拔尖人才培養模式下的工程圖學教學研究

2014-07-09 01:17:22姜文銳

圖學學報 2014年3期

姜文銳，宮娜

（哈爾濱工業大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱 150001）

隨著社會的發展，科技的進步，高等教育需要深化改革和創新精神，需要注重培養在各個領域有強烈社會責任感與進取心，具有出眾的學術才能和獨特的人格魅力，能夠獨立創造性地進行科學研究的高素質拔尖創新人才[1-2]。這要求我們積極創建自由探索和勇于創新的教學科研環境，設計符合拔尖人才特色的課程培養方案與教學方法[3]。工程圖學作為工程界的語言，是一門非常重要的專業技術基礎課，對學生設計、創新能力以及技術交流能力的培養具有指導意義[4]。傳統的工程圖學課程注重教師的教授環節，以講課為主輔助大量習題作業，耗費學時較多，學生負擔較重，教學效果并不理想。為適應拔尖人才的培養模式，充分認識工程制圖在創新型人才培養中的重要作用，我校廣泛借鑒國內外同類課程的成功經驗，建立新的工程制圖課程體系，實現以學生為本的自主型交互式工程圖學教學改革。其中，為滿足日益密切的國際學術交流活動，采用中英雙語教學模式，使學生能夠逐步實現工程圖學的國際互認；設置基于構型創新設計實驗課，使學生能夠更快、更扎實地掌握制圖的基礎知識，減少了授課學時，減輕了學生負擔；并且，開展了以創新機械設計為主的自主型交互式機械制圖實驗課，充分發揮學生的主觀能動性與創造性，使制圖基礎課程與設計專業課程有機結合，取得了很好的效果。

1 工程圖學中英雙語教學模式的探討與實踐

工程圖學作為工程界的語言，在日益廣泛的國際學術交流活動中起到很重要的作用[5]。開展工程圖學中英雙語教學可以使得學生在掌握課程知識的同時，了解國外該學科的基本情況及發展方向，滿足高等教育國際化的需求，對創新型拔尖人才的培養具有很重要的意義。因此，我校挑選出一批能力強、基礎好的學生，成立了英才班，并配備具有很強專業知識與英語能力的教師，開展工程圖學中英雙語教學。通過連續在三屆英才班學生中的試點，總結出一定的教學經驗與方法。

首先，編寫適合拔尖人才的中英雙語工程圖學教材，使學生在有限的教學學時內能完全掌握各國制圖標準，比較性學習各國工程描述方法，能完整、有機地將不同的標準融合在一門課程之中。教材內容信息表達方式生動多樣化，除了常見的圖表外，還有正誤對比圖、產品真實照片圖、三維造型計算機截圖等，可以提高學生的學習興趣。教材包含的信息量盡量豐富。在保證基礎知識內容豐滿的前提下，強調工程圖學與機械設計、機械原理等學科的交叉，注重學科的前沿性，使理論與實踐充分結合，不但對培養學生的自學能力很有幫助，而且也便于教師的備課和開展教學。

第二，雙語教學應該以掌握課程知識為主要目的，以英語學習為輔，分清主次，不能將其變成一門語言課。因此，在教學過程中，應把精力更多地放在專業知識的學習上，輔助專業術語的英文表述，將中英文有機結合。為了提高教學效果，教師在上課前充分的進行備課與教學設計，認真制作雙語教學課件。在授課前，將上課所用到的專業術語翻譯成英文，要求學生記住這些專業詞匯。授課時，對于比較容易理解的基礎內容采用全英文講解，重點介紹專業詞匯的英文表達方法。對于重點、難點內容采用中英文雙語講解，側重學生理解課程內容，掌握知識。課后以英文形式布置作業，以便學生進一步掌握專業術語的使用。

第三，在雙語教學的過程中，要充分利用實物模型和三維造型計算機軟件等輔助教學手段，制作新穎、有趣的CAI課件，采用適當的激勵措施，調動起學生的學習積極性與興趣，使學生能夠更加主動地接受知識。教師與學生建立平等的、合作的、互信的、和諧的師生關系，建立一個思維開放、課堂活躍、積極向上的教學環境，開展互動式教學，實現老師與學生互動、學生與學生互動的新型授課模式。落實以學生為本的教學理念，發揮學生的創造性，提高工程圖學的學習效率。

最后，由于歐美、日本等發達國家的工程圖學采用“第三角投影”，而我國采用的是“第一角投影”，學生很難接受國外圖紙的表述方式，這對學生進行國際學術交流活動十分不利。為了解決這一矛盾，我們對雙語教學的內容進行了新的設計。采用以“第一角投影”為主，“第三角投影”為輔，二者對照性講解的方法，使學生不但能夠加深對投影理論的理解，也能夠使其適應國外圖樣的畫法。此外，世界各國的工程圖學教學均以貫徹“國標”為己任，各國制圖標準的不同直接導致了工程制圖教學內容上的巨大差異，在新課程中將增加國標、美標、歐標等標準的學習環節，通過工程圖學雙語教學可以實現工程圖學的國際互認。

