問題驅動的新工科教學改革

張孟玫　丁喬

摘? 要：新工科工程教育中的每門課程中都有各自的難點問題，圍繞這些難點問題的課程內容構成該門課程的核心，學生在學習過程中以及在今后實際工作中遇到的許多問題也大都與這些難點內容相關。文章提出以問題驅動教學改革，并以《工程制圖》課程為例，針對教學過程中遇到的問題開展教學研究，探索解決課程中難點問題的教學方法和教學手段，在新工科教學改革過程中進行了有益的探索。

關鍵詞：新工科;工程制圖;比較教學法;三維造型

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）01-0140-03

Abstract： Each course in the new engineering education has its own difficult points that form the course. The problems that encountered by students in their study and work are relevant to these difficulties. This paper， illustrated by Engineering Drawing， puts forward problem-based teaching reform， and studies how to resolve the problems in the teaching process. Moreover， it also seeks to explore teaching methods to address problems in the courses， which represent a beneficial exploration in the new engineering education reform.

Keywords： New engineering; Engineering drawing; Comparative teaching method; Three-dimensional modeling

2017年2月以來，國家教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”、“天大行動”和“北京指南”，構成了新工科建設的“三部曲”，開拓了工程教育改革的新路徑。與“老工科”相比，“新工科”更強調學科的實用性、交叉性與綜合性，尤其注重信息通訊、電子控制、軟件設計等新技術與傳統工業技術的緊密結合。在此形勢之下，一些傳統工科課程在專業的升級改造過程中面臨新的問題。以工程制圖課程為例，該課程是工科類課程體系當中的一門專業基礎課，它的主要任務是學習和掌握有關工程圖樣的知識和技能，培養學生的工程素養，為各專業的進一步學習打好基礎。其主要內容包括學習畫法幾何及工程制圖的基本知識，學習國家制圖標準，掌握計算機繪圖的基本知識和技能。作為一門傳統的專業基礎課程，工程制圖的教學在新的形勢下面臨機遇和挑戰，既要分析解決教學過程中遇到的一些老問題，同時也要吸收圖學領域的新技術成果，進一步拓展該課程的內涵，在教學過程中探索應用現代新技術解決老問題的方法，使工程制圖這門傳統理論課程更加具有實用性和技術性。

在教學改革的實踐過程中，我們感到學生不管是在學習中，還是在今后實際工作中用到該門課程的知識時，出現的問題往往都是圍繞著課程中的一些關鍵內容，如果在學習過程中對課程中的難點問題沒有能夠真正理解掌握，以后當需要用到這些知識去解決實際問題時，學生就會感到無從下手。這其中既涉及到學生自身的能力，也有教師的教學方法的問題。如果教師能夠在課堂上較好的解決這些難點問題的教與學，就會大大提高課程的教學質量。

基于上述考慮，我們搜集了工程制圖課程在教學中和后續應用過程中學生出現的各種問題，分析問題所指向的教學內容，研究每一個難點內容的不同特點，探索更適合解決問題的教學方法和教學手段。例如在課堂上進行分段式教學，調整課堂節奏，把課堂講授、分組討論、繪圖實踐、教師示范、學生展示等不同小階段有機結合起來，通過不斷創造興奮點，解決學生上課過程中注意力集中時間短，課堂拖沓疲憊的問題。而對于有的內容，在課堂講解中引入中學語文課程中經常使用的比較教學法，把復雜的道理說得更加清楚明白。隨著科學技術的不斷發展，在教學過程中我們積極吸收采納新技術作為輔助教學手段，助教師的“教”和學生的“學”一臂之力，使學生既學到了知識，也學到了技術。在培養訓練學生具有嚴謹細致的工作作風的同時，又使他們體會到先進技術的強大威力，體會到本課程傳統與現代相結合的魅力所在。

一、問題的來源與梳理

作為工程技術人員必須掌握的一項重要技能，就是要能夠識讀并繪制各種工程圖。例如作為產品研發人員，想要表達自己的設計意圖，首先需要繪制出產品的工程圖，而從事生產加工的技術人員，也需要能夠準確識讀工程圖，才能開始進行后續的產品生產加工。在整個產品的設計、生產及加工過程中，工程圖作為工程技術人員之間交流的重要工具，被稱作是“工程師的語言”，而培養訓練學生學習掌握工程圖的讀圖和畫圖等相關知識，主要由大學階段的一門重要的理論課程——工程制圖課程來完成。通過該課程的學習，要實現以下教學目標：

課程教學目標1：掌握工程制圖基本知識。本課程通過課堂講授、課內外作業練習以及手工繪制工程圖，使學生系統學習畫法幾何及工程制圖的基本知識，學習國家制圖標準，培養學生正確、規范地繪制圖紙等技術文件。

