基于“金課”的《工程制圖與CAD》 “三維—二維”融合式教學模式改革探究

孫 朗

(中南民族大學 化學與材料科學學院，湖北 武漢 430074)

一、問題提出

在《中國制造2025》的目標之下，國家對全面提升中國制造業發展質量和水平方面做出了諸多重大戰略部署。[1]在這一背景下，作為工程界的語言，《工程制圖與CAD》這門課程的重要性日益凸顯。與其他課程不同，作為一門本科生對工程技術知識的入門課程，同時也作為一門具有較強實踐性質的課程，教師不僅要傳授工程制圖的基礎理論知識、繪圖原則及相關規定，也要從實踐角度對學生在工程圖樣的繪制方法方面提出更高的要求，并以此為學生將來的工作奠定堅實的基礎。另外，這門課程不僅利于全方位地訓練學生讀圖與繪圖的基本技能，更能對學生的空間思維能力進行鍛煉，從而也為學生其他相關學科的學習奠定了一定的基礎。因此，《工程制圖與CAD》課程一直是我國高等學校理工學科各個專業極其重要的一門學科基礎必修課程。

目前，伴隨著CAD技術的日新月異，《工程制圖與CAD》課程中所關注的重點也不斷更新，從之前對于幾何作圖以及工程圖樣的繪制到當下對CAD繪圖能力培養的注重，該課程緊跟科學技術的進步不斷發展。當下，隨著三維技術的不斷發展，設計模式已經可以完全脫離二維表達而直接借助三維模型，三維CAD軟件不僅減少了設計工作的復雜程度，更重要的是為人們提供了一個輔助思維設計的空間。借助三維CAD技術，可以把復雜制品的全部信息完整而直觀地可視化，并在其中通過虛擬仿真技術對零件表面過渡、空間幾何布局以及零件直接的干涉等在二維中很難具體設計和思考的部分進行精準考察。結合CAM技術，產品的設計和制造過程發生了巨大變革，這為工程制圖課程指明了新的發展方向。[2]

筆者近十年來一直在從事非機械專業的工程制圖課程的教學，在教學過程中發現，借助當前的CAD軟件三維建模可以有效地幫助學生厘清復雜的投影問題，并可以結合三維建模更好地增強學生的讀圖能力。筆者認為，在二維繪圖的基礎上，通過增加三維建模的鍛煉，不僅可以更好地幫助學生融會貫通所學的知識，更可以激發學生的學習興趣，增加學習動力。因此，筆者在三維CAD 視閾下，對非機械專業《工程制圖與CAD》課程開展三維CAD技術與工程制圖課程“三維—二維”融合式教學，并基于結合“金課”“兩性一度”的標準，對《工程制圖與CAD》“金課”的打造進行了相關探索。

二、《工程制圖與CAD》課程傳統教學模式檢視

當下隨著國家對本科教育的不斷重視，“淘汰水課，打造金課”已經成為高校各個層面的共識。《工程制圖與CAD》課程本身由于其廣泛的應用范圍與日常生活緊密的聯系以及在課程學習過程中對學生空間思維能力的鍛煉，完全可以根據“兩性一度”將其打造成為“金課”。為了去“水”存“金”，我們首先需要對當前教學過程中存在的問題進行討論與檢視。

1．課程體系：理論與實踐的割裂

隨著三維技術的發展，當前《工程制圖與CAD》課程體系顯然已經無法滿足現在的技術發展。目前《工程制圖與CAD》課程體系一般分為兩個部分，即繪圖的基礎知識以及基礎的上機訓練，如圖1所示。很明顯，當前的課程體系將整個課程割裂成理論與實踐兩大塊，這并不能有效地實現基礎理論與基礎訓練之間的融合式互動。就筆者對實際上課情況的觀察了解發現，由于上機實訓模塊與理論基礎模塊的割裂，很多同學在上機實訓過程中往往不知道如何去應用課上所學內容，或在繪制過程中僅僅認為其只是對之前課堂知識的復習，因此，基礎知識與上機訓練并沒有形成良性的互動，教學效果并不讓人滿意。在當前教學體系中，雖然三視圖以及零件圖的繪制是對基礎知識的應用，但實際上也并沒有能夠將兩者進行充分的串聯。因此，我們需要探索如何建立一種能夠使基礎知識與上機實踐有機結合的課程體系。

