新工科工程教育模式下的機械制圖案例教學研究

張立峰，周蕊，丁寧，吳軍，蘇硯文

（中國民航大學 航空工程學院，天津）

一 引言

《機械制圖》是高等教育中機械類、近機械類重要的技術基礎課程。在課程的教學過程中必須注重基礎理論的嚴謹性和實踐性。注重制圖理論與工程實踐的緊密結合，從而在教學過程中培養學生掌握科學的制圖方法，并增強工程運用和實踐創新意識。當前機械制圖教學過程中，單一的教學模式不能適應高校的課程改革，傳統的制圖教學方法和技術亟待改革與創新[1-3]。

新工科工程教育是當前高等教育改革的重要方向[4-6]。工程教育為制圖教學帶來新的挑戰，同時也為高校制圖教學工作提出了更高的要求。在教學過程中，如何將機械制圖的理論知識與工程圖紙緊密結合，同時不斷深入探索教學中機械制圖、識圖與工程運用能力的培養是廣大教育工作者關注的重要議題[7,8]。總體而言，工程教育改革下的機械制圖教學，不僅要解決教材書本中的知識點傳授問題，更重要的是讓學生能夠深入理解并運用機械識圖與制圖，能夠在工程實踐中熟練應用這一門工程語言，并注重與其它工程技術的融合。

案例教學方法是在實際教學過程中，通過精選代表性的教學案例，將知識點的講述、分析、討論融合在案例的學習中[9-11]。當前，信息技術高速發展，將信息技術融入機械制圖課程的案例教學突顯其重要的技術優勢[12]。比如通過信息技術融合案例教學，可以實現學生課前、課中、課后對教學知識點的重演，避免了傳統填鴨式的教學模式。由于采用豐富的技術手段，制圖教學中可以形成立體化教案，更利于學生對知識點的掌握，形成以學生為主體、教師為主導的先進課堂。

案例教學法在經管及文科類課程中具有廣泛應用，教學中好的案例可以極大激發學生的積極性，深化對知識點的掌握，增強學生的知識運用能力，因此探索案例教學在理工類課程中的應用具有重要意義。《機械制圖》課程知識點較為分散，但課程具有一定的工程實際背景，這就為信息技術支撐下的案例教學提供了可能性[13-15]。本文以課程教學中的零件圖為例，通過精選教學案例，探索將信息技術應用于案例教學，提升課堂效率和教學效果，形成信息技術支撐下的先進教學模式。

二 傳統機械制圖教學的反思

社會發展需要高校課程緊跟時代步伐，一門課程要在理論、技術和方法等方面適應社會需求，并引領行業發展。制圖課程要使學生建立重要且有用的意識，重要和有用的課程無疑會吸引學生的興趣。機械制圖教學改革的第一步，也是關鍵，就是要厘清傳統制圖教學中存在的問題。制圖課程是高校工科的一門由來已久且課程內容相對固化的課程，課程模式受傳統教學方式影響較大，而這無疑對工程教育的學生能力培養是不利的。當前國際社會，高校的工程教育與社會產業發展緊密聯系、并相互支撐，國家之間的綜合國力的競爭愈加激烈。因此，制圖課程的內容和改革要符合學生發展的本質需求，符合社會發展的實際需求。學生的本質需求是能夠掌握理論和技能，為個人職業發展做好基礎，從而立足社會，服務社會發展。 基于此，傳統機械制圖教學有以下不足之處：

傳統機械制圖教學重在教，輕于學。制圖教學經歷數十年的發展，課堂教學模式主要以教師的教為主，而這種傳統的一言堂“填鴨式”教學，無疑會造成學生主動學習意識、主動學習能力的損傷。同時也會導致學生學習積極性和課程興趣的喪失。歷年來的制圖教學發現，由于學生不感興趣，上課“玩手機”，考試不及格現象頻現。

傳統機械制圖的教學重在理論傳授，忽視了學生的主動意識。傳統制圖課程突出機械畫法的標準性、唯一性，形體分析及線面分析的順序性。學生在課程教學中完全是被動的、接受性的學習方式，很難主動去思考。機械制圖從空間想象到形體分析，再到工程圖紙實踐運用的每一個階段和層次都需要學生主動思考。探究隱藏在機械制圖畫法表達、工程圖紙下的技術實質。如果僅僅停留在作業題、試卷分數很難實現工程教育的能力培養。

