基于賓夕法尼亞州立大學圖學課程的工程制圖教學模式改革

劉佳 李心橋 楊勝強 馬麟

摘要 文章介紹了美國賓夕法尼亞州立大學哈里斯堡分校工程設計圖學課程教學現狀，分析了其圖學課程教學體系的構成，借鑒其教學模式的特點，針對作者所在學院的工程制圖教學模式，進行了“穿插互補式”教學模式改革，實踐證明，改革后的教學模式有助于增強學生的學習興趣，提高學生的空間構形能力，提升學生的工程素養。

關鍵詞 工程制圖；教學改革；教學實踐；美國圖學課程

中圖分類號：G642文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.8.019

工程制圖作為一門培養大學生工程意識和能力的專業基礎課，通過學習工程立體形狀的表達，培養學生認真、耐心、細致的工程作風和應用性、實踐性、創造性的工程能力。隨著三維建模軟件的廣泛應用以及3D打印技術的不斷發展，培養滿足新工科建設要求和社會需求的應用型人才，掌握一定的構形思維和建模技能成為學生的必備能力。國外一些國家的工程制圖課程重在培養學生的徒手繪圖能力和建模能力[1-3]，國內許多高校在提升學生圖學知識應用能力方面已經進行了多種教學模式的嘗試[4-5]，王妍等[6]采用基于OBE理念的教學模式，依托網絡教學平臺，充分利用Solidworks軟件資源加強學生工程能力的培養。史艷紅[7]等考慮到建模融入工程圖學的原則，建模部分只學習零件建模、裝配建模、生成工程圖3個模塊的基本操作。張宗波[8]等從比較簡單的基本體造型開始就引入三維造型軟件，從簡單到復雜，從基本體到組合體，逐步完成造型設計。白柳[9]在三維CAD構形思想支持下闡述圓柱體、球體、正方體等立體的構形過程，運用計算機繪圖軟件將三維CAD構形思想有效融合到工程制圖教學的各個環節。將工程制圖教學內容和三維建模軟件進行有效結合，體現了“以學生為中心、以能力達成為目標”，符合雙一流建設學科“重基礎、寬口徑、大縱深”的人才培養目標。

1賓夕法尼亞州立大學的圖學課程特點

工程圖學課程在賓夕法尼亞州立大學稱為工程圖形技術，作為一門通識課程能訓練和培養學生的工程素養。其具備以下特點：

1.1理論課程先行

作為一門工程圖形技術的先修課程，其內容包括：草圖及書寫、正投影圖、立體圖、剖視圖、斜視圖、尺寸標注、公差、螺紋緊固件。學生上課教室配備電腦，教師首先利用板書對理論概念進行介紹，采用Solidworks軟件進行實際操作。學生一方面利用軟件進行練習，另一方面利用美國特制的“方格紙”進行訓練，強化手工繪圖的能力。

1.2課程體系完善

包括以下科目：①計算機輔助繪圖簡介——利用計算機輔助繪制和設計圖形；②空間分析和計算機輔助繪圖——2D繪圖和3D實體建模技術，繪制工程圖；③圖形和實體建模——介紹具有約束和無約束的幾何及裝配的參數化實體建模技術；④應用實體建模——從實體模型創建工程圖，包括尺寸標注，螺紋緊固件，表面處理符號；⑤高級計算機輔助繪圖——應用專業實體建模軟件生成完整、標準的工程圖樣。

1.3考查機制全面

該課程一學期完成，共3學分，16周，每周一次，每次2+1個課時。考查方式包括1次測驗，3次考試和1次期末考試，第2周結束進行測驗，第6、10、14周結束分別進行3次考試，第16周結束進行期末考試，期末考試成績占總成績的25%。除此之外，還需考查學生參加實驗情況以及小組課題完成情況，該考核方式提高了學生的出勤率，強化學生對整個課程內容的掌握，培養了創新思維和設計能力。

2工程制圖課程教學模式改革

對比國內工程制圖教學方式，賓夕法尼亞州立大學的圖學課程具有以下特點：①課程實踐性強。Solidworks作為教學必備軟件，貫穿整個教學過程，對徒手繪圖能力、計算機繪圖能力要求較高；②課程理論知識弱。整個教學過程幾乎沒有理論講解，課程直接從三維構形展開，不向專業制圖延伸，最后向二維圖形拓展，強調課程內容的實用性，重在多種圖樣表達方式的學習。

基于賓夕法尼亞州立大學圖學課程的優點，對工程制圖課程教學模式進行改革。基于工程制圖課時數共56學時的限制以及教學環境現狀，智慧教室電腦配備數量無法保障每位同學可以直接進行隨堂建模訓練，不能及時反饋學生的學習效果，因此，靈活使用“穿插式”教學模式進行有效教學。教學模式改革內容包括：

2.1“穿插式”計算機輔助工程制圖教學

①工程制圖教學內容重新整合。工程制圖課程重在立體的表達，根據立體構形的復雜度，將課程內容重新整合為立體基礎模塊、集合體強化模塊、部件—零件—圖樣專業模塊。

立體基礎模塊以課堂展示教學實物模型為主，輔以計算機多媒體技術，利用學生邏輯思維能力強的優點，將點、線、面基礎投影理論知識穿插到立體基礎模塊中講解，幫助學生加強對一般位置和特殊位置直線、平面概念的理解和區分，使抽象的概念具體化，便于學生快速掌握投影基礎知識。

