新工科背景下工程圖學課程改革研究

欒英艷， 王 迎， 何 蕊

(哈爾濱工業大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

2017年2月，教育部下發了《關于開展新工科研究與實踐的通知》，提出了工程教育改革要圍繞新理念、新結構、新模式、新質量、新體系開展，并給出了具體建設目標[1]。隨后形成了“復旦共識”，指出我國高等工程教育改革已經站在新的歷史起點，面臨新機遇和新挑戰[2]；2017年4月，教育部給出了新工科建設行動路線，既“天大行動”，明確了探索建立工科發展新范式和問技術發展改革內容，更新工程人才知識體系的行動方向[3]。國家推動創新驅動發展，實施“一帶一路”、“中國制造 2025”、“互聯網+”等重大戰略，對工程科技人才提出了更高要求，迫切需要加快工程教育改革創新。對于整個高等教育而言，工程圖學課程是所有工科學生的技術基礎課，是機械類學生的核心課程，也是工科教育的基礎，引領學生學會用“工程語言”來描述設計思想，建立設計的概念，知曉創新設計的含義等等。因此，要適應國家“新工科”人才培養計劃要求，作為工程圖學教師，必須認真思考如何對課程進行改革，并付諸實踐。文中闡述了在新工科背景下對工程圖學課程所做的教學改革。

1 “新”課程改革方案建立

經過幾年的探討和研究，新工科的理念逐步清晰，內涵不斷深化，已經從理論探討進入到具體操作階段[4]。在這一背景下，哈爾濱工業大學提出了“面向專業，對課程進行供給側改革”的教改方針，借助學校人才培養方案調整的契機，緊扣“天大行動”的行動目標，以“新工科”的“新”字為目標，強調人才培養上建立新理念，教學設計上有新結構，教學方法上運用新模式，教學評價采用新標準，課程架構實行新體系。運用多年積累的教學經驗，對工程圖學課程教學內容、教學方式、評價方法、教學資源等開展了全方位的教學改革與建設。

1.1 問技術發展進行教學內容改革

電子技術的發展，給工程設計帶來革命性的變革，從最初的圖板圖紙繪圖到計算機二維繪圖，提升了設計精度，縮短了設計周期，進而又實現了三維數字化設計和數字化制造。在互聯網普及的今天，工程設計更是邁向“互聯網+”時代，西門子公司兩年前就推出了實時設計APP，使設計、制造、安裝能夠實時溝通與協調。工程圖學課程內容也隨之進行了更新，全國各高校都在積極思考，出現了“面向產品設計全過程的課程改革”方案[5]，有了“工程圖學語言教學模式改革”的方案[6]，都在努力對課程結構和內容進行調整，以適應新時代工程設計發展的要求。

面向專業，以學生培養目標為中心，對課程內容進行供給側改革，分析課程在培養規劃中的作用和地位，重新定義課程目標，規劃課程內容，提出了“重能力培養、重創新意識建立、與工程設計相結合”的教學目標。在內容設置上重點加強計算機繪圖、三維數字建模、徒手繪圖能力，依此調整課程內容，重構課程結構，提出了“以項目設計引領課程進程”的課程改革方案。如圖1所示。

圖1 課程架構框圖

傳統工程圖學注重產品視圖表達，學生學習過程中始終以形體表達為中心，被動接受理論知識。現將“設計與制造一體化”的思想融入到課程教學之中，給學生充分自主的思考空間，建立“工程圖即是設計思想的體現”的理念，通過自主設計，用圖表達設計思想，在設計過程中學習工程圖學理論。如相貫線、截交線等教學難點問題通過構型設計和三維建模得到了很好地解決。課程內容以模塊形式，融入在項目設計之中，旨在通過課程的學習不僅要學會“工程語言”的使用，還要培養主動思考及探究問題的能力，積極主動尋求解決問題方法3個目標。

1.2 問學生志趣進行教學模式改革

當代大學生思想活躍，求知欲強，有著強烈的表現欲望，對傳統的教師講授學生接受的教學模式認同感較低，渴望與教師之間的互動，這是培養學生質疑精神、創新意識的有利要素。同時本課程所面對的低年級大學生又普遍存在依賴性強，沒有良好的學習習慣，自主學習能力不夠等情況[7]。因此，課程中需要把握學生特點，積極對教學模式進行變革，尋找適應學生志趣，能夠培養學生創新設計能力的教學模式與手段。

