構建基于OBE的立體化制圖教學新體系

張京英，楊 薇，佟獻英，張 輝，張 彤

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構建基于OBE的立體化制圖教學新體系

張京英，楊 薇，佟獻英，張 輝，張 彤

(北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081)

以機械工程大類的“機械制圖”課程為載體，以成果導向教育(OBE)理念為牽引，以課內教學為主線，整合和挖掘課外教學資源，依托“互聯網+”的技術手段，搭建了基于主動學習能力培養的“線上線下融合式教學平臺”；構建了“課內與課外相結合、線上與線下相結合、必修課與開放實驗課相結合、教師與學生相結合、理論與實踐相結合”的全方位立體化制圖教學新體系。經過7年的教學實踐及逐步完善，適度解決了課內學時有限、生師比高、實踐教學欠缺、課外輔導力量不足、學生學習興趣不高等長期困擾工程類基礎課教學中的難題，收到了良好的教學效果，為工程類基礎課程教學提供改革思路。

圖學教育；成果導向教育；工程圖學；混合教學；新體系

工程教育專業認證遵循成果導向、以學生為中心、持續改進3個基本理念，其對引導和促進專業建設與教學改革、保障和提高工程教育人才培養質量至關重要。成果導向教育(outcome based education，OBE)亦稱能力導向、目標導向或需求導向教育，作為一種先進的教育理念已成為美國、英國、加拿大等國家教育改革的主流理念，且被工程教育專業認證采納。用OBE理念引導我國工程教育改革，具有現實意義[1]。

“工程教育認證標準”注重能力的培養和業界需求，對課程的培養目標提出了更高的要求。華盛頓協議對畢業生的基本要求是必須掌握一定的數學、科學、工程基礎和專業知識，強調具備解決復雜工程問題以及設計復雜工程系統的潛在能力以及現代工具的應用能力——能在復雜工程活動中創建、選擇并應用合適的技術、資源、現代工程與IT工具，包括預測和建模等；同時還要求畢業生必須富有社會責任感，意識到工程與環境及可持續性之間的重要性，具有良好的職業道德，具有團隊工作能力、溝通交流能力、項目管理能力和商業意識、自主學習能力和終身學習意識等。這體現了社會發展對人才知識、能力和素質的普遍要求，與當前社會需求及學生發展相適應，為制定工科人才培養方案和本科培養標準提供借鑒和啟示。工程圖學課程作為工程教育的先導課程對學生能力培養具有重要的地位和作用[2]。北京理工大學工程圖學教研室以機械工程大類的“機械制圖”課程為載體，以OBE的教育理念為牽引，參照國外一流大學的教學理念和模式，強化師生互動、生生互動和實踐教學，在工程基礎課中改革和創新工程教育人才培養新模式，充分調動教師和學生的積極性和創造性，構建了以課內教學為主線，課內與課外相結合、線上與線下相結合、必修課與開放實驗課相結合、教師與學生相結合、理論與實踐相結合[3]的全方位立體化制圖教學新體系(圖1)，適度解決了課內學時有限、生師比高、實踐教學欠缺、課外輔導力量不足、學生學習興趣不高等長期困擾工程類基礎課教學中的難題；以制圖類學科競賽促學、促教，持續改進，構建了課程改革、實踐教學及學科競賽一體化的人才培養新模式。

圖1 立體化制圖教學新體系

1 以業界需求為導向，整合教學內容，實現傳統制圖與計算機二維及三維設計軟件一體化教學

信息技術的發展為傳統制造業所涉及的各種技術帶來了沖擊與改變。多元化計算機輔助技術(computer aided X, CAX)包括：計算機輔助設計(computer aided design，CAD)、計算機輔助工藝規劃(computer aided process planning，CAPP)、計算機輔助工程(computer aided engineering，CAE)等技術，其替代了原有的圖紙設計模式，使設計、裝配等繁瑣流程可以借助計算機完成[4]。如今計算機二維及三維設計軟件已融入到工程圖學課程的教學之中。

