基于工程化思路和信息建模實踐的“工程圖學”教學改革

沙 琳 司東亞 董王妍

中國人民解放軍陸軍炮兵防空兵學院 安徽合肥 230031

“工程圖學”主要研究繪制和閱讀工程圖樣的基本理論和方法，是工科專業必備的一門拓寬專業口徑的技術基礎課，對培養學員工程意識及工程素質起著非常重要的作用，所學習的知識內容與培養的能力、工作態度以及工作作風是工程技術人員必備的基本素質。“工程圖學”課程對學員進行工程制圖基本訓練的同時，還能夠增強工程實踐能力，提高創新意識，對其知識、能力與素質的形成具有重要地位。因此，通過更新教學理念，注重運用工程化思路培養學員用圖形進行思維的能力，將傳統的傳授知識轉變成培養創新能力的圖學教學體系；優化教學內容，以裝備為平臺設計直觀的教學情境，培養學員創新思維，奠定創新基礎；發揮網絡教學優勢，運用信息建模實踐手段，將信息建模與教學過程深度融合，引導學員產生興趣，啟發創新意識，營造一個具有靈性的學習實踐氛圍是圖學教學改革的主題。

一、更新教學理念，在教學過程中注重運用工程化思路培養學員圖形思維能力

工程圖樣是“工程圖學”研究的對象，閱讀和繪制工程圖樣的過程應以形象思維能力和空間想象能力的訓練貫穿教學始終，不同于注重傳統邏輯思維能力培養的其他基礎課程。因此，在教學過程中要注重運用工程化思路培養學員用圖形進行思維的能力，使學生在短期內提高空間想象和構思能力。例如，教學中要始終強調工程意識的建立，拋開傳統的公式計算方法，用作圖方法解決空間問題，強調多面投影理論，以培養學員空間想象能力，一題多解時要樹立學員的擇優意識。以工程化思路貫穿課程教學的全過程，為后續開設的專業基礎課和專業課打下堅實的工程理論基礎。

(一)精選教學內容，打牢理論基礎，培養工程意識

選取教學內容時，應強化工程背景，以設計、制造和應用為主線，循序漸進地將學員引入對工程實際問題的基礎認知上，增強學員對工程問題的理解和適應能力。工程圖學包括圖學基礎理論和繪圖實踐兩部分，具體內容包括三個模塊：圖學基本理論和基礎知識、制圖技術、制圖應用。在圖學基本理論各章節中，以基本體為主線，從基本體出發講授畫法幾何部分中幾何元素的投影及規律，遵循三維空間立體到二維平面圖形的投影理論，課堂講授內容做到少而精。在零件圖和裝配圖各章節中，重點應在典型零件圖的識讀及表達方法上，在講解過程中要結合零件的工藝結構、標注尺寸、技術要求、材料的熱處理等，強化學員的工程意識。

(二)設置工程背景，理論聯系實際，啟發工程思考

教育心理學認為，當新知識與學習者已有的知識和經驗發生聯系時，學習者才能很好地理解和掌握新知識。我院招收的學員一部分來自高中，還有一部分來自部隊，而“工程圖學”是他們進入大學學習的第一門工科基礎課，學習的內容與他們已有的知識和生活經驗聯系不多，必須通過實施有效的教學過程，讓學員獲取與工程實際緊密相關的全新知識，為后續專業課程學習奠定堅實的工程基礎。“實例式教學”是教學過程中理實一體思想的重要體現，教員課前通過設置與課堂學習內容密切相關的案例或問題，并給學員提供解決該問題的要點提示和相關素材，引導學員主動思考，通過自主學習和實踐，最終找到解決問題的最優方案，培養工程意識。例如，在“標準件和常用件”這一章中，講授“螺紋和螺紋緊固件”的內容時，可聯系生活和部隊中能接觸到的螺紋和螺紋緊固件實例，例如車輛、火炮、固定桌椅、健身器材、千斤頂等。結合這些實例設計各種各樣的問題，啟發學員積極思考，在課堂教學中還可以設置多種相關問題：比如如何加工螺紋?自來水總閥中閥門和管道是如何連接？桌椅是怎樣固定在地面上的？這種“基于問題的實例式教學”方式，既可以豐富學員的知識結構，又有助于擴充背景知識，提高學習興趣。

