“工程圖學”課程教學改革的研究

薛小雯 蔡小華 朱 蕓

(江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫 214122)

“工程圖學”作為一門技術基礎課程，主要研究如何用畫法幾何理論將三維實體表達在二維圖紙上，而二維圖紙是指導生產實踐的重要技術文檔,圖紙上的各種標注、標記可以培養學生工程實踐意識。課程的學習提高空間想象力，培養形象思維能力。

隨著3D技術、計算機軟硬件發展、無紙化生產等新技術的應用，對工程圖學的教學也帶來了沖擊，學生對該各個學校對工程圖學的教學改革做了有益的嘗試。從閱讀文獻發表情況來看，有些是從培養形象思維能力的角度出發[1-2]，對課程的培養模式進行了改革；有些是從培養創新能力的角度出發[3-4]，對課程內容和實踐環節的練習進行了調整設計；有些是將現代三維造型設計與課程內容有效融合，將三維設計思想引入到課程的教學中[5-6]。在教學方式上，傳統的“黑板+掛圖”方式已很少，大多采用CAI課件，有些以幻燈片為主[7]，有些用集成的網絡版[8]。對實踐環節的教學改革，如測繪周的教學目標內容[9-10]、試題庫的建立、作業的自動批改等，也做了許多探討。有些學校結合國外教學[11-12]，從教學理念、突出能力培養和學生興趣等不同角度出發，對課程教學也做了改革嘗試，取得了一些成果。

綜上所述，“工程圖學”的教學改革主要從內容的調整、教學方式的改變、教學手段的多樣化等多個方面實施。江南大學“工程圖學”的教學據此進行了設計，首先明確課程的培養目標：圖形的表達與繪制、空間形象思維能力培養、創造能力和工程實踐意識的培養。其中創新能力和工程實踐意識的培養是最終的目標。通過培養目標,調整了課程體系結構、教學內容，并結合現代先進技術和教學理念對教學方法、教學手段進行改革，同時對實施這一改革的主體——教師將提出更高的素質要求。

1 課程體系、教學內容的調整

目前，對于課程體系的改革，主要有三種思想：(1)基礎平臺與綜合提高相結合的模式(融合式)。在運用現代教育技術時，將三維 CAD 技術、構形設計、計算機圖形學等新內容融入“工程圖學”教學中，加強對學生空間思維和構形能力、創新能力、工程意識的培養。(2)分塊協調模式(分段式)。隨著計算機技術的發展，在第二學年按學生專業課程的深入情況，分別增加計算機輔助CAD 課程的學習，將工程部分與后續專業課結合。(3)課群融合式(大綜合)。將工程圖學與后續機械基礎課程(力學、機械原理、機械設計等課程)大綜合。

江南大學采用融合式的教學思路，已在2013—2015年作了初步探索，從2016年開始正式實施新的教學計劃。教學分成兩學期，第一學期主要學習基礎的畫法幾何理論、點線面體、立體的交線、組合體、表達方法、軸測圖、標準件常用件等內容，同時將以前放在第二學期的AutoCAD軟件學習提前到這一期，共安排76學時;第二學期主要學習零件圖裝配圖的繪制，同時學習三維軟件的使用及設計方法，共60學時。課程總學時136學時，理論學時88學時，實踐學時32學時，上機16學時。將課程的學習由原來大一兩學期的學習，調整為大一下學期和大二上學期，金工實習仍安排在大一的第二學期，這樣在第二學期課程內容講解時學生對實體零件已有一些感性認識。

教學內容的改革是核心。受課時限制及現代三維設計在社會上廣泛應用的需求，學校在內容上做了以下調整：保留畫法幾何中和投影相關的主要內容，刪減了求解空間點線面之間一般位置幾何問題(距離、角度)；在相貫線、截交線的教學中，刪減了偏貫、斜交等復雜立體求交線問題；刪減手工繪圖學時，將手工繪圖一部分改為草繪；引入三維軟件造型以求達到更好的效果；在組合體部分增加創新構形設計，突出對學生形象思維和創新能力的培養；對零件圖和裝配圖部分的內容也做了較大的調整，將三維設計思想及三維設計軟件使用引入，提高對產品的表達能力；零部件測繪部分的教學設計為綜合訓練，從手工繪草圖練習到三維軟件繪零件及裝配體，再到轉化為工程圖并進行適當標注，通過這些調整，以強化工程實踐能力、工程設計能力與工程創新能力。結合這些內容的調整，學生作業方式的提交和教學方法也做了相應改變，具體安排如表1所示。