圖1《工程制圖與CAD》課程傳統教學體系

2．教學方法：先進性和互動性不足

從教學方法上來說，本門課程主要通過基礎概念和原理的學習，在理解和掌握這些概念和原理的基礎上，掌握繪圖和讀圖能力，進而培養學生空間想象力，這正是后續理論和方法學習的基礎，而當前僅僅通過課堂PPT授課并不利于培養目標的達成?！敖鹫n”要求“教學形式呈現先進性和互動性”，以達到“創新性”的目標，因此，為了將《工程制圖與CAD》打造成為“金課”，我們不僅需要構建新的教學體系，同時，也需要在教學方法上進行改進。我們認為，這需要結合當前技術進步，對課堂教學進行突破，改進“滿堂灌”的教學形式，有效地運用當前三維建模技術發展以及新的教學手段，提高學生在教學活動中的參與度，從而構建良好的教學情境。

3．考核方式：過于片面單一

從考核方式上來講，“金課”對課程的培養目標和教學效果提出了更為明確和更高的要求，我們也需要相應地通過合理的評價體系對學生的學習成果和老師的教學效果進行評價。當前，本門課程的考核方式主要是采用閉卷考試的方法，這種過于單一的考核方式，并不能全面地、真實地對學生的實際學習成果進行客觀而科學的考核，更無法反映學生靈活運用相關知識和理論的能力，難以對學生解決復雜問題的綜合能力和高階思維能力進行評價。

總體而言，我們在課程實踐過程中發現，目前在高校非機械專業的《工程制圖與CAD》教學活動與 “金課”“兩性一度”的標準仍差距較大，這導致了部分學生對于該課程興趣不大、學習主動性較低的情況，因此在“去水存金”方面，該課程仍期待更多的改進。

三、《工程制圖與CAD》課程“三維—二維”融合式教學改革路徑探索

自從2018年教育部高等教育司吳巖司長深入闡述了中國“金課”的建設要求和目標，教育部以及各高校都在積極推動國家級“金課”以及地方級“金課”的建設。課堂教學是整個教學體系的根本所在，因此，我們需要基于“兩性一度”的“金課”標準，從教學體系、教學方法以及考核方式三個方面對《工程制圖與CAD》課程教學進行改進。具體而言，通過建立“三維—二維”融合式的教學體系，并結合新的教學體系，改進教學方法并改良考核方式，從而“去水存金”，這不僅有利于更好地完成知識的傳播過程，更能提高學生的學習興趣以及學習主動性，并鍛煉學生解決問題的能力。

1. 構建“三維—二維”融合式的教學體系

當前關于三維CAD技術在教學中的應用已經有了大量的研究成果，并詳細地討論了其在工程制圖課程中的應用。[3,4]我們認為，把三維技術融入《工程制圖與CAD》教學之中，不僅是需要在課堂講解時借助三維技術進行演示，為了更好地發揮三維CAD技術在教學中的重要性，還需要對整個課程體系進行改進。由于《工程制圖與CAD》課程分為理論和上機兩個部分，而且理論部分的內容較多且過于零散，因此學生在學習過程中，無法準確地把握整個課程的知識體系，更無法靈活地應用課上所學的知識。因此，必須將整個《工程制圖與CAD》課程的知識點融為一個有機的整體，此時我們需要選擇一個能夠將整個工程制圖與CAD課程進行連接的交點，這就是三維建模。

三維技術在當今社會有著廣泛應用，尤其是基于三維技術的CAD設計對相關產業的發展有著巨大的推進作用。結合國家產業升級的目標，我們也需要對《工程制圖與CAD》的課程體系進行相應的調整，從而讓學生能夠掌握前沿技術?！皠撔滦浴笔钱斍啊敖鹫n”的重要標志之一，這要求教師能夠將當前科技發展的前沿技術融入我們的課堂教學。具體來講，為了達成課程的培養目標，即繪圖及讀圖能力的鍛煉，結合當前技術進步和發展趨勢，三維繪圖技術在課程中的重要性將不斷凸顯。在當下《工程制圖與CAD》的課程體系當中，因受到相關技術的限制，三維繪圖并沒有被明確作為學習內容的重要組成部分。因此，在新的課程體系設計中，我們希望通過明確三維CAD技術的地位，凸顯三維建模技術在現今工程制圖領域中的巨大作用，并提高學生對三維CAD技術的掌握程度。需要注意的是，這并不意味著將三維建模與工程制圖課程相互割裂，我們既要強調二維視圖在表達零件尺寸大小和技術要求方面的優勢，也不能忽視三維建模作為零件在零件表達及仿真方面的重要作用。并且通過二者的結合，還可以促進教學過程，如借助三維形體的建模過程，幫助學生更為直觀而深刻地理解投影知識，并以此極大地激發學生的學習興趣。因此，我們建立了如下新的“三維—二維”融合式教學體系，如圖2所示。