傳統機械制圖教學重在教學知識點的吸收，忽視了課程的工程實踐和工程能力培養。以軸類零件為例，傳統制圖教學可以使學生掌握軸類零件的畫法、斷面圖的表示，尺寸標注等基本知識點，考試環節學生也可以對這些知識點較好地吸收。但是，學生進入后續期末課程設計和工作崗位的時候發現，對于零件圖僅僅是停留在考試層面，零件圖紙怎樣畫，圖紙中的技術要求制定仍是學生的短板。因此，在教學過程中，要突出實踐環節。通過具體的零件測繪，使學生鍛煉測量與形體分析的能力。通過零件的加工工藝探討性學習，激發學生對機械工藝的興趣和熟悉度，并掌握一定的制圖工藝常識。通過案例中的小組討論，加深學生對零件技術要求的理解，使學生徹底掌握零件圖中技術要求的制定規則，理解零件設計中的不唯一性、經濟性、精密性等的多種工程需求。

傳統的機械制圖重在手工繪圖，忽視了計算機輔助繪圖的重要性。機械制圖教學經歷幾十年的發展，誠然，手工繪圖具有舉足輕重的地位，也是學生必備的一種能力。但是，當前社會和行業發展對計算機繪圖能力的需求與日俱增。機械繪圖軟件如：AutoCAD、CAXA、Solidworks、UG、ProE均是當前機械行業中的主流設計和繪圖軟件。學生只有提前熟悉并熟練運用相關繪圖軟件才能適應就業需求和行業的發展趨勢。因此，在制圖教學中增加計算機繪圖比例，在實踐中增強學生的機械設計意識、機械繪圖能力、思考解決問題的綜合創新能力勢在必行。

三 機械制圖教學案例的設計

《機械制圖》知識點分布較分散，同時由于零件圖的復雜與多樣化造成學生學習過程中興趣不高，知識點掌握不理想等現象。因此，通過教學案例融合知識點，以機械結構設計為線索，知識點傳授為脈絡，工程能力培養為目標具有可行性。值得注意的是，提升學生對制圖課程的興趣并且能較好完成教學目標，關鍵是教學內容要設計好。優化后的機械制圖課程內容必須要與學生的內在本質需求相關聯。教學中要注意將制圖課程的理論內容部分“活化”和“實化”。可以通過小組討論加深學生對制圖中的形體分析、表達方法的理解，從而靈活實現知識點的主動學習，而不是被動吸收。此外，可以通過工程樣例、應用實例的調研式問題，激發學生主動學習，通過動手調研，利用網絡和多種信息技術深化對教學中抽象概念的理解。

以機械制圖教學中的軸類零件為例，圖1為典型軸類零件圖，結合軸類零件實例分析知識點分布。其中軸類零件的表達方法、尺寸標注、技術要求較為典型，是制圖教學中的重要模塊。熟練掌握軸類零件的表達方法，零件圖的組成，對于增強高校學生的機械制圖水平，提升國家機械標準的運用能力，提高機械專業的工程實踐能力具有重要意義。教學案例的選擇至關重要，一個良好的案例，既要涵蓋關鍵的教學知識點，同時也要緊密貼合工程實踐。既要使學生能夠有條理、有層次理解知識點，同時也能在此基礎上進行工程應用擴展，并在課時操作上具有可行性。

圖1 典型的軸類零件圖

四 教學知識點拆解與模塊化

以工程運用能力為目標，必須要將制圖教學中的知識點進行拆解和模塊化。基于認知規律優化后的教學內容更利于學生對知識點的掌握。教學中，以案例為載體，通過案例的講解和實施逐步滲透教學知識點。同時，注意在每一步的實施環節中融入先進的教學手段。仍以教學中的軸類零件為例，教學中可以將多種信息技術融合高校機械制圖課堂。這種方法具有顯著的技術優勢，實際應用中可以節省教師的講述時間，利用多種技術形成生動形象的制圖課堂，并且能夠激發學生的主動學習能力。實際應用中，教師負責精選案例、案例講解、優化和拓展案例，從而使教學案例能夠更全面和科學的覆蓋教學知識點。以軸類零件為例，將圖1的零件圖進行剖析，進而將知識點拆解并歸類。案例中軸類零件圖同時涵蓋了斷面圖、表達方法、尺寸基準、尺寸標注、表面粗糙度、形位公差、極限與配合、標準件與常用件、機械加工方法等知識點，如圖2所示。此案例教學中不僅讓學生熟練掌握軸類零件的表達方法、零件的技術要求和功能，同時可以讓學生熟悉典型零件的機械加工方法，形成“形體分析-機械制圖-加工檢測”的一體化知識體系。與此同時，深化和鞏固零件圖技術要求的知識點內涵，使學生深入形象地掌握技術符號的科學本質，從而提升課程學習積極性和工程思維。

