以工程制圖課程的改革提升學生的工程素質

肖揚　祝效華

[摘要]工程制圖是工科專業學生重要的技術基礎課程之一，目的是要培養學生的工程設計表達能力、空間思維能力、閱讀和理解設計思想的能力，并在此基礎上形成綜合的工程素養，為其成為工程師打下良好的基礎。西南石油大學在本科教學質量工程建設中以工程制圖基礎課程教學改革為抓手，立足課程群優化，從教學內容設計、教學方法、教學模式等方面進行了系列改革和探索，培養和提高學生工程素質的成果逐漸顯現。

[關鍵詞]工程素質；工程制圖課程；教學改革；教學方法

[中圖分類號]G642.0 [文獻標識碼]A [文章編號]1005-4634（2016）04-0075-05

0 引言

工程制圖課程一直是工科各專業學生重要的了技術基礎課之一。現代科技的發展對學生提出知識結構和素質的綜合化的要求。工程制圖課程既是工科學生的必修技術基礎課，也成為一些非工科學生的必修課或選修課。西南石油大學開設的工程制圖基礎（Ⅱ）課程，涵蓋了幾乎校內各非機類工科專業，包括石油工程、化學工程、材料工程、電子與信息工程、自動化、通信、應用物理等。近幾年，每屆修課學生達2000余人，占每年新生的半數左右，成為除高等數學、外語和計算機基礎外，廣受歡迎的技術基礎課之一。因此，這門課程的建設和教學質量的好壞直接影響學校培養的學生的質量。然而，一方面該課程修課人數、專業眾多，需求量大面廣，在培養學生創造性思維能力、精神品格和工程素質方面的作用其他課程難以替代；另一方面受課時局限，如何通過有限的課程教學量，提升學生工程素質、提高教學質量和效率一直是，也是教師們課程改革一直關注的問題。

1 工程素質的核心是工程能力的培養

1.1 工程素質的三要素——工程知識、工程能力和工程精神

高等工程教育的首要目標就是培養工程素質——工程技術人員必備的內在品質和素養。工程素質是學生從事工程實踐活動中各種知識、能力、情感、品格等素質的綜合，科學性、系統性、復雜性、集成性、社會性和創新性是現代工程活動的特點，它要求工程技術人才要有較高的專業水平、科學全面的工程素質及結構。科學全面的工程素質結構由工程知識、工程能力和工程精神3個部分組成，是工程素質及其組成要素相互聯系、相互作用的方式。

1.2 應用型、創新型人才關鍵在于特殊工程能力的培養

工程能力是學生運用理論知識與實踐經驗以解決實際工程問題的能力。工程能力包括一般工程能力和特殊工程能力2個層面。一般工程能力指學習能力、實際操作能力、獨立分析和解決實際問題能力、人際交往能力、語言文字表達能力、外語和計算機應用能力等，也是學生將來勝任工程工作所必備的基本能力；特殊工程能力則指學生將來從事某項具體工程工作所必備的能力。工程的實施實質是從抽象設計到具體實現的過程，具體涉及工程理論研究、工程調研、規劃設計、產品制造（工程建造）、管理營銷等諸多領域和環節。因此，特殊工程能力相對于不同的工程領域與環節，又分別體現為研（開）發能力、設計能力、系統思維能力、協同管理能力等。

高等工程教育區別于其它領域的高等教育，在于其培養目標的特殊性——培養學生綜合運用科學理論和技術手段解決實際工程問題的能力，定位應用型、創新型人才培養。現代工程涉及多學科交叉、技術因素與非技術因素的融合，綜合性、集成性特點日益凸顯，需要綜合考慮政治的、經濟的、文化的、倫理的、環境的、審美的等諸多因素。所以，相對一般工程能力，系統思維能力、創新創業能力等特殊工程能力對工科大學生的培養質量而言更為關鍵。

1.3 工程制圖教學實現了工程知識、工程能力與工程精神的融合

現代工程制圖是高等院校工科相關專業教學計劃中必不可少的、入學后接受工程教育的第一門技術基礎課程。內容包括圖示、圖解空間幾何問題、繪制和閱讀工程圖樣原理和方法以及基本的工程素養的培養等。目的是通過培養學生表達三維物體形狀結構能力以及工程設計實踐能力，來培養和提升其空間思維與空間想象能力，掌握工程界的技術語言工程圖的相關知識。

