融合式教學模式在機械制圖課程中的應用研究

周榮安，符純明

融合式教學模式在機械制圖課程中的應用研究

周榮安，符純明

(南華大學機械工程學院，湖南 衡陽 421001)

針對傳統機械制圖課程教學中學生空間想象能力差、學習主動性弱、大班授課時師生互動困難的現狀，借鑒美國高校“主動學習與協作學習”融合式教學模式的改革經驗。在教學過程中采用課堂實時互動環節和課外“線上+線下”模式培養學生主動學習能力為主，同時采用以創新設計項目為牽引的協同學習，培養學生團隊協作和創新精神。以南華大學某教學班為研究對象，實踐結果表明該教學方案強化了教學效果，提升了教學質量。

機制制圖；教學模式；主動學習；協同學習；創新設計

近年來，高等教育教學正在逐步推進以“學生為中心”的教學理念，其目的在于使大學生成為課堂學習的主體，調動其積極性。其教學理念最早由美國心理學家Rogers教授提出，是以大學生學習心理學為基礎，是建立在“構建主義”學習理論上的現代大學教育理念，目前已在多個國家推廣實施，并取得了豐碩的經驗和成果[1-4]。目前，中國高校也正在積極推進從教為主轉變為以學為主的教學模式，獲得了大量寶貴的經驗。文獻[5]研究和討論了主動學習模式在《可視化程序設計》課程中的應用，解決了以傳授知識為核心的教學過程中學生“過得了考試，寫不出軟件”的問題，即“高分低能”。文獻[6]采用主動學習與協作學習的教學理念，對非計算機專業《程序設計》進行了應用研究。文獻[7]在土木工程制圖課程中實施了以“學生為中心”的教學方法，其實踐結果表明有效地提升了學生的學習主動性。文獻[8]開展了“以學生為中心”的混合式教學活動實踐，在機械制圖課程中激發了學生自主學習動機和動力，增強了學生的學習興趣，提高了教學質量。

機械制圖作為工科類學生一門非常重要的基礎專業課，掌握其相關標準、規范和培養好學生的空間思維和創新設計能力，對完善工程類人才培養體系具有重要意義。該課程目的是在掌握基本制圖規范和相關行業標準、國家標準的基礎上，需進一步培養學生三維模型空間想象力、零件或部件建模設計能力和創新構型設計能力。因此，開展以“主動學習與協作學習”的大班授課、線上與線下等融合式的教學模式，可有效激發和提升學生的學習動機和興趣，提高學生的讀圖和畫圖技能，并有效提高機械制圖相關課程的教育教學質量。

1 機械制圖課程教育教學現狀

機械制圖課程是針對工科類“大一”新生的基礎專業課，其教學內容主要包括：畫法幾何、機械制圖、零件測繪和計算機輔助制圖、建模和設計。機械制圖作為工科類相關專業學生培養的基礎必修課程，為專業課程、課程設計與本科畢業設計的后續學習奠定可靠的基礎。同時其又是幾何學、工程各行業和國家標準，以及計算繪圖、建模和設計技術相結合的產物。文獻[8]以網上問卷調查的結果表明，學習機械制圖的主要障礙為：空間想象能力的缺乏、學習動力和興趣不強、自我約束能力較差、不能認真聽課和及時復習。為此，本課程采用“主動學習與協作學習”融合式教學設計時需要考慮以下幾個特點：

(1) 大班教學，師生難以互動，學生遇到問題難以及時反饋和解決。受師資力量的限制和高等學校政策的影響，我國大部分高等院校的機械制圖課程難以具備小班教學的資源，尤其是非機械專業的制圖課程。大多數高校往往是制圖教研室的教師承擔了全校圖學相關課程，課程量巨大，任務繁重。

(2) 低年級授課。本課程通常在新生第一學年開設，學生電腦普及率較低，這也成為線上教學和輔導的一大障礙。同時，學生接觸機械產品數量有限，在一定程度上限制了對模型的空間想象力。

(3) 范式教學模式。現有絕大多數高校以教師為主體的范式教學模式是“老師在講臺上講，學生在座位上聽”。此種單一的傳授模式，生動性不足，趣味性不夠，難以有效調動學生學習的主觀性和主動性，一定程度上降低了學生學習興趣和效率。

(4) 考核方式單一。在現有的考核方式中，大多數院校往往按一定比例以期末考試卷面成績(占比70%)+平時成績(占比30%)作為最終考核成績，但并沒有將學生機械制圖專業知識和創新設計能力加入到考核體系。

針對以上實際問題和特點，本文進行了融合式教學活動設計，采用多個改進環節提升學生的參與性和積極性，以期望獲得較好的教學效果。

2 課程教學活動設計

2.1 課堂教學實時互動

在課堂教育教學中以學生為中心，積極探索以被動學習轉為主動學習的培養學生教育教學模式。在課堂教學中除單純的講授之外，還需設計讓學生積極參與的互動環節。如，教師講授完某一重要知識點后，以某一習題為例，邀請學生上臺進行講解，既鞏固了學生所學的知識點又提高了學生表達和思維能力。圖1為“大一”某生在課堂中進行互動，并上臺進行講解，既讓學生掌握了知識，又提升了學生的表達能力和積極性。某學生講解完畢，其他學生可自由提問，并讓講解者回答，隨后老師進行點評和對某些重要知識點的再次強調。