集合體強化模塊以三維建模為主，將截切立體和相貫立體穿插到集合體強化模塊中講解，弱化截交線和相貫線的理論概念，通過三維建模使抽象的概念形象化。幫助學生逐步建立基本體與點、線、面，集合體與基本立體的投影轉換和對應關系，在授課環節注重強調工程制圖的“邏輯性”，提升學生的學習興趣。在集合體強化模塊的授課中，通過讀集合體軸測圖—建模—畫三視圖，讀三視圖—建模—畫軸測圖這樣一個二維三維不斷轉化的穿插式教學，強化集合體三維形象，提高學生的軟件應用和三維構形能力。

在學生建立了“表達+構形”的設計意識和“表達+建模”的制造意識之后，從“設計、制造、裝配”一體化的角度出發，學習部件—零件—圖樣專業模塊。將國家標準的概念穿插到專業模塊內講解，掌握常見零件和標準件的規定表達方法，加強對零件制造與裝配工藝的理解，提高學生的標準意識，提升現代制造理念。

②計算機輔助繪圖學時安排重新整合。傳統工程制圖課程安排為CAD軟件學習在前，三維建模軟件學習在后。但是，盡早開展三維建模可以幫助學生更輕松地理解點、線、面基礎知識，加快培養學生的構形思維能力。因此，將計算機輔助繪圖學時安排重新整合為三維建模軟件學習在前，實驗學時為12個，CAD軟件學習在后，實驗學時為8個。

從立體基礎模塊開始，就使用三維建模軟件，通過構建基本立體模型，培養“表達+構形”的設計意識。在集合體強化模塊，不斷強化三維軟件建模技能，建立“構形+建模”的設計意識，構建三維模型與二維視圖相互轉換的概念，培養學生學習工程制圖課程的“思維性”。

在部件—零件—圖樣專業模塊的學習過程中，培養學生掌握從模型庫中調用標準件的能力，靈活實踐零件的設計、制造、裝配信息即尺寸標注與技術要求。并開始CAD軟件的學習，彌補由三維建模軟件直接導出二維工程圖的不足，優化學生的知識結構，夯實基礎。

將工程制圖課程內容和三維建模軟件、CAD軟件教學相互穿插，避免了單獨安排計算機輔助繪圖教學與工程制圖課程難以實現有效銜接的問題，并且三維建模軟件和二維CAD繪圖軟件的相互穿插學習，降低了軟件操作學習的枯燥性，提升了學生興趣，強化了圖學知識應用能力。

2.2“互補式”計算機輔助工程制圖考核

工程制圖作為一門專業基礎課，需要考核的不僅有理論知識，還包括學生的構形思維能力。因此，需要建立一個知識與能力相結合的考核方式。包括兩方面：

①階段性課程內容考核。根據基礎模塊、強化模塊和專業模塊的課程安排，在每一模塊課程內容結束之后，對學生進行階段性考核，利用建模軟件完成考核內容，根據考核結果檢驗學生對理論知識和建模技能的掌握程度，與教學內容形成一個及時的反饋和互補。

②創新性課題任務實踐。工程制圖教學和三維建模教學都是針對學生的綜合素質進行培養，在掌握了基本知識與技能之后，需要學生創新能力的提升。因此，分別在強化模塊和專業模塊之后，設置一個創新性課題任務，給定任務主題，學生根據主題進行三維建模并生成相應的二維圖形，進一步增強學生的實踐能力、提升學生的創新意識，對課程的教學目標實現反饋和互補。

3工程制圖課程改革實踐

通過“群課堂”中的課程喜愛度調查、課堂教學效果滿意度調查、學生自評和對教師的評價，關注學生學習該課程的情感與態度，并將工程制圖期末考試成績與第一作者所帶試驗班級與同專業其他班級成績對比，平均成績與及格率均有所提高。

除學習成績提高外，學生的建模技能也有明顯提升，主要體現在兩個方面：①通過平時的階段性測驗，考查學生的軟件使用情況，從建模速度、準確度和建模思維三個方面進行衡量，學生軟件使用熟練程度加強，從而使學生參加先進成圖技術大賽的積極性大幅度提升，2021年校賽報名總人數達到歷史新高258人；②通過設定小組科研創新任務，提升學生的軟件實操和創新構形思維能力，體現工程圖學實踐性和創造性的教學目標。

4結論

在工程制圖的教學過程中通過重構課程教學內容，優化軟件教學環節，弱化基礎理論概念，強化三維軟件建模技能，將模塊化的工程制圖課程與建模軟件教學穿插進行，優化學生知識結構，增強圖學知識的實踐性。“穿插互補式”教學模式在培養學生的讀圖繪圖能力、空間構形能力、創新實踐能力方面體現出良好的教學效果，使學生具備了勝任社會專業需求的必需技能。

*通訊作者：李心橋

基金項目：國家自然科學基金（52105474）；山西省高校科技創新項目（RD2000003620）；山西省教改項目（J20220144）。

參考文獻

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