與機械創新大賽對接的“工程圖學”項目教學研究

陳 全，朱希夫

（武漢華夏理工學院，湖北武漢430223）

0 引言

由教育部、財政部舉辦的全國大學生機械創新大賽（2004年為首屆）［1］對培養學生的創新精神，錘煉學生的實踐能力與團隊意識提供了重要的教學方式。該比賽積極推動并強化了工科大學生的素質教育，吸引和鼓勵廣大學生參加課外科技活動，為優秀人才脫穎而出創造了條件。大賽的選題緊密結合時代社會熱點，在改善人們的生活中扮演著一定的角色，但是將優秀作品引入“工程圖學”教育并未引起足夠重視，來自學生中的優秀教學資源未能充分利用，如表1所示。

隨著教學改革的不斷深入，“工程圖學”課程理論學時不斷減少，加上學生工程實踐知識不足，使我們的人才培養質量與工程技術發展的期望相比，仍然存在一定的差距。“工程圖學”如何改革教學方法和手段，適應新時期的人才要求，培養現代企業歡迎的工程技術人才，是制圖課程的教師們一直在探討的課題。筆者在2015 級機械制造及自動化專業的“工程圖學”教學中，將機械創新大賽與“工程圖學”教學相結合，有所感悟和收獲。

表1 歷年“大學生機械創新設計大賽”的主題和內容統計

1 選擇項目的基本原則

選擇合適的項目是項目教學成功的前提條件，也是實現項目教學效果的關鍵所在。選擇項目時，主要遵行如下原則。

1.1 針對性原則

針對性是指項目針對的教學對象和教學內容應該貼近機械創新大賽要求。“工程圖學”所具有的工程性的特點，最終表現和應用形式是零件圖和裝配圖。因此，選擇的項目和實施過程中，項目設計目標應包含機器設計的基本過程，包括機器或部件實現功能的原理、實施方案、結構設計、零件表達、材料選用、加工方法、技術要求、最終完成零件設計和裝配圖的繪制，與大學生機械創新大賽的要求基本一致。

1.2 完整性原則

完整性是指項目本身應包括機械設計的一般環節，所需知識盡可能涵蓋“工程圖學”全部教學內容，并自然、有機地結合多項知識點，合理地綜合若干教學模塊。將項目教學的全過程與“工程圖學”教學的知識結構緊密結合，有利于學生掌握并應用所學的知識解決具體的問題，使技能和知識得到遷移，從而調動學生學習的積極性，提高學生的學習效率。通過對項目的分析，引導學生的積極思維，牽引學生完善知識結構，主動將理論知識與實際項目相結合，建立起一套適合自己的完整而又嚴密的邏輯思維方法和思考問題的方式，以提高學生分析問題、解決問題的能力，進而提高綜合素質。

1.3 可行性原則

首先，項目應該可行，其難易度要針對學生實際的認知水平和能力水平，使學生有自我發揮的空間，并通過自己的努力有能力完成項目的可能性。如果項目難度很大，學生很容易知難而退，不利于自信心、成就感、學習興趣的培養。其次，項目要有一定的挑戰性，應給學生一定的壓力，需要學生綜合運用各種知識和靈活的技巧來處理，但不能太復雜，要量力而行，畢竟大學一年級學生的專業知識和設計能力都有限。筆者于2015年在“工程圖學”教學引入了機械設計創新大賽的設計題目——“紙硬幣進料裝置”作為項目教學主題。在學生所學的現有知識基礎上，通過必要的知識擴展，對該項目進行分析，讓學生們有能力完成項目設計。將學生們分成5個小組，根據學生們提出了的結構方案進行討論，最終確定了一種設計方案參加比賽［2］，也讓學生們在項目實施和完善過程中享受成功的快感，如圖1所示。

1.4 啟發性原則

參與項目的學生，由于身體素質方面、感知方面、智力發展方面以及其他各種能力方面的不同，必然存在個性差異。因此，項目教學沒有絕對正確的標準。學生在教師的指導下參與進來，深入項目，體驗項目角色。教師要做的只是激勵創新、鼓勵求異，目的在于啟發學生獨立自主地去思考、探索，啟發學生建立一套分析、解決問題的思維方式。學生根據自己所學的知識，得出自己的結論，殊途同歸。