通過多年的實踐與探索，總結出“精略結合、研討課堂、項目引領、場景模擬”多種教學手段聯動的復合教學模式。課程內容大致分為投影理論，形體描述和工程應用 3個部分。精略是就講授過程的詳細程度而言，而對課程內容的要求是一致的。精講理論與方法，讓學生樹立正確的投影概念，建立明晰的空間概念，難點部分精講作圖方法，訓練空間想象能力，提升空間思維能力；理論應用通過項目引領學生自主學習，如形體描述部分結合構型設計項目，將主動權交給學生，教師通過學生的設計引導學生學習相關知識點，在課堂上開展研討，針對問題進行講解，這樣極大地激發學生的學習主動性，不斷完善設計的構型結構，描述準確性逐步提高，同時也拓展了學生的思維，有利于創新思維能力的培養。圖 2是學生構型設計的作品；工程應用部分對于沒有工程認知的學生而言是個難點，通過產品設計項目引領，開展研討課堂模式進行授課，讓學生確認自己的設計者角色，明確設計與制造一體化的概念，教師通過學生的設計項目提出問題，引導學生探究工程問題，在設計進程中學習課程內容。同時，應用計算機三維建模，模擬零件、機器的加工、制造過程，多項手段并舉，有機結合，將理論融于工程實踐，引出設計與制造問題，使學生能夠明晰理論的具體應用，學到了真正的工程理論，而不是碎片的知識點。

圖2 構型設計作品

1.3 重創新能力的教學設計改革

教學設計注重創新設計能力培養，對每堂課教學內容進行分析，根據內容確定教學策略，包括確定教學模式，教學內容推進方式，課堂節奏如何把握等等。為每一教學內容進行課堂教學設計，保證教學內容傳授的同時更加注重能力的培養，改革始終圍繞學以致用進行設計，運用了以下3種教學設計。

(1) 精講互動式。圖3的教學設計相對簡單，主要是針對基礎理論的知識，課堂設置思考題，注重引導學生積極思考，循序漸進開展教學活動。本設計的重點是如何設置思考題，問題不只局限于知識點本身，要有引申。要求教師要把握課堂教學節奏，保證課堂圍繞教學內容有序進行。

圖3 講授互動式教學設計

(2) 研討課堂式。該教學設計相對復雜，主要用于理論應用方面，如構型設計、綜合表達、測繪等等，教師要規劃課堂研討內容，掌控課堂節奏，引導學生去探究問題，具體設計模型如圖 4所示。這一設計的重點在課堂進程如何規劃，結合實際設計研討問題等。

圖4 研討堂教學設計

(3) 場景帶入式。該設計主要針對課程與工程設計緊密結合的特點，讓學生將自己定位為設計者去思考問題，重在使學生建立工程概念，考慮有關設計與制造的相關問題。教學設計要把握課程內容與工程實際相結合的關系，引導學生去思考，學習設計方法，工程描述手段。在實踐活動中講解理論問題，樹立“工程圖——設計——制造”密不可分的一體化設計意識。課前教師要將產品設計拆分為若干細部問題，逐步引導，按照先局部后整體的過程完成最終設計推進課堂進度。

1.4 學科融合

工程圖學具有較強的實踐性，學生的繪圖實踐對課程的學習起著至關重要的作用。以產品設計項目學習來推進課程進展，以大作業的形式檢驗學生的學習效果，同時使學生掌握設計的基本方法，懂得工程圖的作用，建立工程設計理念。

新工科要求學科之間的交融，工程圖以機械設計為主線，結合不同專業的特點，通過設計項目來逐步推動課程內容的學習。學生首先繪制設計草圖，完善設計方案，再進行零件工作圖和裝配工作圖的繪制，進而進行計算機三維建模，通過運動仿真檢驗零件結構的合理性，尺寸的協調性等等。產品設計項目使學生了解了設計的基本過程，懂得工程圖的作用和工程圖的內容與要求，知曉零件加工的工藝要求和零件結構的合理性等概念，同時也使學生清楚工程圖學課程在相關專業中作用，項目學習教學模型框架如圖5所示。

