面向《機(jī)械制圖》課程的逆向教學(xué)體系創(chuàng)新研究

張克棟 劉亞運(yùn) 劉同舜 郭旭紅

摘 要：《機(jī)械制圖》作為一門既有理論，又有實(shí)踐的重要技術(shù)基礎(chǔ)課程，其主要目的是通過(guò)正投影法的基本理論及其應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生繪圖、看圖和空間想象的能力。為了適應(yīng)減少學(xué)時(shí)、增多內(nèi)容的教學(xué)安排趨勢(shì)，加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，本文創(chuàng)新性地提出面向《機(jī)械制圖》的逆向教學(xué)體系，并從四個(gè)方面進(jìn)行深入研究。在現(xiàn)有基礎(chǔ)上不斷實(shí)踐和完善機(jī)械制圖課程教學(xué)體系，探索出一種面向制造業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的機(jī)械制圖課程的教學(xué)體系和模式。

關(guān)鍵詞：逆向教學(xué)；機(jī)械制圖；思維導(dǎo)向

中圖分類號(hào)：G64 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1673-9132（2023）13-0003-03

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2023.13.001

2015年5月，國(guó)務(wù)院印發(fā)了《中國(guó)制造2025》，指出了要把創(chuàng)新擺在制造業(yè)發(fā)展全局的核心位置。中國(guó)科學(xué)院院士路甬祥指出：“創(chuàng)新設(shè)計(jì)”是實(shí)施“中國(guó)制造2025”、建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)、實(shí)現(xiàn)中國(guó)創(chuàng)造的重要?jiǎng)?chuàng)新支撐，對(duì)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、向中國(guó)創(chuàng)造轉(zhuǎn)變意義重大。在新時(shí)代、新環(huán)境下如何培養(yǎng)滿足國(guó)家工業(yè)化建設(shè)和“互聯(lián)網(wǎng)+”需求的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)人才，是高等學(xué)校面臨的主要問(wèn)題。

作為一門量大、面廣的工科技術(shù)基礎(chǔ)課程，《機(jī)械制圖》是面向工科類、理科類、醫(yī)學(xué)類等多學(xué)科的必修課程，對(duì)于培養(yǎng)滿足國(guó)家工業(yè)化建設(shè)需求的本科生人才發(fā)揮著不可替代的作用［1］。近十幾年來(lái)，全國(guó)相關(guān)領(lǐng)域教育者經(jīng)過(guò)不斷探索和實(shí)踐，從《機(jī)械制圖》課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段等方面進(jìn)行了系統(tǒng)改革，初步摸索出了符合我國(guó)新時(shí)代、新背景的《機(jī)械制圖》課程改革途徑。目前國(guó)內(nèi)部分院校著手培養(yǎng)學(xué)生的三維制圖能力，在教學(xué)實(shí)踐中大量加入了三維建模軟件，并與三維建模相關(guān)課程相輔相成，獲得了較顯著的教學(xué)效果，初步形成了以下三種主要模式：以三維造型整合課程內(nèi)容體系、三維造型與二維繪圖并重、在保持《機(jī)械制圖》原有內(nèi)容的基礎(chǔ)上單獨(dú)講授三維造型軟件［2-4］。但是30年來(lái)機(jī)械制圖教學(xué)體系的基本框架和模式?jīng)]有太大的變化，從畫法幾何的點(diǎn)、線、面開(kāi)始到三視圖、組合體、零件圖和裝配圖，這種體系是以平面設(shè)計(jì)工具為基礎(chǔ)的。而隨著社會(huì)發(fā)展，三維設(shè)計(jì)軟件普及，社會(huì)的需求也發(fā)生了很大的變化，從三維開(kāi)始設(shè)計(jì)和研究已經(jīng)成為潮流，甚至從裝配開(kāi)始設(shè)計(jì)的top-down方法也開(kāi)始應(yīng)用［5-6］，因此亟待探索面向《機(jī)械制圖》的逆向教學(xué)體系和理念。