工程圖學課程的基本任務是培養構形、表達、讀圖及制圖能力，每種能力中既有對二維也有對三維能力的要求。我國高校對于在工程圖學課程中引入三維幾何建模教學采用“外掛式、分段式、融合式”等方式[5-6]，“外掛式”、“分段式”教學多是將工程制圖傳統教學、計算機二維繪圖(AutoCAD等)和三維設計軟件(Inventor、Solidworks、UG等)課程分別設置在不同學期進行，學生在學習各課程之間相關知識點時常會出現遺忘，教師在傳統制圖理論教學中常使用實物模型或制作電子立體模型幫助學生理解“二維圖”與“三維物”之間的對應關系，由于立體模型的數量有限，不足以覆蓋到教材和習題集中涉及的全部內容。“融合式”引入的思想是將三維建模的原理、方法和技能融入、滲透到工程圖學課程中，形成新的教學體系、教學內容和過程[6]，課程之間相關知識點的教學可相互支撐。

北京理工大學以多學時“機械制圖”課程為依托，打破傳統制圖課程與計算機二維及三維設計軟件課程教學的界限，整合相關知識點的教學內容，實現傳統制圖與計算機二維及三維設計軟件的一體化教學。

1.1 《機械制圖I》中的一體化教學

借助計算機三維設計軟件，將傳統制圖教學中“由二維想三維”的“讀圖”過程用計算機進行三維呈現，并通過投影生成工程圖將“由三維畫二維”的“畫圖”過程進行二維表達。

在“立體的截交、相貫、組合體、圖樣畫法”等教學環節，穿插講授三維設計軟件的三維建模和二維投影表達。三維建模的過程就是運用“形體分析法”中“讀圖”過程的三維呈現，學生在建模的過程中能更深刻地理解“形體分析法”的意義和作用，同時對尺寸的分類以及尺寸標注的要求有較深刻的理解；通過投影生成工程圖，可更好地體會“三等規律”的含義以及圖線、線框與立體結構之間的對應關系，可與“由二求三”尺規作圖進行對比，自我檢驗讀圖、繪圖正確性。

學生掌握了三維設計軟件，便可根據二維視圖進行三維建模，全方位動態地觀看立體，使二維圖樣“立”起來，激發學生的學習興趣；通過投影生成二維工程圖檢驗三維建模的正確性。傳統制圖教學與三維設計軟件的教學互相促進、相得益彰(圖2)。

圖2 組合體的三維建模及工程圖

在講授“制圖國標及平面圖形繪制”時，及時講授用AutoCAD繪制平面圖形，通過“圖幅、圖框、線型、線寬、字體樣式、尺寸樣式”等的正確設置，及時復習、鞏固國標中的相關規定；通過正確完成幾何圖形的繪制復習、鞏固幾何作圖的要點、同時完成二維繪圖軟件的教學，二者相輔相成，加深印象。

在講授圖樣畫法時，再次利用AutoCAD繪制剖視圖，并與尺規作圖以及三維設計軟件投影練習一同鞏固和強化圖樣畫法教學內容，從而實現將傳統制圖與計算機二維及三維設計軟件一體化教學，如圖3所示。

圖3 《機械制圖I》的一體化教學

北京理工大學《機械制圖I》共48學時(第一學期)，含16學時上機和尺規繪圖實踐。在完成“幾何作圖、組合體、圖樣畫法”3次尺規作圖大作業和習題集小作業的基礎上，還要完成“幾何作圖、圖樣畫法” 2次AutoCAD電子作業和“截交相貫、組合體、圖樣畫法” 3次Inventor (或UG)電子作業。期末總評成績的構成：15%尺規作業(含考勤)+15%電子作業+70%期末考試。

1.2 在《機械制圖II》中的一體化教學

以“項目驅動”的理念整合機械制圖(II)的教學內容，引導學生完成涵蓋標準件、常用件、軸系、各類典型零件和裝配體的學習以及零件圖和裝配圖的繪制，分階段完成裝配體(如：齒輪油泵或齒輪減速箱)的全套建模、虛擬裝配、運動仿真以及生成工程圖，如圖4所示。

圖4 《機械制圖II》的一體化教學

(1) 充分利用Inventor(或UG)三維設計軟件中標準件庫的強大資源及設計加速器的功能，完成螺紋緊固件及軸系中相關零件的建模、調用、裝配和投影，強化學生對常用標準件的國標代號、規格尺寸、結構、用途以及裝配關系和投影的認知。