(三)注重講授內容的引入和總結，強化工程化思路

講課是提出問題、分析問題和做出結論的過程。提出問題要做到自然明確，聯系實際；分析問題要做到層次分明、條理清晰；做出結論要做到簡明準確，便于記憶。因此，我們在授課時，圍繞本課程要達到的教學目的，精心組織教學內容，在組織好教學內容的前提下，還要很好地提煉所講的內容，做到重點突出、言簡意明，并注意歸納總結一些簡明易記的結論，在精講的過程中，注意引導學生積極進行分析和綜合的思維活動，例如在講解看圖的基本方法“形體分析法”時，根據線框和圖線的含義，結合幾個視圖同時看，確定基本題的形狀，這是分析的過程；再抓住形狀位置特征視圖，把各基本題組合起來，想象出組合體的形狀，這是綜合的過程。另外通過選擇具有代表性的例題，在解題過程中引導學生進行分析和綜合的思維活動，加深對“形體分析法”的理解，對解題結果進行歸納和總結，提出新的問題，為強化學生記憶創造條件。

總結是提高的前提，只有善于總結，勤于思考，才能不斷提高，又可以使教師在總結的過程中不斷提高自身的教學水平。只有通過精心組織教學內容，提煉講授內容，善于歸納總結，才能為教學創新奠定基礎。例如在講授“軸測圖”這個知識點時，講到用坐標法分別做出了點、基本體的正等軸測圖，回顧一下作圖過程，總結出六個字概括出坐標法的含義：“建立→轉移→度量”。目的是“度量”的坐標值數量越少越好，關鍵在第一步如何“建立”坐標系，所以用三個字描述這三步“活”“準”“簡”。第二步“轉移”要“準”，即按軸測性進行轉移，通過例題的講解，總結出解題的工程思路。

二、優化教學內容，以裝備為平臺設計直觀的教學情境營造創新氛圍

(一)工程圖學以讀、繪裝備圖為主線

“工程圖學”是一門研究如何繪制與閱讀機械圖樣的專業基礎課程，既有系統理論又有很強的實踐性。工程圖樣是“工程界的技術語言”，是機械設計、制造過程中用來表達設計思想、進行信息交流的重要工具，是技術部門的重要技術文件。為了適應生產上對計算機繪圖技術的迫切需求，該課程已成為掌握這類現代技術的一個重要基礎，所學習的知識內容與培養的能力、工作態度以及工作作風是工程技術人員必備的基本素質。

在教學改革中，我們在保證知識理論體系完整的前提下，精簡教學內容。由于人才培養方案和課程標準的調整，教學課時數明顯減少(目前為40學時)。因此，在教學內容上我們不能簡單地壓縮，而應該在精選上下功夫，堅決刪除一些已經失去實用價值的傳統理論及方法。在內容設計上，一方面考慮其工程應用性，另一方面要關注與其他課程的內在聯系，保留與后續課程密切相關的內容。原“工程圖學”課程中包括三大模塊內容：畫法幾何、機械制圖、計算機繪圖。畫法幾何模塊主要研究用平面圖形表示形體，用圖解方法解決空間幾何問題的理論和方法，是工程圖樣的投影理論基礎。在以往的教學中，由于畫法幾何的內容比較難，學員感覺有些吃力，教員在這部分花費了大量的時間和精力，效果卻不盡如人意。為此，在教學改革中，為培養學員的空間想象能力和思維能力，不要過于強調畫法幾何的深度和廣度，應重點講清點、線、面和立體投影的基本概念和投影特性，為之后學習機械制圖模塊打下投影理論基礎。圖解法求空間幾何元素相對位置等比較抽象、難度較大的內容可作為課后知識拓展，留給學員自學，學員根據自己的具體情況進行選擇取舍，教員有針對性地給予指導。工程圖學的目的是培養學員利用平面圖形表達空間形體的能力、閱讀和繪制工程圖樣的能力。學員必須建立起平面圖形與空間形體之間一一對應的關系，在教學改革中，為了讓學員對作圖過程有更深入的理解，教員通常以實物模型和三維建模軟件構建的空間模型為教具，通過畫圖、看圖和構型，從“空間到平面，再從平面回到空間”的反復思維和訓練，使學員在大腦中積累較多的幾何形體和空間模型，同時利用平面視圖在一定條件下對空間形體表達的不確定性，通過對表達形體的判斷和篩選，對學員進行發散思維的訓練。計算機繪圖是科技發展的需求，也是工程圖學發展的趨勢，因此，在計算機繪圖教學模塊，應將計算機繪圖知識穿插在另外兩個內容之間，而不是簡單地將三個模塊內容依次進行講授，比如上習題課的時候，可以用CAD軟件邊示范邊講解，使學員在學習圖學知識的同時，也能用CAD軟件進行構思和繪圖。