2 教學方法與教學手段的實施

確定好教學目標和教學內容，如何才能有效地實施呢？通過研究，課題組認為可以從教材的選用、CAI課件的制作、實踐環節的改革、課外學習環節的改革等多方面開展。

2.1 教材的制定與選用

教材作為教學的基礎性資源，不僅是知識的載體，更應該體現教學理念、教學目標、教學內容，是提高教學質量的重要保證。目前,《工程圖學》教材從編寫的模式來看，大部分教材按圖學理論和機械制圖兩部分編寫，在編寫過程中，按教學目標的不同，在順序上做了調整，有的以三維設計為主線，有的與機械設計系列課程融合等。從教材的內容來看，對畫法幾何部分作了較多刪改，難度有所降低，機械制圖部分以培養學生的形體表達、讀圖能力、構型設計、學生的創新能力為重點，對立體交線部分做了簡化，與三維實體造型結合講解交線的生成和二維投影圖，計算機繪圖部分增加三維造型等內容。

目前,機械類選用同濟大學《機械制圖》教材，該教材屬國家優秀教材、規劃教材，與教學內容、教學順序一致。習題集選用自編的習題集，同時在學生的課外學習中，輔助選用校編教材，主要有蔡小華主編的《工程制圖》和蔣曉主編的《AutoCAD2014中文版機械設計標準實例教程》。三維設計軟件根據專業和教師不同，主要使用UG、Creo和SolidWorks等軟件。教材內容中充分體現了教學思路，將實用性、創新性的觀點貫穿于其中，如蔡小華主編的《工程制圖》增加了徒手繪平面圖、繪軸測圖等內容，它是現代設計中的第一步，同時也鍛煉了學生現場表達能力；在講解點線面的投影及性質時，直接將點、線、面放置在體上，使學生一開始就從體的角度出發學習，更符合認知規律；在組合體部分，增加組合方式的類型，不只是疊加、切割，結合三維技術，還有拉伸、旋轉、掃掠等方式，同時將構形設計引入，這也是對學生發散思維和創造力的培養。這些教材內容以培養學生的創新能力和實踐能力為主線，提高學生的讀圖繪圖能力，能使教學目標得以實現。

表1 教學內容的調整

2.2 課堂學習CAI課件制作

課堂學習是學生掌握知識、教師實現教學任務的重要過程，課堂教學的靈活多樣可以使學生在同樣的時間內掌握更多知識。

目前,大部分學校制圖課程已經采用多媒體教學，教學課件中真實的立體投影、新穎的動畫表現形式能使學生快速進入三維立體空間，使學習直觀化和形象化，同時信息量大，在有效時間內可以傳授更多的教學內容。但是多媒體課件也有它的缺點，信息停留在學生大腦的時間短，記憶不深刻，學生作業效果差。傳統的教學，課堂用時多，信息量少，能引導學生一步步思考問題，熟悉解題的過程，對照實物模型的繪圖更加符合認知規律，特別是對于想象力差的同學，更容易讓他們建立起空間概念，強化學生規范化、標準化的徒手繪圖意識。

在課堂教學中，主要以CAI課件為主，除采用與教材配套的課件外，還自制幻燈片，主要以PowerPoint 為主，將教學內容、教學目標融入課件中?；脽羝淖?、圖形、動畫于一體，平面圖用PowerPoint自帶的繪圖功能和AutoCAD軟件繪制，三維立體用AutoCAD 或UG等軟件構建，動畫用 Flash等軟件制作，創設一個靈活顯示教學內容、實現互動的學習情境，以激發學生的學習興趣和主動性。如在截交線和相貫線的講解過程中，通過計算機建模后運用交并叉集的方式形成立體的交線，再形成投影視圖，將這一過程做成動畫，鏈接在幻燈片課件中，形象直觀，可在有效時間內學習更多內容；在工程圖教學部分，錄制部分典型零件加工過程，拍攝常見標準件及零件表達圖片，用于課堂教學中，可提高學生的工程意識。此外，在講解例題時，運用黑板板書“+”實物模型的方式，實物模型直觀明了，板書的書寫過程是對問題的分析、解決過程，幫助學生更好地掌握知識。