一、新工科背景下《機(jī)械制圖》課程面臨的主要問(wèn)題

新一輪的科技和產(chǎn)業(yè)革命正在驅(qū)動(dòng)形成與發(fā)展新經(jīng)濟(jì)，新經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)形態(tài)的多樣性決定了工程教育培養(yǎng)模式的多樣性。新形勢(shì)下機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)力為綠色發(fā)展、智能制造、互聯(lián)網(wǎng)+等外在因素，并反向拉動(dòng)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)，這種轉(zhuǎn)變對(duì)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)體系提出了新的要求。當(dāng)前的培養(yǎng)體系存在以下問(wèn)題：（1）建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)對(duì)人才素質(zhì)、創(chuàng)新意識(shí)、團(tuán)隊(duì)精神和實(shí)踐能力的多樣化需求以及學(xué)生不同的個(gè)體能力和發(fā)展意愿都對(duì)機(jī)械工程專業(yè)建設(shè)和人才模式提出了新的要求；（2）機(jī)械工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式普遍單一，學(xué)生創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力不強(qiáng)。當(dāng)前大多數(shù)高校普及的《機(jī)械制圖》教學(xué)方法都把教師作為課程的中心，即以教師的課堂講授為重點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)給學(xué)生灌輸相關(guān)知識(shí)，教師是給予者，而只賦予學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)的角色，并未給他們提供足夠的思考空間和機(jī)會(huì)。顯然目前的《機(jī)械制圖》課程存在教學(xué)方式單一的缺點(diǎn)，過(guò)于凸顯教師的作用，只把課后作業(yè)作為學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手的機(jī)會(huì)，最終導(dǎo)致教學(xué)效率低，很多學(xué)生因此失去學(xué)習(xí)《機(jī)械制圖》的興趣。

目前大多數(shù)《機(jī)械制圖》教材內(nèi)容都是按照點(diǎn)、直線、平面、立體的順序編排的，在介紹完點(diǎn)、線、面的投影特性和相互位置之后，才是關(guān)于基本體、組合體的投影特性和視圖表達(dá)方法的相關(guān)內(nèi)容。目前的教材編排忽視了《機(jī)械制圖》的專業(yè)基礎(chǔ)課程屬性，并未將其與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來(lái)。對(duì)于學(xué)生而言，“點(diǎn)—線—面—形體”的教學(xué)模式也許并不意味著由易到難，而是由“抽象”到“具體”，導(dǎo)致他們從一開(kāi)始就失去了學(xué)習(xí)的好奇心和興趣。

眾所周知，要想準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)一件事情，需要經(jīng)過(guò)“具體—抽象”再由“抽象—具體”的漸進(jìn)和飛躍兩個(gè)階段。所以教師編排和講授《機(jī)械制圖》教材需要首先從較易理解的基本體入手，然后再由形體上一些特殊的點(diǎn)和線進(jìn)入比較抽象的部分。當(dāng)學(xué)生對(duì)三維形體產(chǎn)生了感性認(rèn)識(shí)，自然可以將較抽象的點(diǎn)、線、面的投影特性聯(lián)想對(duì)應(yīng)到三維形體的相關(guān)部位。這樣經(jīng)過(guò)由立體到平面反復(fù)轉(zhuǎn)換的立體感知過(guò)程，可以不斷提高學(xué)生的立體思維，學(xué)習(xí)過(guò)程會(huì)變得簡(jiǎn)單、容易。

二、《機(jī)械制圖》課程逆向教學(xué)改革探索與思考

教師要從整體上創(chuàng)新教學(xué)體系，改變機(jī)械制圖以往的教學(xué)體系和方式，研究并形成一套全新的從三維到二維、先實(shí)踐后理論、先裝配后零件的教學(xué)體系。這一體系會(huì)改變以往從畫法幾何的點(diǎn)、線、面開(kāi)始到三視圖、組合體、零件圖和裝配圖，以平面設(shè)計(jì)工具為基礎(chǔ)的教學(xué)體系，而采用與時(shí)俱進(jìn)、更貼近應(yīng)用的教學(xué)體系，對(duì)機(jī)械制圖的教學(xué)實(shí)踐具有極大的促進(jìn)意義。通過(guò)分析《機(jī)械制圖》課程教學(xué)，筆者結(jié)合自己教授制圖課程的心得和體會(huì)提出了逆向教學(xué)理念（如圖1所示）。

圖1 面向《機(jī)械制圖》的逆向教學(xué)體系模型

（一）改革教學(xué)體系

從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變是我國(guó)的發(fā)展戰(zhàn)略。新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命正在驅(qū)動(dòng)形成與發(fā)展新經(jīng)濟(jì)，新經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)形態(tài)的多樣性決定了《機(jī)械制圖》教學(xué)體系的革命性改革。因此，《機(jī)械制圖》教學(xué)內(nèi)容要緊緊圍繞新時(shí)代、新背景下機(jī)械工程專業(yè)人才的培養(yǎng)目標(biāo)，根據(jù)學(xué)生將來(lái)畢業(yè)后面向生產(chǎn)一線的特點(diǎn)重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力，以“必需”“夠用”為基本原則，適時(shí)融合新技術(shù)、新工藝和新方法，更新《機(jī)械制圖》課程教學(xué)內(nèi)容，將培養(yǎng)讀圖和繪圖能力放在首要位置，從三維圖入手建立立體概念。