(二)精選裝備案例，以“讀、繪”裝備圖樣作為貫穿全書的主線

在教學改革中，我們以培養學生空間想象力、表達工程設計思想以及武器裝備制造、裝配、檢驗等所需信息能力為“工程圖學”課程教學的核心，在相關章節以案例的形式引入研讀，繪制武器裝備工程圖樣內容，同時結合武器裝備認知實踐，使學生盡早接觸、了解武器裝備，加強學生徒手繪草圖、儀器繪圖及計算機繪圖能力的創新實踐能力訓練，以掌握概念、強化應用、培養技能為重點。在教學過程中，為培養學員三維形體的空間表達能力、構形能力和創新能力，要充分利用CAD等三維建模軟件進行繪圖訓練。比如，教員可以布置任務，學員根據設計要求，自己分析、想象和構思三維形體，然后進行特征造型并用3D打印機打印出來，通過舉辦各種三維建模比賽，引導學生積極探索、勇于創新。

(三)充分利用各種方式構建一個具有裝備背景的教學環境

軍校的主要任務是培養適應現代和未來軍事斗爭需求的高素質人才，這與普通高等教育工程技術人才培養模式的側重點有所不同，應使其具備基本的機械工程素質，能夠在應對科學技術發展的同時，應對武器裝備的更新升級。在教學內容上，做到精選裝備實例，以“讀、繪”裝備圖樣作為貫穿全課程的主線，以培養學員空間想象力、表達工程設計思想以及武器裝備制造、裝配、檢驗等所需的基礎能力。我們已經完成了“工程圖學”課程案例素材庫，其中包括火炮典型構件的組合體視圖、火炮典型構件的常用表達視圖、火炮構件的標準件與常用件、火炮典型構件的零件圖。從案例庫中精選出與授課內容相關的實例，做到知識點的有機融合和穿插，創設合理直觀的教學情境，提高學生的學習興趣，激發創新欲望。在教學中結合課程特點，將武器裝備如“坦克自動裝彈機”“火炮自動輸彈機”等進行拆分并建模，使之融入課程知識點中，讓學生在學習繪圖基本知識的同時，認識并了解武器裝備的構造。在全國工程圖學及機械設計課程教學比武和本院教學比武中，都展示了圖學在裝備中的實際應用，皆獲得院內外專家一致好評，并取得優異成績。

三、發揮網絡教學優勢，將信息建模與教學過程深度融合，進行創新意識的實踐

隨著信息技術的快速發展，一種新興的、先進的信息化教學模式對傳統的教學模式提出了挑戰。在課堂教學中“工程圖學”應充分發揮多媒體、網絡教學優勢，利用CAD等三維建模軟件快速生成空間物體的功能，將抽象的二維平面圖形轉化為三維空間形體呈現在學員面前，在平面圖形和空間物體對應關系的訓練中，不僅縮短了平面與空間的距離，有助于提高學員的空間構思能力，還能將信息技術與教學過程進行深度融合。比如把最新的信息技術——VR虛擬仿真技術，應用到“工程圖學”的授課過程中。我們已經完成的新形態VR3D版《工程圖學》教材，可以實現學員用手機/PAD安裝APP后，使用手機/PAD軟件直接掃描教材或者習題集上的圖片，動態展示三維立體幾何模型的功能。通過在教學中實踐，既調動了學員的學習興趣，又取得了好的學習效果。例如在組合體視圖這章節中，教學內容包括組合體的構成、畫組合體視圖的方法和步驟、組合體讀圖的方法和步驟及組合體的尺寸標注。教學內容圍繞組合體的組合形式、畫圖、讀圖展開，以往的教學模式是從平面到空間再到平面，空間想象能力較差的學員學習起來比較困難。如果將三維建模軟件應用于教學，借助于軟件的三維實體造型功能，通過對空間形體的實物模型演示，把空間形體靜止、抽象的內容轉換成形象、生動的立體模型圖，按照先空間、后平面、再空間的模式進行教學，使學員在“由物畫圖，由圖思物”實踐中潛移默化地強化了構型設計能力和空間思維能力。