(2) 用AutoCAD繪制零件工程圖，鞏固典型零件的表達及零件圖中相關內容。

(3) 對裝配體中各零件進行三維建模并生成二維零件工程圖，使學生充分理解各類零件的結構形狀、尺寸標注及投影表達。

(4) 通過虛擬裝配并生成裝配工程圖，深刻理解零件在裝配體中的位置和作用，掌握裝配工程圖的繪制。

(5) 通過運動仿真及拆裝動畫，深入了解裝配體的工作原理及裝配過程，提高工程認知。

這種項目驅動式一體化教學，不但使二維工程圖樣“立”起來，還能“動”起來，二維工程圖樣不再是抽象和難以想像的。很多學生對三維模型進行精心渲染并對制作的裝配體工作原理運動仿真和拆裝動畫配樂，使三維表達有聲有色。傳統的制圖理論教學與現代設計技術手段教學的有機結合，使教學不再是枯燥難懂的，而是生動、有趣、有吸引力的，大大提高了學生學習的積極性和主動性。

《機械制圖II》共48學時(第二學期)，含16學時上機和尺規繪圖實踐學時，其中部分上機實踐以項目小組課外完成。在完成習題集小作業的基礎上，再分別完成1張AutoCAD零件圖、螺紋緊固件尺規圖、A2齒輪油泵裝配圖尺規圖以及螺紋緊固件連接及軸系裝配三維電子作業以及一套裝配體項目作業，課程結束前進行小組匯報展示。期末總評成績的構成：20%尺規作業+20%電子作業(含項目作業)+60%期末考試。

1.3 在《數字化設計表達實訓》實踐周中強化項目驅動實踐教學

以裝配體為起點進行測繪或以裝配圖為起點進行拆畫，以小組為單位完成《機械制圖II》中裝配體項目全套作業，形成實驗報告。教學中強化過程管理，注重能力的培養和協作學習，使所學知識得以融會貫通。

實踐周(一周)32學時，課程結束時各小組匯報、展示學習成果，注重能力培養和協作學習，鞏固教學效果。

2 引入基于OBE能力培養的教學理念及團隊協作學習模式

如前所述，在傳統制圖教學內容基礎上又增加了計算機二維及三維設計軟件的教學，如此多的教學內容和作業量在沒有增加學時的基礎上若沿用以往的教學模式是難以完成的。為此，引入基于OBE能力培養的“項目驅動”同伴式學習的教學理念，特別是在《機械制圖II》中，依托三維設計軟件，以裝配體為載體設計項目作業，各班分成項目小組完成裝配體的三維建摸、虛擬裝配、工作原理運動仿真及拆裝動畫，并投影生成零件工程圖和裝配工程圖。

教師提前在第二學期初公布項目作業并確定學習成果，使得最終學習成果既是OBE的終點又是起點。隨著教學內容的深入，分段布置階段作業，如圖4所示。各項目組組長負責分解任務，組員分工合作，共享三維建模零件完成項目作業。在項目完成過程中，同學之間必須充分溝通，互相協作，一個錯誤的尺寸或建模都會影響到其他同學的裝配和最終作業的完成，因此必須要有團隊精神和責任心，形成團隊協作的學習模式。在課程結束前各小組匯報展示，且互評打分，可進一步提升學生對所學知識的理解和再認識(圖5)。

圖5 小組匯報展示

3 依托“互聯網+”技術手段，搭建基于主動學習能力培養的線上線下融合式教學平臺，探索以學生為中心的教學新模式

以學生為中心，要解決學生“學”的問題。在未增加學時的情況下增加了計算機二維和三維設計軟件的教學內容，必須將課堂教學延伸到課外方可完成教學任務。MOOC為解決問題提供了有效的技術手段。

本文教學團隊根據教學需求在“中國大學MOOC”平臺(http://www.icourses.cn/)開設了《工程圖基礎及數字化構型》和《機械制圖及數字化表達》慕課課程，分別對應北京理工大學《機械制圖I》和《機械制圖II》本科課程。

3.1 課前預習、自測，課內加強實踐應用

將教學知識點以授課視頻的形式上傳到慕課在線課程平臺，要求學生課前預習，充分利用線上教學資源完成知識點的學習。慕課教學可使學生按照自身需求隨時隨地學習請教，并能反復學習和復習。