課程教學目標2：具有較強的空間想象和思維能力。本課程學習空間形體的投影作圖，以及根據投影圖想象空間形體的形狀，培養學生逐步建立起平面工程圖和空間立體之間的對應關系，使學生具有較強的空間想象和思維能力。

課程教學目標3：具有使用繪圖工具和計算機繪圖軟件繪制工程圖的能力。通過課堂教學環節以及上機繪圖等實踐環節，培養學生能夠正確、熟練地使用繪圖工具和計算機繪圖軟件繪制機械零件圖及裝配圖，并進一步激發學生的學習興趣，為后續課程的學習做準備。

課程教學目標4：具有獲取與運用國家制圖標準、規范等有關技術資料的能力。培養學生形成工程意識，能夠執行國家標準，熟悉和查閱有關的技術資料和手冊。根據有關國家標準，逐步正確、規范地繪制使用圖紙等技術文件。

為了反思教學中存在的問題，近年來，我們廣泛收集了來自學生、課程設計老師和畢業設計指導教師遇到的與制圖課程相關的各種問題，問題來源主要有以下幾方面：（1）課后作業中出現的問題;（2）期末考試中分數普遍偏低的題目所對應的教學內容;（3）高年級學生在做課程設計時，遇到的制圖問題。例如不清楚工程形體怎樣正確表達，專業課教師對不同的表達方案也不能給出合理解釋;（4）學生在畢業設計的圖紙中出現的各種與制圖相關的問題，如圖線、標注不符合國家標準、表達方法不正確，視圖畫法有錯誤等。

上述既有在教學過程中遇到的問題，也有學生在實際工作中出現的與工程制圖課程有關的問題。我們發現上面4類問題都指向了工程制圖課程中的2個內容，即“組合體讀圖”和“機件的表達方法”。其中“組合體讀圖”的教學要求是根據給出的視圖想象出物體的形狀，并補畫第三視圖，它要求學生既要有較強的空間想象能力、分析能力，同時還要求學生熟練掌握視圖之間的投影規律;而“機件的表達方法”內容主要包括視圖、剖視圖、斷面圖和簡化畫法及規定畫法等各種表達方法，為了正確、完整、清晰、簡便地將機件的內外形狀表達出來，必須根據機件的結構特點選用適當的表達方法，并按照相關的國家標準正確地畫出工程圖。這兩部分既是工程制圖課程的難點內容，也是工程制圖課程的核心內容，同時也是學生今后和實際工作聯系最緊密的內容。找到了問題的所在，也就確定了我們教學改革的主攻方向，以下進一步說明我們教學改革中的主要特色。

二、適合教學內容的教學方法探索

（一）“分段式”教學，“分層次”指導

高等院校的制圖課程一般是一次上2小節課，共90分鐘。所謂分段式教學，就是要把90分鐘的2節課，分為3～4個階段進行，每一個階段有不同的內容和目標，理論和實踐相結合，包括利用課件進行基本概念講述、教師進一步在黑板上畫圖示范、學生課堂繪圖練習，小組討論、教師當場答疑等環節。分段式教學的主要目的就是避免課堂上始終采用單一的教學模式，容易造成學生拖沓疲勞，通過分段式教學，在課堂上不斷變換興奮點，調整課堂節奏，從而提高學生課堂學習的興趣和學習效果。

分層次指導是指，一個專業教學班有60人左右，學習狀況分為好、中、差三個層次，針對不同層次的學生，教師要有不同的指導重點：比如對于程度較差的一部分學生，他們往往還不能根據視圖想出立體的形狀，教師對這部分學生的要求是先找基本體，抓大放小，使學生先達到基本要求;對于中間的大部分學生，他們通過讀視圖，能想出來物體的大致形狀，但畫不出來或有難度的地方畫不出來，對這部分學生，教師的策略主要是通過大量練習，訓練學生邊想邊畫，心手一致，逐步培養學生用“圖”說話的能力;對于最好的一部分學生，他們的情況是根據已知的視圖既能想出來物體的形狀，也能畫出來未知的視圖，這時候老師的指導是要求他們注意細節，追求完美。

分段式教學與分層次指導要相互結合進行，由于有了分段式教學，教師才能有時間進行分層次指導，兩者相輔相成，要根據具體情況不斷調整。

（二）引用“比較教學法”確定最佳表達方案

比較思維方法是確定研究對象之間共同點和不同點的一種邏輯方法，將比較思維應用到課堂教學活動中，就是“比較教學法”。其思路是在教學活動中將兩個或兩個以上的認知對象放在一定的條件下進行對比，從而確定認知對象屬性的異同、地位的主次、作用的大小、問題的難易或認識的正誤深淺，以達到辨識、了解和把握認識對象之目的。

