先進成圖大賽視野下的“工程圖學”課程教學改革研究

王俊青，黃 磊，白 晶

（北京城市學院 信息學部，北京 101309）

0 引言

“工程圖學”作為高等學校工科專業的技術基礎課，在培養學生識讀及繪制工程圖的能力方面有著十分重要的地位。工程圖樣是工業生產中的語言，是工程技術人員交流、表達設計思想的重要文件。扎實的識圖能力和繪圖技巧是卓越工程師應當具備的基本職業素養。“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（簡稱成圖大賽），是我國圖學相關課程級別最高的全國性賽事，截至2022 年已經舉辦了15 屆，級別之高，影響之大，受益之眾，不言而喻。作為一項全國綜合性大學生學科賽事，成圖大賽被譽為“圖學界的奧林匹克”，已經成為評估高等學校創新創業人才培養質量的指標之一，引起各個院校的高度重視。

與教學內容更新慢、教學形式單一的“工程圖學”傳統教學相比，成圖大賽結合新工科建設和工程教育專業認證，設立機械、建筑、道橋、水利四個競賽類別。主要圍繞尺規繪圖、產品信息建模、數字化虛擬樣機設計、3D 打印、BIM 綜合應用等項目進行命題競賽，綜合考查學生的工程設計表達能力，激發大學生的創新意識，提升大學生的實踐水平。

本文結合近幾年我校信息學部機械電子工程、車輛工程等專業學生參加北京市大學生工程設計表達競賽（先進成圖大賽北京賽區選拔賽）的實踐，將成圖大賽融入“工程圖學”課程教學，分析成圖大賽對提高工程圖學教學質量，培養學生創新實踐能力的作用，為高校工科專業技術基礎課教學建設提供啟示。

1 課賽融合的“工程圖學”課程教學體系構建

“工程圖學”是工科專業的一門重要的專業基礎課，作為專業課的“前站”，工程圖學承前啟后，在基礎課與專業課之間發揮著橋梁和紐帶的關鍵作用。當前“工程圖學”課程傳統的“講授”已經很難吸引當代大學生的學習興趣。因此，我們以成圖大賽為抓手，以培養學生的工程設計表達能力、創新意識以及創新能力為目標，以創新設計為主線，以學生自主學習、能力訓練為核心，以提升學習成果和學習興趣為基礎，開展“工程圖學”課程的日常教學與技能訓練[1-2]。以機械類成圖大賽為例，其重點考查尺規繪圖、三維建模、圖學基礎知識、產品創新設計與3D 打印等方面的內容。因此，我們采取“先基礎再復雜，從模仿到改進再到創新”的逐步提升的思維訓練方式[3]，梳理“工程圖學”教學知識點與成圖大賽項目之間的關系，修訂“工程圖學”課程教學大綱，調整授課內容，優化教學方式，改革考核評價方式，構建“工程圖學”課程新體系，其設計思路如圖1所示。

圖1 課程體系構建設計路線圖

2 課賽融合“工程圖學”教學內容的研究

針對“工程圖學”傳統的教學設計環節相對陳舊，創新點少，吸引力差等問題，按照成圖大賽大綱所要達成的七個知識層級目標，即：草圖設計、三維建模、裝配建模、模型渲染、曲線曲面造型、工程圖生成、3D打印與輕量化設計[4]，對筆者學校機械類“工程圖學”教學內容進行優化，提高課程教學內容和大賽內容的關聯度；以成圖大賽項目為載體，整合工程圖學課程知識模塊和教學內容；以項目化教學的方式實施課程教學，從而實現課程內容和大賽內容的無縫對接。“工程圖學”課賽融合教學內容大致分為四大模塊：

（1）尺規繪圖模塊。側重工程圖學基本知識的講授，結合習題集和成圖大賽樣題，加強二維繪圖軟件的應用練習。

（2）三維建模模塊。結合成圖大賽樣題，重點講授零件圖、裝配圖的識讀，三維模型構造以及工程圖的生成，加強三維建模軟件的練習使用。

（3）圖學基礎知識模塊。在講授工程圖學基礎知識的基礎上，增加常見機械零部件的工藝知識，加強基于功能的零部件結構設計和表達，從而促進學生形體結構創新能力和設計表達能力的提高[6-7]。

（4）產品創新設計與3D 打印模塊。結合成圖大賽試題，采用項目驅動的教學方式，對典型機械產品進行優化設計。課賽融合的工程圖學教學內容體系如圖2 所示。

從歷屆成圖大賽題來看，基本上是以“工程圖學”課程內容為基礎，利用繪圖軟件進行二維繪圖、三維建模（包括零件和裝配模型），并且驗證所設計零部件的結構是否合理，所設計的裝配體的定位、安裝以及運動關系等是否滿足生產實踐要求[5]。此外，從我校歷年參加成圖大賽北京賽區選拔賽的結果來看，學生普遍在結構形狀相對簡單，但形體分析要求高的試題上得分率較低，而在結構形狀相對復雜的裝配體試題中得分率較高，這就說明，學生往往不是因為軟件應用能力差導致得分率低，而是因為對組合體的形體分析能力不足導致的。因此，在工程圖學教學過程中，要重視基礎知識的學習與訓練。