2.3 實踐環節訓練

在教學環節中，作為教學的另一主體——學生，如何有效地掌握所學內容，完成既定的教學目標，就需要在實踐環節進行合理安排，設計出行之有效的方案。

在練習方式上，主要有尺規繪圖、繪草圖、計算機繪圖。尺規繪圖主要用于習題作業的訓練，掌握課程的基本內容，熟悉國家標準規定。在作業內容方面，與教學內容同步；與改革前相比，除基本的知識點訓練外，平面圖和軸測圖部分增加草繪練習；組合體部分增加一題多解、一形多種形成方式等構形練習；表達方法和零件圖部分增加方案和典型零件表達方法強化等訓練；CAD繪圖訓練與課程進度同步，熟練掌握CAD繪制二維圖。作業的合理安排可增強學生繪圖能力、空間思維能力的訓練。

零部件測繪是機械制圖中培養學生能力必不可少的實踐環節，是學生對本課程所學知識的綜合運用。零部件測繪以分組的形式進行，測繪對象是齒輪油泵，在了解其工作原理后，要求先繪制草圖，然后采用計算機來繪制零件圖和裝配圖。這樣可以綜合訓練學生的徒手繪圖和計算機繪圖能力。在繪圖過程中，將加工、工藝、設計理念等融合到測繪實驗中，起到綜合訓練的效果。

模型制作可以通過繪圖軟件三維構型設計來完成，這樣既能訓練學生的計算機繪圖能力，也能激發學生的自主學習能力，進一步開拓他們的想象空間，培養學生的創意設計能力。此外，選用教材中零件不多的銅球閥為例，先三維造型，并裝配成部件，然后轉換成工程圖，從視圖轉換到表達方案的選擇，加強表達能力和工程意識的訓練。

除基本知識掌握外，增加的主要實踐環節訓練內容，如圖1所示。

圖1 實踐環節練習

2.4 課外學習環節補充

除課堂教學外，為配合教學內容的掌握，還制作了三維電子模型庫、構形設計訓練軟件和典型產品的加工錄像等作為課外補充。

三維電子模型庫采用Flash軟件制作，用Dreamwave合成，便于將來在網上瀏覽。三維電子模型庫主要制作了立體截交線、相貫線、組合體和表達方法四章節主要習題的動畫，對學生快速建立空間概念起到幫助作用。每部分都設計一個界面，將這部分的習題列于其中，圖2是三維電子模型庫截交線部分的網頁，點每幅圖的文字就可鏈接各圖的flash動畫，動畫展示立體的形成過程并最終顯示立體的二維投影圖[12]。構形設計訓練軟件用VB設計主界面，有一題多解等訓練題，選擇題、判斷題可在軟件界面中選擇，需要大量畫圖的題，可用VB調用AutoCAD，或直接打開CAD界面繪圖，如圖3所示。

圖2 三維電子模型庫

(a) 構形練習主界面

(b) 組合體部分構形練習

3 教師素質的提高及考核體制的改革

教學改革的完成與實施都是由教師作為主體來完成的，學術生命是高校教師的第二生命?；A課教師隊伍，雖然也參加科研項，但受課程繁重、研究方向、現有考核體制等因素的影響，加上青年教師都是博士畢業到校，都有自己的專攻方向，造成制圖教師嚴重缺編。

創新和實施新的教學改革需要穩定教師隊伍，一方面要減輕制圖教師的教學負擔，鼓勵并在政策上支持制圖教研室搞科研；另一方面要引入年輕教師參與教學和教研工作，從根本上穩定教師隊伍，同時改革教師評價機制，通過改革績效評估機制，保證改革順利進行和實施。

4 結語

通過對“工程圖學”教學目標的制定和教學內容、教學方法立體化的改革，有效地提高了教學質量和教學效果，對學生思維、創新能力的開拓起到了很好的作用。實踐環節的綜合訓練和課外學習軟件的使用，使得學生的工程實踐意識、形象思維和空間想象力得到了更好的訓練。

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