圖1 進料裝置簡

此外，項目盡可能真實和便于操作，目標明確，重點難點分散，項目最好來源于生活，具有客觀性和真實性，使學生看得見，摸得著，并符合學生特點，符合機機械創新大賽規則。

2 項目與教學的融入

2.1 項目的切入

在項目教學中，注重的不是最終的結果，而是完成項目的過程。這一過程從什么時候開始，并無根本的原則要求。但考慮學生完成項目的知識積累需要時日，項目切入宜早不宜晚。因此，筆者在講授課程概述時，提出參照全國大學生機械創新大賽的要求，結合“工程圖學”課程的學習，進一步提出“紙幣和硬幣的分類裝置”的項目。由于命題新穎，有一定的實用價值，很容易吸引學生注意力。并告知學生，機械創新大賽對工科學生的影響和作用，使學生意識到完成項目的過程實際是大學生機械創新大賽的預演，更能激發學生的參與度和創作熱情。

2.2 項目分解

盡管任務明確，學生也有極大的參與熱情（至少開始階段如此），但根據學生現有的知識，他們并不知道應解決哪些問題，從哪兒開始，如何著手。如果這些問題不解決，學生必然知難而退，無功而返。因此，將大項目分解為一系列學生力所能及的小項目，為他們“繪制”一個完成任務的“路線圖”是必需的。

如：功能→原理→機構→造型→零件設計→材料及要求→如何裝配

2.3 教學同步

項目的“路線圖”已明確，需要哪些知識解決，這些知識如何獲得，都需要老師給予指導。例如，如何將紙幣和硬幣分開，這是學生首先要解決的問題。教師可及時引導學生從機械原理機構部分尋求答案（不是系統學習，只是根據需要學習），并在介紹有關國家標準時，適時推出運動副的表示方法。

在學生初步掌握了機構的知識后，適時組織討論，從而確定機構。實際結果是學生提出很多不同的機構。

在總體結構討論時，學生的思路也是豐富多彩的。如有的學生提出振動的方式，有的學生提出風吹的方法，還有的學生提出網狀滾動的方法，充分顯示了創新思維的活力四射。

其他課題的解決，基本與教學內容同步即可，如表2 所示。例如講組合體時，引導學生完成構件設計，學習表達方法時，指導學生各構件的表達等。

學生根據機械原理知識，確定了機構運動簡圖。如何將機構運動簡圖、圖線和符號轉化為實體零件，該內容可在講授“組合體和零件圖”的內容時完成構型設計。零件設計完成后，將進行裝配設計。因此，裝配圖及時登場。

在實際設計過程中，通常是先設計機械總裝配圖，再根據《機械制圖》國家標準，由裝配圖拆畫成若干個零件圖，經過校對審核各零件之間是否發生干涉和零件圖拼裝，最后由零件圖組裝成裝配圖。考慮學生的工程實踐經驗和工程設計能力的現狀，將順序作了調整。在介紹如何拆畫零件圖時，給學生作特別說明。

2.4 自我完善

項目教學沒有固定模式，而是需要自己思考、創造，使得枯燥乏味的教學內容變得生動活潑，而且項目教學的稍后階段，每位學員都要根據自己和他人的方案發表見解。通過這種經驗的交流，可取長補短，提高人際交流能力，同時也起到一種激勵的效果。

表2 項目與教學內容匹配

另外，所選項目中涉及的知識點比較多，僅靠“工程圖學”的知識不能滿足設計的要求，需要學生們學習一些課外知識，如電路控制、材料選用、技術要求、加工方法、虛擬設計等內容，引導學生主動學習。

“紙幣和硬幣的分類裝置”項目的最終設計方案如圖2所示［2］。

3 與創新大賽對接

“工程圖學”的項目教學基于機械創新大賽，達到培養學生的創新能力，激發創新潛能的目的。通過創新項目發明成果、專利技術、研究報告等實例，吸引學生踴躍參加課外科技活動。引導學生把握創新設計的過程和方法，了解機械創新理論、圖學知識在創造發明中的應用。