通過在線完成選擇、判斷等客觀自測題，并由系統在線實時批改，從而督促和檢驗學生的預習效果。客觀自測題可提供多次答題機會，以鞏固學習效果。

線下的課堂教學則增加討論和實踐的時間比例，側重解題、繪圖、上機操作實踐指導，以綜合例題覆蓋相關知識點，突出知識點的綜合應用。

課內學時有限，課外以學習小組形式同伴式學習，互相幫助，充分討論，共同提高。這樣線上線下相結合的混合教學模式，充分體現了以學生為中心的教育理念，可有效提高學習效果。

3.2 計算機設計軟件個性化“翻轉”教學

由于計算機設計軟件的教學實踐性強，學生對計算機軟件的掌握程度差異較大，很難“齊步走”，必須采用個性化教學。因此，計算機二維及三維設計軟件的教學內容采用依托慕課的翻轉課堂形式：學生根據自己的速度學習指定的教學視頻，根據作業要求和評分標準在線提交電子作業，并在指定時間參加互評。互評的過程也是再學習的過程。教師在課內教學中的主要任務是設計作業題目，給定評分標準，指出軟件操作中的要點，針對學生操作中遇到的困難和具體問題進行個性化輔導。

3.3 后臺數據、在線答疑，多種資源助力教學

慕課后臺的數據統計可幫助教師及時了解學生的在線學習狀況，以便有針對性地開展教學；教師的答疑，從線下的見面答疑擴展到利用線上的討論區與學生互動，以及利用微信、QQ、郵件等多種形式個性化在線答疑，線上線下師生充分互動，能有效促進師生之間、學生之間資源共享、互動交流以及學生自主式與協作式學習。

為了幫助學生提高工程認知，在慕課中增加了學生欠缺的機加工相關視頻；慕課中展示學生的優秀作業，以榜樣的力量激發學生的學習興趣，增加學生對工程的熱愛。

為了更好地與線下教學對接，采用基于慕課的異步SPOC[7-8]，發布時間靈活，并可有針對性地增加教學資源。同時，借助“北理在線——樂學”網絡課堂平臺以及我校建設的國家級《工程制圖》精品共享課的網絡資源輔助教學，搭建了線上線下融合式一體化教學平臺，為學生提供多樣化的學習資源，引導學生自主學習，培養終身學習的意識和自學能力。

4 選修課和“第二課堂”助力教學改革，競賽檢驗，促學促教，持續改進

4.1 開設制圖類實驗選修課和開放實驗課——加強實踐教學，提升學生的工程素質

為了提高制圖實踐能力，在課內加大了實踐教學的比例，課外開設以實踐教學為主的《基于制圖的二維和三維工程能力訓練》的開放實驗課和實驗選修課，彌補課內實踐教學欠缺的問題，進一步強化和完善實踐教學，提升學生的工程實踐能力和工程素質，使優秀學生脫穎而出。

4.2 參加制圖類學科競賽，促學促教，持續改進

積極組織參加北京市及全國制圖類學科競賽以及機械產品數字化設計競賽，既可使優秀學生脫穎而出，以點帶面，帶動和激發周圍學生的學習熱情，又可發現教學中的問題和不足，從而檢驗教學成果，以賽促學，以賽促教，持續改進。

北京理工大學2014至2018年連續5年組織參加全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽，2015至2018年連續4年參加北京市大學生工程設計表達競賽，均獲得團體一等獎和諸多單項獎。這些脫穎而出的優秀學生在后續的機械產品數字化設計大賽以及一系列學科競賽中都成為骨干力量。

4.3 組建學生學習型社團，助力教學改革

以高年級制圖類競賽獲獎學生為主體組建學生學習型社團。學生們在教師的指導下利用課外時間深入鉆研計算機三維設計軟件，組隊參加數字化設計等系列科創活動和比賽；并組織對低年級的學生進行課外輔導和培訓，形成“第二課堂”；自發組織3D打印比賽并協助組織校級制圖比賽，助力教學改革。每期參加社團活動的低年級學生可達200余人，在各教學班的項目小組的學習中成為骨干、高手，起到了很好的帶動作用。學生完成的項目作業以及小組展示的作業作品無論是三維設計建模、裝配、運動仿真，還是生成的二維工程圖表達，質量逐年提高。同伴式學習，營造良好的學習氛圍，彌補課內學時有限和課外輔導力量不足的問題，提升學生的綜合素質。