打破傳統(tǒng)的“二維”到“三維”的教學(xué)模式，以培養(yǎng)繪圖和讀圖能力為導(dǎo)向，打造“三維”到“二維”的教學(xué)模式。適時(shí)在學(xué)習(xí)過(guò)程中融入二維/三維繪圖軟件，在保證徒手繪圖能力的基礎(chǔ)上加強(qiáng)學(xué)習(xí)繪圖軟件技能，既可以培養(yǎng)學(xué)生的繪圖及讀圖能力，同時(shí)又能提高學(xué)生應(yīng)用三維軟件繪圖的水平，最終培養(yǎng)出具有強(qiáng)動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的機(jī)械工程人才。

（二）重組課堂教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)

根據(jù)國(guó)家科學(xué)和技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略對(duì)培養(yǎng)機(jī)械人才的新要求、工程教育發(fā)展的新趨勢(shì)、機(jī)械智能裝備飛速發(fā)展以及大學(xué)專業(yè)建設(shè)的新特征，實(shí)踐教學(xué)依然是培養(yǎng)人才的薄弱環(huán)節(jié)。綜合型、設(shè)計(jì)型、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)不足，企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐教學(xué)不夠深入，都是目前《機(jī)械制圖》課程教學(xué)普遍存在的問(wèn)題。因此，針對(duì)《機(jī)械制圖》傳統(tǒng)教學(xué)重“學(xué)”輕“術(shù)”的現(xiàn)象，教師要構(gòu)建先實(shí)踐再理論的教學(xué)思維，整合優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，修訂課程教學(xué)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，注重引入機(jī)械工程技術(shù)案例。在此基礎(chǔ)上增加實(shí)踐教學(xué)的時(shí)數(shù)，突出培養(yǎng)學(xué)生空間想象能力的目的，使學(xué)生易于理解零件圖、裝配圖部分，從而提高閱讀和繪制零件圖及裝配圖的能力。

為了解決機(jī)械工程的實(shí)際問(wèn)題，要堅(jiān)持遞進(jìn)式培養(yǎng)繪圖“基本技能訓(xùn)練→實(shí)踐能力訓(xùn)練→綜合能力訓(xùn)練”的主線，著力加大集中性實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的學(xué)分比重，合理重組課堂教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)。增加校內(nèi)實(shí)踐學(xué)時(shí)，在企業(yè)中開(kāi)展畢業(yè)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)，由校企雙導(dǎo)師聯(lián)合指導(dǎo)、因材施教。以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，共享學(xué)科、專業(yè)資源，校企協(xié)同打造“專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)踐能力培養(yǎng)→專業(yè)綜合實(shí)踐與科研能力訓(xùn)練→創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)培養(yǎng)和能力拓展”多層次、模塊化、可重構(gòu)的《機(jī)械制圖》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。另外，鑒于學(xué)生缺乏主動(dòng)參與《機(jī)械制圖》傳統(tǒng)教學(xué)的熱情，要建立小班制授課、教師講授與學(xué)生討論并重、專題研討、自主學(xué)習(xí)、啟發(fā)交互、翻轉(zhuǎn)課堂等多維互動(dòng)的創(chuàng)新教學(xué)模式。

（三）從裝配圖向零件圖過(guò)渡

在設(shè)計(jì)機(jī)械部件的過(guò)程中通常需要先按照設(shè)計(jì)思路或要求畫出裝配圖來(lái)表達(dá)機(jī)器或部件的整體結(jié)構(gòu)形狀、工作原理、傳動(dòng)路線和零件之間的裝配關(guān)系，并通過(guò)裝配圖表達(dá)各零件的作用、結(jié)構(gòu)，以便拆畫零件圖。因此，裝配圖是反映設(shè)計(jì)思想、指導(dǎo)裝配和進(jìn)行技術(shù)交流的重要技術(shù)文件。根據(jù)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)的分類特性和功能作用增加裝配圖部分的教學(xué)時(shí)數(shù)，可以提高學(xué)生的工程意識(shí)，幫助他們更好地理解零件圖。先裝配后零件的新教學(xué)方法可以促使教學(xué)與現(xiàn)代先進(jìn)的top-down設(shè)計(jì)方法保持一致，強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維能力。

另外，在《機(jī)械制圖》課堂教學(xué)中適當(dāng)融入具體的零部件設(shè)計(jì)任務(wù)，可以更好地將先裝配后零件的教學(xué)方法引入課堂。例如，在教學(xué)過(guò)程中教師可以充分結(jié)合機(jī)械工程學(xué)生的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力發(fā)展需求，首先發(fā)表典型機(jī)械結(jié)構(gòu)零部件的設(shè)計(jì)任務(wù)目標(biāo)。圍繞設(shè)計(jì)目標(biāo)，基于不同特長(zhǎng)和性格的學(xué)生互相搭配的原則，將學(xué)生分成若干實(shí)踐小組并投入任務(wù)式教學(xué)，在首先利用裝配圖表達(dá)設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)上，再講解介紹相關(guān)零件圖，以此激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)《機(jī)械制圖》課程的興趣，并有效提升學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