在講解組合體尺寸標注、讀畫組合體視圖和機件零件的表達方法時，需有機地融入三維建模設計軟件(SolidWorks，UG，Pro/E等)和二維繪圖軟件(AutoCAD等)。如，在標注尺寸時，直接以AutoCAD軟件為例進行組合體的尺寸標注，形象直觀地講解尺寸標注過程中的注意事項以及容易出錯的地方。同時，適量給出一些有錯誤的尺寸標注，讓學生積極去查找和思考。在讀畫組合體視圖和機件表達方法時，將相關的視圖直接以三維模型的形式展現給學生，便于激發學生的學習興趣，有意識地引導學生學習三維建模設計軟件。此外，可根據學生的學習情況，要求學生對某些習題進行三維模型構建。將積極探索將制圖建模軟件與機械制圖課程有機融合，形成以機械制圖課堂教學為主，計算機輔助制圖與建模為輔的教學模式。

圖1 同學課上進行知識講解

同時，在講解完組合體后，適量增加構型設計相關學習內容。從基本平面圖形、基本立體、組合體到部件和零件進行逐級訓練，逐步培養學生的構型想象、設計和動手能力。如，給定某一視圖，根據實際情況畫出另外的(一個或多個)兩視圖。學生根據已給定的視圖盡可能多的想出滿足條件的模型，這樣掌握了基本制圖規范的同時，也有利于培養學生的創新能力和空間想象能力。

2.2 “線上+線下”課外互動支持

美國芝加哥大學著名教育學家Bloom教授指出，“掌握學習”的核心理念在于系統的反饋-矯正程序，即使教學需要搭建完整的閉環系統。教育教學過程除了課堂教學，教師應給予一定的“線上+線下”課外互動支持，學生課后所提的疑問能夠及時反饋并解決，也是主動學習模式激發學生積極性的一種重要方式。具體操作為：每一個教學班建立QQ群，可及時地收到學生的疑問并進行解答，為每一個群配備2~3名高年級同學，協助解答學生所提的疑問。

同時，以“學習通”軟件為在線平臺，建立了機械制圖相關關鍵知識點的講解視頻，每一個講解視頻一般控制在20 min之內，便于學生觀看和理解，能最大程度上利用碎片化時間進行學習。學生可采用該平臺上的相關視頻進行相關知識點的預習或復習，使課堂學習與課外學習建立溝通橋梁，讓課堂互動環節實時在線。2017年以來，在“學習通”平臺上已分別建立了《畫法幾何與機械制圖精講》、《SolidWorks三維機械產品設計》和《AutoCAD教學與繪圖實例》課程，累計學習次數分別超過25萬人次、103萬人次和74萬人次(統計時間截止到2020年6月1日)。其中后2門課程學習目錄如圖2所示。

2.3 以創新項目為牽引的協同學習

創新項目學習主要是在機械制圖課程后期學習中使用。教師給定項目設計題目，學生借助于三維設計軟件分組實現，使同學們在完成創新項目學校過程中體會到團隊合作與創新精神。學生自由分組(每組3~5人)，利用課外時間查閱相關資料進行建模設計，完成項目后每一組選一人以PPT的形式進行項目答辯。

在項目學習后仍有興趣的同學，可進一步強化建模設計方面的學習。在后續學習過程中，逐步引入全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽和全國三維數字化創新設計大賽等相關模型進行練習，提升其自身學習和建模設計能力。學校每年舉辦一次制圖競賽，所有學生均可報名參加，成績優異者將優先推薦參加“全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽”或“全國三維數字化創新設計大賽”，適當采用激勵機制和獎勵制度達到以賽促學和以賽促教的效果。圖3中選取了部分同學在學習過程中練習或設計的模型。

圖2 2門課程在超星上的部分目錄

圖3 學生練習或設計的模型展示

同時，圖學教研室的教師們根據自己的科研經歷和項目整理出一些與模型或工程結構設計相關的內容，轉換為學生訓練項目。鼓勵有興趣的同學積極申報與參與，使學生了解制圖學科前沿，進一步提高學生的查閱資料和自主探索學習的能力，繼而將被動學習轉變為主動學習與協作學習，不間斷強化繪圖、建模和設計能力。此外，支持并鼓勵學生考取含金量較高的各類職業資格認證證書。