圖5 項目學習教學模型

1.5 重能力培養進行考核方式改革

考核方式是實現教學目標的必要手段，建立科學的考核評價標準是教學改革的重要環節。本次改革從完成度和目標達成度等方面實行考核，見表1。

表1 考核標準一覽表

2 配合教學改革進行教學資源建設

2.1 教學改革需要輔助配套的教學資源建設

以學生學習為中心，驅動學生自主學習，主動探究，開發教學網絡，輔導助學系統軟件，這套軟件在校計算機繪圖中心運行，供學生學習使用。

2.2 錄制MOOC課程

在線學習，為學生提供了課外教學資源，如錄制 MOOC課程，教學視頻。其不僅為在校學生補充了教學資源，也為其他人員學習工程圖學的相關內容提供了幫助。

2.3 設計學習項目

合理規劃教學內容，保證課程目標的順利實現。項目學習中的設計內容由學生完成，但教師需給定項目的設計條件，把握項目的基本難度，以保證學生能從設計項目中學到課程所要求的教學內容。還須保證能在授課進程中順利完成教學內容，特組織教學團隊進行調研，與專業教師溝通，收集相關資料，設計出不同的設計項目，隨著課程的進展還在不斷充實之中。

2.4 建設實驗室

使學生能夠將理論與實踐緊密結合，實驗室面向學生開放。圖學部建設圖學繪圖實驗室9間，配備計算機約 700臺，均安裝好了二維和三維繪圖軟件，為學生進行設計、繪圖、建模提供良好的硬件條件。還建有模型展室 2間，幫助學生建立二維圖形與空間形體之間的對應關系，增強空間思維能力。

3 教學改革實踐及數據分析

哈爾濱工業大學機電學院、能源學院、材料學院3個學院的學生，均完成同一類別的工程圖學課程學習。借“卓越工程師計劃”契機，在2015級機電學院開展產品設計項目、三維建模改革，期末同一考卷機電學院學生優秀率和平均成績均高于其他2個學院的成績，見表2。2016年，在3個學院同時推廣了教改方案，并將考題難度加大，學生成績差異明顯縮小，見表3。通過對這2屆學生在課程設計和畢業設計環節對指導教師進行回訪中，普遍反映學生的設計能力、三維建模能力和及讀圖能力較往屆學生有很大提高。

表2 2015級學生考核成績分析表

表3 2016級學生考核成績分析表

對于教學模式，選擇同一教師的不同班級進行對比研究。其中一個班級采用新教改方案中的研討課堂方式授課，運用構型設計、產品設計項目等推進教學進程，注重學生創新能力的培養。課程結束后，新模式下學習的成績要好于傳統教學模式，這里不再贅述。學生對授課模式的認可度見表4~5和圖6~7所示，其中表4是傳統教學模式班級學生反饋結果，表5是教改模式班級學生調查反饋結果；圖6和圖7將2組數據進行對比分析，可以明顯看出學生對項目引領研討型教學模式的認可度較高。另一方面，教師也感受到，新教改模式的課堂氣氛活躍、自主學習程度要高于傳統授課模式的班級，學生能夠積極思考，提出問題，對課程內容的理解要更深刻。

表4 傳統授課模式學生反饋表

表5 教改模式學生反饋表

圖6 評價優秀比例對比圖

圖7 評價低分比例對比圖

4 結 束 語

“新工科”對工程教育提出了新要求，不僅僅是在培養理念上的更新，重要的是要實現所培養的人才能夠適應當今世界的人才需求。工程圖學課程面向全體工科學生，是大學生最先接觸的技術基礎課，課程還承載著對學生建立工程概念的啟蒙。本次課程改革注重學科交融，面向專業進行教學設計，著重培養學生的創新能力，工程圖學課程質量的提升不僅有利于培養學生的形象思維能力、設計能力，而且有助于提升學生的融合創新能力。此次教學改革在教材建設，資源建設等方面學校都給予大力支持。隨著技術的不斷更新，社會對人才的要求也會隨之變化，新技術為課程改革提供了支撐條件，MOOC、SPOC、線上線下混合教學等等，教學改革也不拘泥于某一定式。培養適應時代需求的人才是根本目標，要不斷改革，不斷完善。