工程制圖在培養學生工程精神方面有其特殊的地位，是其他課程不可代替的。首先，從內容上來講，在這門課里系統的介紹了工程圖繪制的理論與方法，培養學生繪制和閱讀工程圖樣的能力、計算機繪圖能力以及空間想象力，使學生能夠利用工程圖這一工程師的語言進行工作和交流。從這個角度上來說，它與數學、外語具有同樣重要的作用，都是人們進行交流的一種工具。其次，從時間上來講，它是學生接觸的第一門技術基礎課。在這門課里要培養學生嚴謹的工作態度和工作作風、為后續專業課和工作打基礎。對于非機類學生來講，還有普及機械工程及機械設計基礎知識的目的，讓他們初步建立解決工程實際問題的方法，以技術的觀點、工程師的觀點來看待問題和解決問題，是學生實現從高中純科學理論知識的學習到大學的專業教育過渡，最終成為具有工程技術實踐知識、能處理工程問題的工程師的重要橋梁。第三，從課程群的角度，工程制圖也是機械設計與制造類課程群的基礎，它的教學效果和教學質量直接關系著課程群其他課程的質量，對培養具有工程能力和創新能力的工程人才具有十分重要的意義。

2 工程素質培養引導的工程制圖基礎課程改革

2.1 課程體系改革立足于行業發展需求

2010年，教育部工程圖學教學指導委員會重新修訂了《普通高等院校工程圖學課程教學基本要求》。新版《要求》強調厚基礎、重實踐；內容聚焦三部分——圖示理論、圖示基本知識、圖示基本技能；目標在于培養徒手繪圖、尺規繪圖及計算機繪圖能力，掌握創新構型原則方法；將工業產品設計理念、工程制圖最新標準、創新構型設計等新知識納入教學體系，來實現學生工程意識、工程文化素質以及創新設計思維的綜合培養。

基于以上課程改革需求的變化，教師對課程體系進行了系統的整合：修訂培養方案，教學模式轉向培養學生學習和創造能力為主；優化課程體系，把學生工程素質培養作為課程重點；在教學中實現理論與實踐教學、知識傳授與工程實踐、能力提高與素質培養3融合，形成以學生工程素質培養為首要目標的課程體系。

2.2 以系統設計實現課程群優化

系統與優化是工程制圖課程改革需要考量的兩個維度。系統性主要源于圖學教育的基礎性。從歷史的角度看，文字、數字、圖形都是人類表達思想、交流知識的工具。圖學也因此與數學、文學一樣，成為共同支撐科學和工程發展的學科。聯合國對信息時代文盲的新定義是——不會讀圖、不會使用計算機。浙江大學陸國棟教授認為，圖學教育的地位如同數理化、外語、計算機一樣，共同擔負培養學生基本素質的重任，屬于學校教育的公共基礎平臺，其設計與改革要兼顧學校通識教育的系統性需求。優化則是因工程圖學課程的授課對象不同而在課程定位上所體現的差異性。工程圖學課程面臨3類需求：第一類是大學本科非工科類學生，工程圖學主要定位在培養學生的圖形素養；第二類是對大學非機械類工科學生，設置工程圖學的目的是培養學生的圖形與工程素質；第三類是對大學本科機械類學生，因為工程圖學與機械設計制造關系密切，其設計與改革必須關注機械類課程群的整體性與發展性。例如，在標準件常用件部分就可以適當介紹一些零件設計知識；而在零件圖、裝配圖部分，就可以結合零件的工藝結構和裝配合理性介紹機械加工與裝配的知識。這樣可以使得課程的知識點更豐富，同時加強學生后續學習在知識上的連貫性與整體性。

2.3 教學內容的設計體現分類指導、各有側重的原則

所謂分類指導，指教師通過有限的課時教學，針對各專業的不同需求，對各專業學生課程內容上作知識區分。學生進入大學前，對于現實生活中司空見慣的大量的機器是怎么設計和制造出來的，在這個過程中要考慮哪些問題和經過怎樣一個過程是缺乏概念的。通過課程內容設計上的分類指導，為非機類各專業的學生講解制圖理論與方法、機械設計和加工等基礎知識。使非機類學生充分了解工程制圖作為信息表達工具，在工程技術界及日常生活中的重要作用。不僅提前從專業基礎課開始了對學生工程應用能力的培養，更而且拓展了學生的知識面及空間思維能力，彌補后續專業課程設計上的局限。