（四）采用線上線下混合式課堂教學(xué)模式

根據(jù)國(guó)家科學(xué)和技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略對(duì)培養(yǎng)機(jī)械工程人才的新要求、工程教育發(fā)展的新趨勢(shì)，《機(jī)械制圖》課堂教學(xué)要注重充分發(fā)揮信息技術(shù)的關(guān)鍵效能與核心作用，構(gòu)建線上線下混合式課堂教學(xué)模式。目前三維建模軟件在《機(jī)械制圖》中得到了廣泛應(yīng)用，也對(duì)學(xué)生線上親自動(dòng)手操作繪圖軟件的能力要求越來(lái)越高。因此，需要通過(guò)精準(zhǔn)運(yùn)用線上線下教學(xué)模式，滿足學(xué)生發(fā)展電腦繪圖能力的需求，同時(shí)更好地提高教師實(shí)踐教學(xué)效果。另外，線上線下混合式課堂教學(xué)模式可以更好地利用線上課堂拓展課程資源，滿足學(xué)生差異化的發(fā)展需求，可以積極引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。依托線上線下混合式課堂教學(xué)平臺(tái)，可以更加高效地培養(yǎng)學(xué)生貫穿產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析、制造、管理、服務(wù)等全生命周期各環(huán)節(jié)的創(chuàng)新實(shí)踐能力。除了《機(jī)械制圖》課堂教學(xué)之外，教師也要依托該教學(xué)平臺(tái)結(jié)合科研項(xiàng)目設(shè)立科研訓(xùn)練課題、畢業(yè)設(shè)計(jì)課題，支持學(xué)生參與科研活動(dòng)，鼓勵(lì)學(xué)生早進(jìn)課題、實(shí)驗(yàn)室和團(tuán)隊(duì)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)造能力、創(chuàng)新精神與創(chuàng)新思維，提高專業(yè)人才的培養(yǎng)質(zhì)量。

經(jīng)過(guò)這四個(gè)方面的教學(xué)改革，學(xué)生在后續(xù)課程中會(huì)更容易應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，而且畢業(yè)之后可以縮短適應(yīng)期，更快具備獨(dú)立工作的能力。另外，還能進(jìn)一步提升學(xué)生解決復(fù)雜機(jī)械工程問(wèn)題的能力。相關(guān)工程企業(yè)用人單位也會(huì)高度認(rèn)可畢業(yè)生的能力。

三、結(jié)語(yǔ)

在新時(shí)代、新環(huán)境下如何培養(yǎng)滿足國(guó)家工業(yè)化建設(shè)和“互聯(lián)網(wǎng)+”需求的機(jī)械制圖設(shè)計(jì)人才，是《機(jī)械制圖》課程教學(xué)面臨的主要問(wèn)題。因此，針對(duì)本科生機(jī)械制圖教學(xué)中廣泛存在的問(wèn)題，為了適應(yīng)減少學(xué)時(shí)、增多內(nèi)容的教學(xué)安排趨勢(shì)，加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力，本文創(chuàng)新性地提出并從以下四個(gè)方面深入研究逆向教學(xué)體系：從三維到二維，應(yīng)用三維設(shè)計(jì)軟件的實(shí)體造型功能，從三維模型入手再建立三視圖和各種視圖，形成工程圖的概念；先實(shí)踐后理論，選擇和制作一至兩套含多個(gè)零件的裝配組件，使之與教材和課件中的示例匹配；先裝配后零件，配合裝配件實(shí)物模型、三維裝配圖模型介紹零件圖及其工程圖要素，在教材和課件中穿插這些內(nèi)容；建構(gòu)線上線下混合式課堂教學(xué)模式。

本文旨在探索機(jī)械制圖課程教學(xué)新體系，培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械制圖需要的師資隊(duì)伍，建設(shè)機(jī)械制圖教學(xué)資源，引導(dǎo)和促進(jìn)學(xué)生在新教學(xué)體系下學(xué)習(xí)機(jī)械制圖的主動(dòng)性與積極性，培養(yǎng)學(xué)生工程圖學(xué)方面的實(shí)用能力、工程意識(shí)和實(shí)踐動(dòng)手能力。本文研究思路可以用于各個(gè)專業(yè)的機(jī)械制圖課程教學(xué)，將先進(jìn)的教學(xué)體系和經(jīng)驗(yàn)推廣到其他同類課程，并在國(guó)內(nèi)高校中起著好的輻射與示范作用，具有很大的推廣價(jià)值。

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