圖2三維視域下以“三維形體為核心，以四大模塊為基石”的新的課程體系

根據《工程制圖與CAD》課程的特點，建立以三維建模為核心，以繪圖基礎、專業圖、三維建模和三維專業建模為支柱的模塊化的教學體系，從而明確知識結構，提升教學效果。從圖2可以看到，該課程分為兩大部分，即基礎理論和基礎訓練，這兩部分又分別包括以下四個模塊：繪圖基礎模塊、專業圖模塊、三維建模模塊和三維專業建模模塊四大部分。繪圖基礎模塊主要包括制圖的基本知識、點線面投影、截交線、組合體三視圖等；專業圖模塊主要包括機械圖樣的表示方法、零件圖的繪制要求和讀識零件圖的方法等；三維建模模塊在對三視圖以及零件圖的讀圖基礎上進行三維建模，從而培養學生的綜合讀圖、繪圖、三維建模能力以及空間想象能力；三維專業建模模塊可以根據不同專業設定不同的繪圖重點，如對于化工專業可以注重管道的繪制，高分子專業可以偏重模具零件的繪制等等。由此可見，新的教學體系中的四個模塊并非是相互獨立的，而是相互交叉，互相促進，共同服務于課程的教學目標。需要指出的，三維建模在這里既是我們課程的目標之一，又是將整個課程內容串聯的紐帶，需要行之有效的教學方法進行配合，從而使其發揮應有的作用。

2.創新“主動建構式”的教學方法

對于教學方法的改進可以借助建構主義教學理論來實現，培養學生獨立處理問題的能力，能夠綜合應用三維建模與制圖技術，處理較為復雜的問題，即金課的“高階性”要求。建構主義認為，教學過程中，不僅需要獲得知識，更要注重創造性地運用相關知識，因此，在教學過程中需要充分發揮學生的主體性和自主性，更多從學生的角度出發開展課堂教學。[5]那么回歸到我們所關注的《工程制圖與CAD》課程的教學，也需要根據學生的學習需求，在課堂教學過程中充分發揮三維模型的直觀、動態的特點，借著模型展示，提高學生的學習興趣，鞏固基礎知識的掌握，培養學生的空間思維能力和讀圖能力。為了鍛煉學生處理實際問題的能力，還可以采用任務驅動的教學方法，即在課程學習過程中, 通過教師的指導, 讓學生以三維模型建立為中心, 在自身對問題的好奇心的驅動下, 主動地借用學習資源，自主研究探索，從而完成各項學習任務。具體而言，一方面可以將不同難度的三維模型給學生，讓學生借著三維模型完成相應模型的三視圖的繪制；另一方面，也可以將三視圖發給學生，讓其完成三維模型的建立，從而加深其對投影知識的理解并鍛煉三視圖的繪圖能力，進而培養學生靈活運用課上所學知識的能力、繪圖和讀圖的能力以及獨立工作能力，并以此調動學生的學習主動性，使其愿意主動地加強課后的自主學習，并鍛煉他們解決問題尤其是復雜問題的能力。

其次，建構主義學習理論還認為，“協作學習”對知識意義的建構發揮著關鍵性的作用，它強調師生之間、學生之間的協作交流以及學生和教學內容、教學媒體之間的相互作用。教師在教學過程中除了要樹立以學生為教學主體、以教師為主導的科學教育理念，實現從“被動傳輸式”的教學模式向“主動建構式”教學模式的轉變。更為重要的是，要基于三維模型建立合適的多媒體課件，尤其是將三維模型與課程知識點相結合，如在投影的講解過程中，可以改變不同的視角，使學生對平行投影法建立較為直觀的認識，從而將三維建模的原理、方法、技能和工程制圖的知識形成有機結合，提高學生的學習效率。另外，教師還可以通過對學生分組，布置較為復雜的建模作業，各組根據零件圖協作完成建模，從而鍛煉學生的團隊協作能力，并最終達成“具有探究性和個性化”的學習效果。