各有側重是針對課時少、內容多的矛盾，在教學過程中重新定位教學重點。由于教學要求和學生的實際情況，非機類學生畢業后做機械設計的機會可能較少，但讀圖的可能性較大。教師便把物體的圖形表達和看圖作為教學重點和中心，圍繞它來組織教學。適當減少畫法幾何部分的要求和教學時間，把擠出的時間用在后面的看圖教學上，在看零件圖、裝配圖和專業圖上適當增加課時和訓練。對于內容占用課時較多，學生反應難度大，接受有困難的部分，如相貫線的投影部分，進行了簡化。

對于機件表達方法、零件圖和裝配圖等章節，筆者設計成制圖知識在機械工程領域中的應用，增加讀圖和畫圖的習題量，讓學生通過練習達到掌握知識技能的目的。教師進行這些內容教學時，重點是讓學生通過由組合體向機件轉化過程的學習、練習，把正投影的基本理論與工程實踐聯系起來，使學生真正理解物體怎么從簡單的幾何抽象形體經過一系列的設計和加工過程到機件再到零件的過程，接受初步的工程思維訓練，培養學生理論聯系實際的能力。

2.4 教學手段及方法改革——傳統與現代的結合

相對于傳統的教學，多媒體CAI教學有明顯的優勢：圖例豐富，課堂信息量大增；通過立體圖和動畫效果，使圖形變得生動活潑；有利于激發學生興趣，提升學生的空間思維能力。但多媒體信息容量過大，與學生接受知識的速度和能力的有限性存在矛盾，老師過多關注多媒體課件的演示，容易忽略與學生的互動交流，現代先進的教學手段對于課程教學質量產生一些負面影響。

相反，傳統的板書、掛圖、模型等教學方法，如果與教學內容和學生的學習過程有機結合，仍有其無法替代的優勢。老師現場作圖比動畫演示作圖，更能吸引學生的注意力，給學生留下更深刻的印象。老師的畫圖、講解過程，更是培養學生良好的作圖習慣和嚴謹工作作風的重要途徑。因此，在教學過程中，根據教學內容，充分利用傳統板書與現代信息技術等各種教學方式的優勢，將其有機融合起來。如相對于作圖過程較復雜的截交線、相貫線等部分，可利用結合模型、掛圖等傳統的教學方法，教學效果較好。而對于如三面投影的形成等抽象內容，利用多媒體教學則更為直觀，可多角度觀察，學生易于理解掌握”。輔以現代科技和教學科技成果：在講課時適當制作一些微課利于學生學習；開設課程學習QQ群，利用無線互聯網，實現與學生實時互動，指導學生學習，都取得很好的教學效果。

2.5 體驗主導型學習貫穿課程教學始終

從工程制圖基礎課程的內容和性質上來講，它是與機械產品的設計制造實際過程密切相關，有很強的實踐性。但是在實際的教學中，由于學生剛上大學，沒有工廠工作經歷和產品生產經驗，對于零件形狀的理解、物體的尺寸概念與標注、零件的技術要求與結構的工藝性、國家標準的，概念與遵守等基本工程素養都比較缺乏。因此，在進行課程機械制圖部分的教學時學生往往感到抽象和不好理解掌握。對此在課程教學中教師采取了3方面措施來實現體驗主導型學習：一是充分利用機械基礎實驗室，在實驗室配置機械設計軟件和3D打印設備。學生可以在老師的指導下在實驗室進行自己的各種創意設計和輸出，直接看到自己的設計結果，真正所見即所得，讓學生真正體驗把想法變成現實的樂趣。二是通過第二課堂，讓學生用學到的課本知識。進行一些帶有設計性質的訓練。例如，物體的構型設計、產品的外觀設計、簡單的機器機構的設計等。三是學生課外科技活動。通過指導學生參加機械創新設計大賽、全國先進成圖大賽、3D設計大賽、數值化機械設計大賽等科技活動，來提升學生的綜合工程素質。