五 信息技術下的知識點教學方法

信息技術可為高校教學提供有利的技術支撐，同時也為教學方法的改革帶來了挑戰。利用信息技術形成立體化教案，可大幅度提升教學效果和課堂效率。以本文中的軸類零件圖為例需要將知識點拆解歸類，并按邏輯順序講解。

其中第一環節為零件圖表達方法，此環節對軸類零件的表達方法進行總結歸類，并重點講解斷面圖的畫法及注意事項。此部分同時涉及到標準件鍵槽和螺紋孔的畫法，將知識點強化，深化學生對已學知識的掌握。

第二環節為零件圖的尺寸標注及尺寸基準，此部分注意尺寸鏈的概念及與實際加工的結合。案例中，如鍵槽、螺紋孔、導角的加工及砂輪越程槽的實際功能等。此部分展開實踐環節，學生利用二維繪圖繪制此軸的零件圖，并利用三維繪圖軟件立體還原此零件的三維立體模型。

圖2 軸類零件知識點分布示意圖

第三環節，零件圖的技術要求，典型表面的粗糙度及零件的功能用途。此部分涉及到不同精度表面的具體功能。如案例中的高精度的加工表面為軸承的配合表面，中等精度的表面為齒輪配合表面等。課堂講解過程中可結合機械裝配工藝，深化學生對配合與公差的理解。通過設置開放式的問題，啟發學生對“結構-功能”的工程認知。

第四環節，零件的加工與檢測方法。此部分，以案例的不同加工表面，從刀具、機床、加工工藝等方面，對加工方法進行講述，同時結合學生課前視頻教案的預習情況進行討論與總結，提煉零件加工與檢測的關鍵知識點，使學生真正了解零件技術要求的科學本質，提高課堂效率。

第五環節，零件圖總結。此部分對知識點分布情況進行溯源，采用雨課堂技術，通過討論和提問形式深化學生對知識點的掌握和工程運用。

六 制圖教學中的工程實踐能力培養

新工科工程教育模式下的機械制圖教學要注重工程實踐能力的培養。這就要求，在教學過程中，不僅要注重教學知識點的傳授，同時要注意學生工程實踐能力的培養。具體而言，可以從課程內容和教學方式兩方面培養和提升學生的工程素養和工程實踐能力。在教學內容方面，教師可以將教學知識點滲透到典型機械案例的教學中，以案例為引線貫穿整個教學環節。此外，以工程實踐能力培養為目標，鍛煉學生在案例教學中的工程意識、工程思維、工程能力。同時促使學生能夠主動學習，主動探討、思考、解決工程問題，并在案例實踐中理解機械與電氣、力學、數學等諸多學科的工程融合。

在教學方法方面，教師可以通過開放式的工程設計實例，促使學生主動學習思考，掌握設計軟件，提高機械制圖水平。此外，教師可以通過學校的工程實訓中心、校辦工廠等開展機械加工現場的教學，促進工學結合，在加工和檢測現場使學生增強工程認識、工程意識、工程思維和工程實踐能力。

七 結論

針對傳統機械制圖教學中的單向知識點傳遞、學生主動性不高、工程運用能力不足的問題，本文探索新工科工程教育模式下的機械制圖教學改革方法。本文采用案例教學方案，以機械制圖中的軸類零件作為實例，探索教學過程中的信息技術教學手段，將教學案例進行知識點歸類與拆分，形成信息技術支持下的多維教學，增強學生的學習積極性。促進學生在案例學習的過程中形成完整和穩定的知識框架，同時提升學生的工程實踐與綜合知識運用能力。