最后，建構主義強調對學習環境的設計，認為在學習過程中，教師要為學習者提供各種資源(包括各種類型的教學媒體和教學資料)，鼓勵學習者的主動探索并完成意義的建構，從而達到學習目標。隨著移動互聯網技術的發展，它在當前的課程教學中的應用范圍越來越廣。借著基于移動互聯網技術建立的智慧課堂，教師可以與學生實時溝通，并對學生的問題給予及時的反饋，從而擺脫課堂45分鐘的桎梏，更為便捷地對學生進行指導。尤其是當下，課程學時普遍壓縮，教師不僅需要對課堂45分鐘的教學進行更為精確巧妙的設計，更要對學生課前及課后的自主學習給予引導，如對于CAD基礎命令、標準零件的繪制以及三維建模等方面的學習，不僅需要大量的時間演示，還需要學生課后花費大量時間進行練習。這些內容很難在面對面45分鐘的課堂教學過程中實現。因此，可以將相關視頻和文檔借助智慧課堂直接發布給每位學生，并可以同時通過布置相關作業和對學生作業完成情況的檢查，掌握學生的學習情況。如在介紹和演示三維建模命令的使用方法時，可以首先將如拉伸、旋轉、掃掠、園角、倒角、陣列等命令的講解視頻發給學生，在課堂上將演示內容與課堂所講投影原理相結合，加深學生對投影原理的理解，課后還可以借助作業以及測驗等手段對學生掌握程度進行考核，并通過網上交流進一步幫助學生鞏固相關知識，從而使得整個“教學形式呈現先進性和互動性”。

3．推行具有“學業挑戰度”的考核方式

在經典測量理論中，雖然測量誤差估計的不精確性和籠統性無法精確地反映學生對課程的掌握程度，但對于高等院校的專業課程而言，這仍是一種對學生學習情況有效的考核方式。根據吳巖司長在第十一屆“中國大學教學論壇”上提出“金課”需要“挑戰度”的觀點，筆者認為，雖然考試在當前高校的專業教學中仍占據著不可替代的角色，但對學生更應該采用多樣化和過程化的考核方式。通過具有一定難度的考核方式，不僅對學生的知識的掌握程度進行度量，并通過考核以促進學生的學習動力。具體而言，在考核過程中可摒棄閉卷筆試的考核方式，采用平時成績及過程性評價占 50 %，期末上機考試評價占50 %的考試體系。在過程考核中，一方面，可根據課程進度，借助云課堂、雨課堂等網絡教學手段，以作業和隨堂考察的形式考核學生對知識點的掌握情況；另一方面，還可以讓學生根據三維模型繪制其相應的三視圖，從而加深學生對投影相關知識的理解，并鍛煉其繪圖能力；此外，可以通過三視圖讓學生完成三維建模，鍛煉學生的讀圖能力和三維建模能力。為了培養學生獨立創新的能力，根據學生的專業特點，分組大作業的形式完成與專業相關的比較復雜的三維建模，考察學生團隊協作以及處理復雜問題的能力。

四、結語

當前三維建模在工程技術中應用愈發廣泛，為了培養能夠熟練運用三維建模的非機械專業畢業生，我們根據“金課”標準對《工程制圖與CAD》課程的教學體系、教學方法以及考核方式的改革進行了探索?；谀K化教學理論，我們建立了以三維建模為紐帶，各個知識模塊有機結合的三維視域下《工程制圖與CAD》課程的教學體系。同時，基于建構主義理論和任務驅動的教學方法，我們凸顯學生在教學過程中的中心角色，建立一個由課堂教學、課外學習和實踐三大課堂構成的知識掌握與能力素質培養相結合的“三維—二維”融合式《工程制圖與CAD》課堂，這不僅能夠幫助學生加深對相關知識的理解，培養其實踐能力，為其未來的工作奠定扎實的基礎，更是為《工程制圖與CAD》“金課”的打造做出的新探索。