3 工程制圖課程改革促進了工程素質的提升

3.1 學生的空間思維能力和創新能力得到加強

空間思維能力是培養創新能力的基礎，也是學生工程素質的重要內容和課程教學的難點。為了更好的培養學生的空間思維能力，筆者做了如下探索：一是在教學內容安排上，以立體為中心來組織教學。為了使學生盡早建立“立體”概念，充分利用日常生活中的物體并結合三維模型，加快點、線、面投影等基礎知識的教學進度，循序漸進地培養學生的空間思維能力。多看、多想、多畫、多練，通過立體到平面多次轉換和聯系來達到目的。二是盡量啟發學生的思維方式。根據現代三維設計軟件的物體生成思維方式來訓練學生，讓他們建立基本形體的概念、掃描和旋轉生成形體、基本形體的運算與特征等的概念，掌握在計算機軟件上生成物體的一般方式，以利于將來使用三維設計軟件。通過教學改革，學生空間思維能力得到明顯的提高。近幾年，學生在四川省和全國機械創新設計大賽和3D設計大賽中都取得了好成績。2014年共獲得四川省3D大賽特等獎3項，一等獎18項，全國3D設計大賽特等獎2項。機械創新設計大賽全國二等獎2項，四川省一等獎2項，二等獎5項。2015年又取得四川省3D大賽特等獎4項，一等獎6項，二等獎10項的好成績。同時，還參加了2016年全國先進成圖大賽和大學生機械產品數字化設計大賽。

3.2 激發了學生自主學習和思考的積極性

體驗主導型學習在課程教學中收到了很好的成效。教師是教學的主導，學生才是教學的主體，“授人以魚，不如授人以漁”。體驗主導型學習是在教師的指導下，學生自主發現問題、解決問題的過程。在課程講授過程中，多采用啟發式教學，引導激勵學生調動已學的知識來分析、解決問題。對于復雜一些的問題，給出時間讓學生互相討論；最后，由老師對學生的討論作點評，總結知識的重點、難點。通過積極體驗主導性的課堂教學和討論，促使學生運用知識認識、分析、解決問題，形成參與教學的積極體驗，極大地激發了學生學習的主動性，讓學生感受到課程學習的成就感。

教育平臺與資源幫助學生將學習延伸到課外。“課上了然，課后茫然”是學生上工程制圖課程后的形象寫照：上課似乎都能聽懂，但繪圖時卻無從下手；或做完了作業，可并不完全知道對錯。針對這一普遍現象，學校利用在線教育平臺，建設了讓學生自習、練習、自測的系統，并開放課程教學錄像、課件、大綱等網上課程資源庫。學生自己能夠在網上查找資料解決問題，并將學習探索結果以總結、小論文、調研報告的作業形式體現出來。學生不僅學到了知識，訓練了思考分析能力，體驗了知識學習與運用的樂趣與成就感，而且提高了學習興趣以及自主學習、探索的積極性。

3.3 通過“過程-規范-標準”夯實學生工程素質基礎

工程制圖是幾何學與工程實踐相結合的產物，它通過培養學生繪圖和讀圖的技能，提升學生的形象思維能力、空間想象能力和設計表達能力等工程能力，達到提升學生工程知識、工程能力、工程精神3方面工程素質的最終目的。

經過完整的課程學習，學生接觸到有關機械設計制造的基本概念、術語和國家標準，了解機械設計制造的一般過程。在教學過程中，結合有關內容從3方面著手拓展學生的工程素養：一是過程——讓學生了解機械設計制造的一般過程；二是規范——介紹初步的機械工程知識，學生能規范化地表達工程技術問題；三是標準意識——學生理解工程標準并養成遵守標準的習慣。工程制圖之所以被稱作工科的“啟蒙課”，是因為這些工程素養對后續的專業課程學習、畢業后勝任工程領域專業技術工作至關重要。

通過以上改革措施的實施，學生的工程素質得到了很大的提高。近3年，學生參加機械創新設計大賽和3D設計大賽都取得了好成績。有7名學生的畢業設計被評為全國優秀畢業設計，3名指導教師被評為全國優秀指導教師，在校學生申報3項發明專利，獲授權實用新型專利12項，學生設計作品轉化成產品28件，學生的就業形勢也逆勢而上。

4 結束語

工程制圖課程因擔負著制圖知識的傳授和工程能力的培養兩方面的重任，進行教學改革將是長期而持續不斷的任務。三維設計軟件的廣泛使用和3D打印技術的發展，可能對傳統的機械設計制造領域產生顛覆性的影響。工程圖學教育如何應對現代科技發展帶來的挑戰？圖學技術教育如何與時俱進？如何實現工程制圖課程與其它教學內容的無縫銜接與科學融合等，都是有待深入研究和實踐的重要課題。