2 基于構型創新設計的工程圖學實驗課開展

畫法幾何是工程圖學的基礎知識，包括國家標準的一般規定、投影方法、立體投影、組合體畫圖與讀圖等內容，是該課程的難點與重點，在傳統的課程體系中占有重要地位。教師在授課過程中往往要耗費大量精力與學時來講解這部分內容，課后還需要學生完成較多的習題作業來鞏固這些知識。這不但導致學生負擔過重、降低學習興趣，而且不利于創新能力的培養，教學效果不理想。因此，我校在英才班工程圖學課程改革過程中開展基于構型創新設計的工程圖學實驗課，著重培養學生的空間思維能力、工程意識和創新思維能力。

在實驗課開展之前，學生要有一定的知識與技能儲備。首先，需用傳統教學學時的一半時間講解制圖的基礎知識，著重概念與基本作圖方法的講解。要求學生能夠掌握各種立體投影的畫法、截交線和相貫線的基本作圖方法、組合體的畫圖與讀圖方法等知識。其次，由于構型設計的主要目標之一是培養學生的空間立體思維能力，實驗要在solidworks軟件平臺上進行，所以要使學生掌握這種三維建模軟件的使用方法。

構型設計是創新性設計的一種表達形式，是培養學生工程制圖能力的關鍵，更是培養學生的工程思維的關鍵[6]。因此不能簡單的為了構型而構型，要設置一定的評價標準與約束。首先，構型設計的出發點之一是提高學生學習工程圖學的興趣，加深對制圖基礎知識的掌握。教師在設計實驗課內容的時候就要充分考慮構型的約束條件，盡量通過構型的設計使學生鞏固基礎知識，加深理解。例如，在實驗課中，要求學生的構型滿足以下條件：所構型必須由4個以上的基本形體按照疊加和切割的組合方式組合；所構型必須含有平面立體與曲面立體相交、兩曲面立體相交的情況；所構型必須含有孔和槽的結構；繪出所構型的三維立體圖與二維投影圖。通過這項構型設計，既訓練了組合體畫圖與讀圖又加深了對截交線與相貫線等難點的理解。第二，通過構型設計培養學生的工程意識與創新思維。雖然構形設計有別于其他的專業性功能設計，不能把實現某一特定功能作為其評價指標，但是應該盡量鼓勵學生發揮創造性思維、師法自然、將設計與生活相結合，使之所構型能夠滿足一些應用，具有簡單的實際用途，為專業課的學習打下一定的基礎。由于學生并不具備相關的工藝知識，設計的結構可能會出現無法加工或者加工成本高等問題。這時要求教師進行相關的輔導，使學生通過構型設計對工程實際情況有初步的了解。最后，我們所進行的構型設計還要滿足一定的美學要求。在完成構型設計之后，組織學生一起討論各自的設計結果，其中可以引入一些美學元素，例如所構型的各基本形體的布局與比例、結合方式、穩定些與協調性等，使學生將來能夠成為一名有一定審美能力的工程師。

我校對連續三屆英才班共75名學生開展構型創新設計實驗課試點，經統計共完成設計方案81個，均符合設計要求。其中58種構型能夠實現一定的實際功能，具有獨特的創新之處，充分鍛煉了學生的創造性思維能力，使之萌芽了一定的工程意識。如圖1所示，為學生構型創新設計的典型三維立體圖示例。通過三維立體圖以及二維投影圖的繪制，不但使學生建立了空間思維，而且加深了對制圖基礎知識的掌握。經測驗發現，學生在進行組合體“二補三”讀圖時，處理截交線、相貫線等細節問題的能力明顯提高。

圖1 構型創新設計的典型三維立體圖

3 自主型交互式機械設計制圖實驗課開展

零件圖與裝配圖的畫法一直是工程圖學的重點與難點，也是學習機械設計專業課程的必備基礎。在傳統的工程圖學教學過程中，這部分內容主要依靠教師理論講解，配合簡單機械零部件的測繪，學生在學習的過程中往往只知其然，不知其所以然。在教師的反復指導下，參考例圖，也只是勉強地把機器或零件表達出來，而不明白某些細節處為什么這樣設計，為什么要如此表達，甚至無法獨立完成結構復雜的機器的裝配圖繪制。究其原因是因授課方式的理論與實踐聯系不緊密，不注重工程圖學與機械原理、機械設計等學科的交叉結合造成的。這不利于培養學生的創新性思維與動手能力，不利于提高學生團隊合作素質。為了解決這個問題，我們嘗試對英才班工程圖學課程中“零件圖與裝配圖繪制”這部分內容的授課方式進行一定的改革，開展自主型交互式機械設計制圖實驗課。