將信息技術與教學過程深度融合，讓思維活躍起來的同時也激發了學生的創新意識。在教學實踐環節，如課外輔導、批改作業和指導學生自學過程中，我們可以運用基于MOOC平臺的“工程圖學”課程資源庫和VR虛擬仿真技術，在“圖學第二課堂”和“先進成圖技術與產品信息建模創新大賽”的培訓中，為學生提供一個互相學習交流的機會，共同探索成圖理論和技術發展的方向，學習先進的成圖技術與手段，展現學生經典成圖技術、產品信息建模的創新能力，同時為展示學生成圖理論技術水平和創新能力提供科學的平臺。在訓練的過程中，將參加學生分多組進行培訓，根據不同的專業和個人愛好選擇不同的實踐培訓課題。如制作復雜模型，通過自選材質運用不同的切割和疊加造型實現，使學生能在動手實踐中自主學習；或對某裝備零部件進行建模或測繪；或組織學生進行尺規繪圖競賽，在學生中營造種合作、交流和競爭的氛圍。同時，“圖學第二課堂”還通過講座、練習、競賽等手段，圍繞武器裝備開展讀圖、繪圖等活動，以提高學生研讀、繪制武器裝備工程圖樣能力，培養應用型人才。如開展“裝備測繪”比武，對復雜武器裝備零部件開展測繪競賽，以賽促練，培養了學生圖學思維能力、三維構型能力和裝備認知能力。第二課堂的運行，取得了良好的教學效果，提高了學生的學習能力、創新能力、抗挫折能力、實踐動手能力和溝通合作能力，對學生個性和創新能力的全面發展是一個有益的嘗試。通過系統的學習培訓，學生基本掌握圖樣的畫法和能夠讀懂中等復雜程度的裝備圖樣。

我院連續十年組隊參加“高教杯”全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽，均獲得了團體一等獎的優異成績。參賽不僅是對學員掌握先進的制圖技術與手段及創新能力的一次全面考驗，也是對“工程圖學”課程教學的一次全面的檢驗。

四、結論

(一)樹立了教學過程中運用工程化思路培養學員圖形思維能力的教學理念

通過分析我院“工程圖學”課程的教學現狀與培養適應部隊建設需要的高素質人才需求不相適應的集中表現，即較窄的專業教育人才培養模式與軍事教育的特點不相適應；課程內容側重于工程技術應用，與武器裝備科技的發展不相適應；教學方法和手段偏重于經典理論的繼承性教育，與軍事指揮的培養特色不相適應；基礎教學與裝備實踐割裂，與培養學生裝備應用能力的要求不相適應。樹立了運用工程化思路培養學員圖形思維能力，以適應部隊建設需要的高素質人才為目標的教育理念。

(二)優化了以裝備為平臺設計直觀的教學情境，以“讀、繪”裝備圖樣為主線的教學內容

從培養學員裝備應用能力出發，對課程教學內容進行了重組與優化。“工程圖學”精選裝備實例，以“讀、繪”裝備圖樣作為貫穿全書的主線，以培養學生空間想象力、表達工程設計思想以及武器裝備制造、裝配、檢驗等所需信息能力為“工程圖學”課程教學的核心。

(三)采取信息建模與教學過程深度融合的教學方式，發揮網絡教學優勢，進行創新意識的實踐

“工程圖學”課程在教學中應充分利用CAD等三維建模軟件和VR虛擬仿真技術，利用其快速生成空間物體的功能，將抽象的平面圖形轉化為空間實體展現在學員面前，在空間物體和平面圖形對應關系的訓練中，將信息技術與教學過程深度融合，不僅縮短了平面與空間的距離，而且可以迅速準確地表達設計思想，培養學員圖學創新思維，讓思維活躍起來的同時激發學員的創新意識。