在講解機件的不同表達方法時，可以將其比作成學生熟悉的文章寫作的各種表達體裁，我們知道初學寫作時，一般寫成記敘文比較簡單，但要表達更加復雜的情形時，作者就需要寫成議論文或小說才能表達的更加清楚。同樣的道理，通過工程圖表達工程形體時，三視圖是比較簡單的表達形式，可以比作是寫作體裁中的記敘文，是最基本的表達方法，隨著學習的深入，就要根據工程形體的特點，選擇剖視圖、斷面圖等更適當的表達方法。這樣通過用學生熟悉的事情進行比較，對于課程中各種表達方法之間的關系，就能講得更加明白、透徹。

例如圖1中的一個物體，可以用4種不同的表達方法畫出主視圖，哪一種是最佳方案呢？首先按照三視圖的畫法進行表達，外形畫實線，內部畫虛線，中間的棱線畫成實線，內部四棱柱孔的虛線被實線遮住，這不利于對內部形狀的反映及尺寸標注;第二種是按照全剖視圖表達，只能表達內部形狀不能反應出物體的外部情況;第三種按半剖視圖表達，由于規定了半剖視圖中左右對稱必須畫中心線，所以中間的內外的輪廓線都無法表達了;最后是局部剖視圖，既保留了外部的中間輪廓線，又把內部四棱柱槽的中間棱線表達出來了，所以采用局部剖視圖是表達該物體的最佳方案。以上通過比較教學法，把工程制圖中機件的表達方法的概念解釋得透徹明白，逐步培養學生分析問題解決問題的能力。

三、利用新技術解決教學難點

現代科技的不斷發展，為教學過程中的傳統難點問題提供了新的解決方法。例如圖2為組合體的三視圖，要求根據給出的三個視圖想象出立體的形狀。傳統的讀圖過程是在反映形狀特征比較明顯的視圖上按照線框劃分為幾個部分，利用“對線框，想形體”想象并組合出物體的形狀。由于這一內心思維過程是一種抓不住、摸不著的東西，要求學生要具有很強的空間想象力，由于學生之間存在個體的差異，有些學生空間想象能力較弱，因此組合體讀圖成為了一些學生跨不過去的一個坎兒。針對這類難點問題，我們在課堂上引入三維造型技術，在學習了三視圖和尺寸標注的基本內容后，利用三維造型技術進行復雜形體的讀圖，圖3為采用計算機三維造型軟件繪制的圖2的三維模型。在進行三維造型的過程中，可以邊想象邊造型，直接幫助到學生的思維過程，使腦海里的想象的每一步都落在實處，變成看得到的東西，由簡到繁，逐步疊加，直到完成整個組合體。

相貫線、組合體讀圖等內容是工程制圖課程中的傳統難點問題，同時這些難點內容也是工程制圖課程中的核心內容，讀圖能力是閱讀工程圖樣的基礎，是工程制圖課程必須要完成的教學目標之一，利用現代新技術解決工程制圖課程中的難點問題，在三維造型的過程中進一步闡述復雜組合體的讀圖方法，不僅能使平面的視圖和空間的立體之間瞬間聯系起來，大大降低了讀圖的難度，使組合體的讀圖過程變得生動有趣，而且也能在三維造型的過程中促進學生進一步理解相貫線的形成及意義，達到舉一反三、事半功倍的效果。

四、結束語

大學的課堂教學是學生學習科學知識的主要來源，在評價教學效果時，有人曾提出過一個公式： 教學效果=教師的專業知識×教學方法，不言而喻，無論是學與教， 方法問題都是至關重要的。采用適合教學內容的教學方法，往往就會達到事半功倍的效果。在高等學校的課程教學過程中，很多課程都有自己特定的重點及難點內容，而學生在此也往往遇到了很大的困難，我們從解決這些問題出發，根據教學內容研究采用更加貼切的教學方法。同時進一步豐富教學手段，吸收新技術解決教學過程中的難點問題，把課堂和當代技術的發展聯系起來，使《工程制圖》這門傳統理論課程的課堂教學變得更加生動且充滿活力。

參考文獻：

[1]于黎明，等.高等工程教育發展趨勢分析與國際化辦學探索[J].高等工程教育研究，2013，02：41-52.

[2]張孟玫，常冬梅，王雙勝.利用三維造型技術進行復雜形體的讀圖[J].機械設計與制造，2006，11：65-66.

[3]楊惠英，王玉坤.工程制圖[M].北京：清華大學出版社，2008：118-125.

[4]王志忠，王幼荃，吳占文.工程制圖教學新體系初探[J].高等工程教育研究，2003，05：69-71.

[5]王洪英.運用多媒體技術與網絡資源指導學生學好工程制圖[J].中國電化教育，2006，12：62-64.

[6]萬靜，許紀倩.機械制圖[M].北京：清華大學出版社，2011：118-142.