5 效果與展望

“基于OBE的立體化制圖教學新體系”貫徹了工程教育專業認證的3個基本理念“成果導向、以學生為中心、持續改進”。從2011年起，經過7年多的摸索與實踐，已逐步完善，每年有500余名北京理工大學機械工程和車輛工程大類學生從中受益，至今已累計3500余人。該體系的教學效果未以學習成績作簡單對比，是因為同一教師同時授課的班級之間也會出現整體分數存在差異的情況。本教學體系更關注學生反饋的學習效果和作業完成的質量，發現問題及時調整，持續改進。該體系環環相扣、互相支撐方能較好地在有限的課內教學學時完成如此大量的教學任務。新體系的正常運行還需要學校的政策支持以及教師更多的辛勤付出。

該體系中的教學內容及教學思想已在《工程圖基礎及數字化構型》和《機械制圖及數字化表達》2門慕課中有所體現。其中《機械制圖及數字化表達》已被認定為國家級精品在線開放課程。

以課內教學為主線，課內與課外相結合，教師與學生相結合，使制圖課程教學逐步實現從灌輸課堂走向對話課堂、從封閉課堂走向開放課堂、從知識課堂走向能力課堂、從重學輕思向學思結合轉變、從重教輕學向教主于學轉變，探索新型工程人才培養的新模式，為培養未來優秀的工程類人才打下堅實的基礎。

[1] 李志義. 解析工程教育專業認證的成果導向理念(OBE) [J]. 中國高等教育, 2014(17): 7-10.

[2] 張京英,佟獻英,楊薇. “互聯網+”時代圖學教育現狀調查與研究[J]. 圖學學報, 2017, 38(6): 919-924.

[3] 楊薇, 張京英, 張輝, 等. 機械制圖三結合實踐教學模式的探索[J]. 圖學學報, 2014, 35(1): 127-130.

[4] 李清, 唐騫璘, 陳耀棠, 等. 智能制造體系架構、參考模型與標準化框架研究[J]. 計算機集成制造系, 2018, 24(3): 395-549.

[5] 張京英, 羅會甫, 張彤, 等.三維造型設計與工程圖學的有效融合[J].工程圖學學報, 2010, 31(6): 151-154.

[6] 童秉樞, 易素君，徐曉慧.工程圖學中引入三維幾何建模的情況綜述與思考[J].工程圖學學報, 2005, 26(4): 130-135.

[7] 費少梅, 王進, 陸國棟.信息技術支持的SCH-SPOC在線教育新模式探索與實踐[J].中國大學教育, 2015(4): 57-60.

[8] 曾明星, 李桂平, 周清平, 等.從MOOC到SPOC: 一種深度學習模式構建[J].中國電化教育, 2014, 35(11): 28-34.

Constructing a New System of Three-Dimensional Engineering Graphics Teaching Based on OBE

ZHANG Jing-ying, YANG Wei, TONG Xian-ying, ZHANG Hui, ZHANG Tong

(School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Based on a new system of integrated mechanical engineering teaching within an Engineering Graphics curriculum, following the outcome-based-education (OBE) concept as a key guideline, mainly relying on in-classroom format of teaching, integrating and exploring additional extracurricular teaching resources, this study constructs an “online-to-offline integrated teaching platform” that promotes students’ ability and motivation for learning using various “Internet+” technologies and tools. This new and all-around multi-dimensional Engineering Graphics teaching system “integrates in-class learning and after-class learning, combines online tools and offline tools, brings together mandatory courses and open-ended hands-on experiment courses, bonds teachers with students, and integrates theory and practice.” Through seven years of practical teaching experience, the system has gradually improved, and could reasonably resolve some common problems that have previously troubled lots of teachers of fundamental-level engineering curriculum--problems such as insufficient scheduled hours in class, excessively high student-teacher ratio, lack of hands-on experiments or practice, insufficient after-class supplementary assistance, and students’ relatively low self-motivation in learning. Decent teaching results have been observed through the new system, and can provide some reformatory ideas for teaching basic engineering curricula.

graphics education; outcome based education (OBE); engineering graphics; mixed teaching; new system

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2019010201

A

2095-302X(2019)01-0201-06

2018-06-06；

2018-07-01

張京英(1963-)，女，北京人，教授，博士，碩士生導師。主要研究方向為機械制造及其自動化、工程圖學、CAD等。E-mail：zjy2721@bit.edu.cn