2.4 注重過程化考核

南華大學校將機械制圖細分為《畫法幾何與機械制圖A1》和《畫法幾何與機械制圖A2》，分別在2個學期進行講解。第一學期以機械制圖基礎知識學習和空間想象力培養為主，總成績由50%平時成績和50%期末考試成績構成。第二學期主要講解標準件、零件圖和裝配圖等知識，為后續相關核心專業課夯實基礎，其總成績由70%平時成績和30%期末成績組成。平時成績主要包括學生出勤學習次數、平時作業、課堂筆記、課程參與度、創新項目或模型設計、線上互動度等。

3 實施結果分析

依托于南華大學機械工程學院圖學教研室，對機械制圖的融合式教學模式進行了嘗試。實施結果主要從期末考試成績和成圖大賽獲獎情況2個方面進行定量統計分析。

(1) 期末考試成績方面。《畫法幾何與機械制圖A1》實行了閉卷考試，考試時間100 min，常規班與試點班的成績統計見表1。從表中可以得出，試點班中優率(>90分)15.73%顯著高于常規班的2.00%；試點班中的良率(80~89分)29.21%明顯高于常規班的13.00%；試點班的不及格人數為1人，而常規班的不及格人數為16人。統計結果說明試點班較大程度上提升了學生的學習成績、主動性和學習興趣。

表1 某學年《畫法幾何與機械制圖A1》成績統計

(2) 競賽獲獎方面。南華大學機械工程學院工程圖學教研室在推進機械制圖教學改革的同時，還積極組織學生參加各種大賽以檢驗教改的成效。從2017年開始，已連續3年參加“高教杯”全國大學生先進成圖技術與產品信息建模大賽，均取得了較好的成績。以2019年參加競賽結果為例，榮獲機械類團體一等獎1項，個人單項一等獎5項，個人單項二等獎6項，個人單項三等獎6項。從此次參賽獲獎的學生來看，除2人來源于常規班，其余7名隊員皆來至于試點班級。來源于試點班級的同學數量顯著高于常規班。同時，試點班的大多數同學都獲得二等獎以上的榮譽。上述結果表明，實施了機械制圖融合式教學模式的班級成績顯著優于常規班級。

除上述2個方面定量分析外，本文還從另一個維度上定性地分析實施了融合式教學模式的效果。①學生創新能力和團隊協作能力的顯著提升。在融合式教學中較好地培養了學生的創新能力，學生在后續學習過程中，更加愿意參加各類創新創業活動或大賽。如，大學生創新創業訓練計劃項目、全國大學生機械創新設計大賽等。②學生個人表達能力的顯著提升。在后續的接觸中，學生與老師們的溝通更有效、更主動、更自信。

4 結束語

“主動學習與協作學習”融合式教學模式提升了教育教學的趣味性，激發了學生學習的主觀性和主動性。教師在教育教學過程中以學生為學習主體，以課堂教學實時互動、“線上+線下”課外支持、創新項目為主的協同學習為導向培養學生主動學習的能力。同時，也培養了學生獨立思考、空間想象、三維模型設計、團隊合作和創新設計的能力。

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Application research on the mixed teaching mode in the mechanical graphics courses

ZHOU Rong-an, FU Chun-ming

(College of Mechanical Engineering, University of South China, Hengyang Hunan 421001, China)

To address students’ lack of spatial imagination and learning initiative and the difficulty in teach-student interactions in the traditional teaching of mechanical graphics, this paper mainly drew from the reform experience of the American universities: the “active and collaborative learning” integrated teaching modes. In the teaching process, the real time interactions in class and “online + offline” modes after class were utilized to foster students’ active studying ability. At the same time, the collaborative learning assisted by the creative design projects was employed to train students’ team collaboration and innovation spirits. Take one class from University of South China as the object of this study, the results of the practices indicate that the teaching proposal could enhance the effectiveness and quality of teaching.

mechanical graphics; teaching modes; active learning; collaborative learning; innovative design

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2020061039

A

2095-302X(2020)06-1039-05

2020-06-09；

2020-06-28

9 June，2020；

28 June，2020

湖南省普通高等學校教學改革研究項目(湘教通[2018]436號323課題)；湖南省教育科學十三五規劃項目(XJK18BGD047)；南華大學船山學院教學研究與課題項目(2019C2003)；南華大學教改課題(2019YB-XJG31)

Research Projects of Teaching Reform in Colleges and Universities of Hunan Province ([2018]436-323); Teaching Science Thirteen-five Planning Project in Hunan Province (XJK18BGD047); Teaching Reform Project of Chuanshan College, University of South China (2019C2003); University of South China (2019YB-XJG31)

周榮安(1965-)，男，湖南衡山人，副教授，學士。主要研究方向為圖學教育、計算機輔助設計。E-mail：4196876302@qq.com

ZHOU Rong-an (1965-), male, associate professor, bachelor. His main research interests cover graphics education and computer-aided design. E-mail：4196876302@qq.com.

符純明(1987–)，男，四川宣漢人，講師，博士。主要研究方向為圖學教育、優化設計。E-mail：739928195@qq.com

FU Chun-ming (1987-), male, lecture, Ph.D. His main research interests cover graphics education and optimization design. E-mail：739928195@qq.com