3 結合成圖大賽的要求，優化“工程圖學”教學方式

傳統的“工程圖學”教學以講授為主，上機為輔，理論與實踐結合不太緊密。加上“工程圖學”課程學時普遍較少，內容較枯燥且理論化，導致多數學生難以及時消化。而成圖大賽除了考查學生圖形基礎能力外，更注重考查學生運用圖學知識和軟件工具進行創新設計，解決實際問題的能力。因此，我們進行了一系列教學方式的嘗試，取得良好的教學效果。

（1）項目驅動，混合式教學。教學過程中，以成圖大賽項目為載體，利用線上教學平臺，借助多媒體、教學視頻、動畫等手段，采用討論、翻轉課堂、案例分析、項目驅動等方式，開展線上線下混合式教學[3]。譬如，對于“工程圖學”基礎知識，學生可以利用線上平臺資源進行預習、在線學習、習題鞏固；對于相對復雜的零件的表達方式、零件圖和裝配圖等內容，除了課上講解相關知識之外，結合大賽項目進行分組討論，分析相關知識點。

（2）分組分層，模塊化教學。針對不同的教學目標，采用不同的教學模塊實施教學。在教學初始階段，面向全體學生講授“工程圖學”的基本知識和軟件工具的基本應用，這對于大多數學生來說，都能夠達到教學目標，學有所獲。在此過程中，教學內容主要結合大賽的“尺規繪圖模塊”，面向全體學生，在講授“工程圖學”基礎知識的基礎上，引入成圖大賽樣題中該模塊的考點，進行重點分析講解，增加課程內容的吸引力和著力點，使學生的學習熱情大大提高。在后續教學過程中，又將大賽“三維建模模塊”融入教學內容當中，主要講授零件圖、裝配圖和工程圖的相關知識，重點分析、講解成圖大賽樣題中的相應考點。與此同時，針對優秀學生，結合大賽“產品創新設計模塊”的內容要求，進行分組強化學習。一方面可以使更優秀的學生脫穎而出，參加比賽。另一方面，優秀學生能夠帶動其他學生的學習，從而提高整個“工程圖學”教學質量[8]。

（3）課后項目制教學模式。課后項目制，主要以學生自主學習為主，教師負責項目的設計和任務分配，對學生的學習進行指導監督。結合大賽項目要求，教師引導學生進行創新設計和制圖技能展示，并以此進行大創成果孵化，激發學生的學習熱情，提高學生的科研創新能力。與此同時，課后項目制的實施也彌補了工程圖學課時的不足。參與項目制學習的學生普遍掌握得較好，不光在“工程圖學”課堂教學中起到“導生”的作用，同時也帶動了其他科目的學習。

4 構建課賽融合的“工程圖學”課程考核評價方式

目前，“工程圖學”課程考核方式相對比較傳統，通常采用“理論+上機”的考核方式。成圖大賽作為一項綜合性的、創新性賽事，考查的工程圖學知識比較全面，考題更具靈活性和開放性。基于先進成圖大賽提出的“提高學生手工繪圖技能和使用現代工具（計算機繪圖）的能力”要求，以及成圖大賽三維模型轉化為規范工程圖的考核形式，在教學過程中，我校基于成圖大賽項目，從圖形基礎、二維繪圖、三維建模、創新設計幾個層面，結合不同的教學內容和教學方式，設計工程圖學課程多維考核評價環節，保證學生在達到教學大綱要求的基礎上，學有所獲[9]。

（1）理論考核與技能考核相結合。理論考核主要針對成圖大賽尺規作圖和圖學基礎知識模塊，考查學生對工程圖學基礎知識、國家標準，以及零件的表達方式的掌握情況；技能考核側重考核學生對于二維繪圖和三維建模軟件的掌握程度。

（2）過程性考核與終結性考核相結合。降低期末考核成績所占比例，提高平時成績比例，強化平時自主學習和小組學習的表現，避免學生平時不認真學習，考前臨時突擊通過期末考試，有助于營造良好的學習氛圍。

（3）定量考核與定性考核相結合。定量考核主要利用線上學習平臺，對學生在線學習時長、在線測試、習題完成量、在線討論和互動等情況進行定量分析；定性考核則通過學生的課堂表現、課堂作業、階段測試、期末測試等方面來進行評價。

（4）自我評價與互相評價相結合。成圖大賽以小組的形式參加比賽，團隊協作能力至關重要。尤其在“產品創新設計與3D 打印模塊”尤為重要，小組成員均要全力以赴，發揮自己的優勢。自我評價即學生通過分析自己在學習（比賽）過程中的得失表現，發現對哪些知識掌握得還不夠；相互評價則從小組團隊的角度，分析每位小組成員在學習（比賽）過程中的作用和不足，從而有助于提高學生學習的獲得感、積極性和自主性[10]。

5 結語

“工程圖學”作為高校工科專業的一門重要的技術基礎課，理論性與實踐性都很強。先進成圖大賽作為國內圖學頂級賽事，是引領工程圖學教學的風向標，也是衡量高校工程圖學教學質量的標準，機械類成圖大賽是培養和提高學生工程設計表達、實踐能力和創新能力的重要途徑之一[11]。近年來，我校信息學部機械電子工程、車輛工程專業結合全國成圖大賽、北京市大學生工程設計表達競賽（先進成圖大賽北京賽區選拔賽），相繼開展了傳統手工制圖、二維繪圖和三維建模等競賽。并在教學過程中，將“工程圖學”教學與競賽相融合，重新梳理課程體系，整合教學內容，優化教學方式，采用多元的考核方式，不斷嘗試課賽融合教學實踐，提高了學生學習自主意識、創新能力和教師的教學水平，取得了良好的教學效果。