“工程圖學”的項目教學所選項目小而全，難度不大，在老師的指導下，學生通過努力，部分學生完成了項目設計。一個流程走完，學生對枯燥的零件設計、名目繁多的技術要求、不同零件的制造方法和裝配圖的表達方法等有了更深的認識，為機械創新大賽打下了良好的基礎。

2015 年，全國大學生機械創新大賽組委會頒布了第五屆機械創新大賽的主題和內容，給學生帶來的機遇。曾經在“錢幣的分類、清點、整理機械裝置”的項目教學中完成一個流程的三名學生，緊緊把握競賽主題：“服務社會——高效、便利、個性化”，在“錢幣的進料裝置”和“紙硬幣的分揀裝置”的基礎上，通過延伸和擴展各硬幣（1元、5角、1角）的分揀、硬幣包裝等功能，以“錢幣的分類及包裝系統的設計”為項目與大賽對接，參加2016年全國大學生機械創新大賽，一舉奪得湖北省一等獎和全國二等獎，并取得了一項國家實用新型專利和一項國家發明專利。

4 意義與作用

項目教學的方法，是以圖學教學為基礎，培養工程實踐能力和創新能力為核心，項目為紐帶，機械創新大賽為結合點，將理論知識和實踐動手能力統一起來，培養一批學科尖子生，然后以他們為榜樣，達到以點帶面的效果，從而提高學校整體教學質量和學生綜合設計能力，實現教學相長。

4.1 提高了學生的綜合能力

項目教學為學生創造了一個空間、搭建了一個平臺，他們可自己去創造、設計未來，去做他們想做而且應該做的事情。學生在項目實踐過程中，理解、把握和應用課程要求的知識和技能，體驗創新的艱辛與樂趣；掌握了如何面對問題、分析問題和解決問題的方法；培養了學生搜集信息、分析和利用信息的能力；增強了學生的團隊意識和協作、合作能力。

圖2 紙幣與硬幣的分類裝置

4.2 構建和實施了工程制圖的創新教育模式

傳統教學主要針對本課程的內容開展教學，學生創新設計能力疲軟。項目教學以機械創新為基礎，將工程知識滲透到圖學教學中，使學生能盡早了解工程概念，將創造性思維和技法應用到圖學教學中，從基礎課角度展示創新設計的規律、探索了重構課程體系的途徑。項目教學的開放性、啟發性的教育特征，能幫助學生構建起以合理知識結構為主要內容的一種全新的教育模式。

4.3 拓展了圖學教學口徑

項目教學以項目為載體，突破傳統制圖的范疇，將理論教學向設計方向拓展。在國家標準教學中，簡要介紹機構運動簡圖的表示法；在零件圖、裝配圖教學中，擴展機械設計方法，強化零部件的設計內容。通過項目分析，使學生了解機、電、液組合的運動、控制和應用，使學生學會如何運用和學習新知識、新技能的方法。

創新作品相對完善，功能、原理、結構、控制、材料、制造方法一應俱全。在項目的驅動下，學生必須主動利用課外時間，通過學習和調研，完善相關知識。

4.4 挖掘了豐富的教學資源

兩年一屆的機械創新設計大賽，產生了很多優秀作品，這些作品來源于學生，根在學生，具有濃厚的生活氣息。同時，作品相對獨立，自成體系，將其與圖學教學相結合，是難得的培養學生工程知識學習和設計能力的優質教學資源，稍加提煉，即能發揮意外作用，取之不盡，用之不竭。另外，由于學生一般無工程實踐經歷，認為設計是高不可攀的事，信心不足和熱情不高是教學中必須面對的問題。因此，我們的教育體制、課程設置、評價標準應更顯寬容，應允許差異，激勵求異，教學中應該力求解決心有余而力不足的困境，引導學員注重能力。

總之，項目教學的出發點是調動學生學習的積極性和主動性，促使學生通過項目的實施來掌握教學內容，是加強實踐教學的一種嘗試，有利于提高學生創新能力，動手能力，為學生機械創新大賽打下良好的基礎，為參與者創新之路起好步，開好頭。