首先，教師用一部分課時講解零件圖與裝配圖繪制的基本知識與方法，通過對一些簡單結構的機器零部件進行測繪，使學生對這部分知識初步理解。與此同時，每周安排學生到金工廠參觀實踐，結合授課的理論知識，現場學習相應零部件的加工工藝與流程，從而使學生直觀地掌握各種零部件的結構形式與加工、工作原理。此時再與所學的理論知識相聯系印證，進一步明確零部件的畫法與表達方式。

其次，哈爾濱工業大學擁有國家級的機械設計創新實驗基地，具有多種機器實物供學生拆裝實驗。在此實驗平臺上，可開展自主型交互式機械設計制圖實驗課，進行復雜機器的拆裝及裝配圖繪制。所謂“自主型”是指將學生分成若干實驗小組，每組5～7人，在實驗過程中，教師不主動參與實驗規劃與進程安排，完全由學生自己獨立設計拆裝實驗流程，選擇測繪的表達方式，從而提高學生獨自發現問題、解決問題的能力，加強動手實踐能力的培養。而“交互式”是指在實驗的過程中，每名學生分別承擔一部分零部件的測繪，之后進行匯總，再由學生小組集體討論各零部件的結構、功能，分析機器的傳動路線、裝配干線以及工作原理，最終完成裝配圖的繪制。通過這種方法充分訓練學生的團隊合作意識。

最后，通過實驗課的開展，將機械設計與工程圖學有機地結合起來，不能單單為了表達而繪圖，應注重工程意識的培養，使學生初步明白機械設計的思路與方法，為后續課程的學習奠定基礎。并且，應注意鍛煉學生的創新思維，要求學生在測繪機器的過程中，嘗試對機器某些零部件的結構進行創新改進。教師結合專業知識對學生的創新方案進行分析、評定。需要注意的是，即使對于一些不符合實際的異想天開式的創意，也應予以鼓勵，從而提高學生的創新積極性。如圖2所示，為學生完成的齒輪泵裝配圖示例。

圖2 齒輪泵裝配圖

4 過程化、分段式成績考核方法

隨著教育改革的深入，對工程圖學課程的考試方法也進行一定的改進，以適應拔尖人才的培養。不再以一張期末考試試卷決定學生的課程成績，充分參考學生在課程學習過程中的表現，結合每一階段實驗課的實驗結果，實施新的過程化、分段式成績考核方案。其中工程圖學的基礎知識內容采用筆試考核方法，占總成績的50%，平時的習題作業占總成績的10%，構型創新設計工程圖學實驗課的成績占總成績的10%，自主型交互式機械設計制圖實驗課的成績占總成績的30%。

對于實驗課的成績評定，采用教師打分與學生互評相結合的方法，力求公平公正。教師從專業的角度對實驗結果進行評分，對于學生在實驗過程中的創新性工作適當加分。學生互評應依據實驗過程中個人分工的完成情況進行，對于實驗各階段起到主導作用的部分學生予以加分，鼓勵其學習積極性。

5 結論

總結三屆英才班學生考試測評，學生成績優秀率分別達到40.8%，42.3%，45.1%，合格率為100%。回訪專業課教師，這些學生制圖基本功扎實。在專業課的理論學習過程中，接受能力強，思維敏捷；在專業課的實驗階段，創新能力、動手能力較強，具有一定的團隊合作素質。

通過開展適合拔尖人才培養模式下的工程圖學教學改革實踐，改善了工程圖學的教學效果，提高了學生的制圖能力，培養了其創新思維與工程意識，鍛煉了學生實踐能力與團隊合作素質，為專業知識的學習打下了良好的基礎。

隨著課程改革的不斷深化，總結改革實踐的成果與不足，在接下來的工程制圖教學工作中，應安排好授課內容與學生自學內容的比例關系，加重實驗課的比例。不斷地發展和完善，以期望達到更好的教學目標。

[1] 張秀萍. 拔尖創新人才的培養與大學教育創新[J].大連理工大學學報(社會科學版),2005,26(1): 9-15.

[2] 郝克明. 造就拔尖創新人才與高等教育改革[J]. 遼寧教育研究,2003,(12): 5-9.

[3] 陳希. 改革創新構建研究型大學的人才培養體系[J].中國高教研究,2003,(11): 3-6,20.

[4] 毛文武. 美國加州大學圣迭哥分校工程圖學課程教學研究[J]. 工程圖學學報,2007,28(5): 172-177.

[5] 孫煒,陳錦昌. 工程制圖雙語教學的探索與實踐[J].工程圖學學報,2006,27(6): 141-144.