with the engineering consciousness are explored. Based on the feasible scheme of engineering consciousness cultivation, various teaching methods are innovatively designed, and experiment platforms for engineering consciousness improvement are constructed. As a result, a three-dimensional teaching system with diverse methods is finally formed, which provides an effective way for the cultivation of modern innovative engineering talents with strong theory foundation.

engineering consciousness; graphics capabilities; cultivate methods; experimental courses

G 642.0

A

2095-302X(2014)06-0935-06

2014-07-24；定稿日期：2014-10-04

中國石油大學(華東)青年教師教學改革資助項目(QN201411)；中國石油大學(華東)研究性課程教學改革資助項目(YK201319)

伊 鵬(1983-)，男，山東淄博人，講師，博士。主要研究方向為工程圖學。E-mail：yipupc@163.com