新工科背景下融合現代信息技術的工程圖學教學模式探索

李炳強 葉福民 吳巨龍 劉金鋒 康超

摘要：本文針對新工科背景下融合現代信息技術的工程圖學教學模式進行了探索，闡述了傳統工程圖學課程在人才培養中存在的問題；融合多種現代信息技術，提出以工程項目信息驅動的教學模式，并在此基礎上，融入云計算以及增強現實的信息技術，提高學生空間思維能力以及實踐創新能力，使學生能夠具備解決復雜實際工程問題的能力，完善新工科背景下的工程專業人才培養。

關鍵詞：工程圖學，教學模式，信息技術

中圖分類號：G642.0??文獻標識碼：A

伴隨著“互聯網+”“中國制造2025”等國家重大戰略實施過程，教育部下發了《開展新工科研究與實踐的通知》，并先后啟動諸多新工科研究項目與實踐課題。為了提高學生的跨學科融合協作性、溝通協調能力以及創新創業能力，傳統的人才培養模式面臨著巨大的挑戰，順應時代潮流開展工程教育改革已是迫在眉睫[1-2]。

工程圖學是研究工程產品設計思想的信息表達、交流和傳遞的科學。它是工程學科的基礎，在工程教學體系中起著極其重要的基礎性作用。在課程開始時，基于投影原理，通過視覺思維建立三維模型和圖樣之間的關系。同時，根據工程標準和規范表達工程設計思想，最終使學生具備繪制和解釋零件圖的能力。工程圖學課程的教學以解決工程實際應用問題為目標，以設計能力以及表達能力為教學核心，以二維工程圖紙為研究對象，使得學生能夠做到用圖紙表達設計思維，同時也能看懂復雜工程圖紙，具備“讀圖”和“繪圖”的能力。

工程圖學以機械圖形作為對象，是機械工程專業的基礎課程。通過圖樣表達工程設計思想與結構實體，兼具理論性與實踐性，是高等院校工科專業的必修課，重點培養學生的三維思維能力與圖形表達能力，特點鮮明，涵蓋知識面廣[3]。該課程對傳統工科的改進升級和發展壯大提供強勁的基礎保障。因此，如何面向工程圖學課程創新教育理念，改進教育方式方法，使其更好地滿足社會生產科研發展需求，是新工科背景下教學改革的重要研究課題。

近些年基于人工智能（AI）的現代信息技術迅速崛起，不斷涌現出機器學習、數據挖掘、物聯網云計算、增強現實（AR）等新技術，并與現代工業快速深入融合發展，驅動著工業設計及制造領域網格化、智能化方向邁進[1-2，4]。基于此，本文闡述了工程圖學課程目前存在的問題，將現代信息技術與工程圖學教學深度融合，探索了融合現代信息技術的工程圖學教學新模式。

1?工程圖學教學中存在的問題

1.1?學時少

在現今的教學模式中，更注重綜合知識的培養，學生所學課程以及需要掌握的知識點日益增多。由于工程圖學課時分配較少，學生對該課程的知識點研究不足，更無法專注于解決工程問題。可以說，該學科設置的課程長度都被嚴重縮短了。許多人沒有理解工程圖學教育的具體含義，無視其實際工作，認為它僅僅是繪圖，學習內容有限，導致該科目的課時嚴重減少，在如此捉襟見肘的學習時間內，學生研究不足，無法掌握大量的知識焦點。

1.2?講授內容減少

由于工程圖學課時被大大縮減，因此，教師在教學過程中所講授的內容勢必減少。許多較為重要、需要詳細講授的內容均被壓縮，使學生的知識掌握難以形成體系，也就不具備解決復雜工程問題的能力。教師更多地將注意力集中于畫法等基礎理論教學，導致學生對課程內容缺乏深層意義的理解，沒有更多精力學好該門課程的全部重要內容。在走上工作崗位后，所學的內容偏少，無法滿足工作需要，學生需要進一步豐富知識儲備來應對工程問題。

1.3?忽視手工繪圖能力

在現階段的教育中，受到國家教育調控方針的影響，學生更加注重學習高精尖技術，將更多精力應用于理論知識的學習，而動手能力則較差。很多學生更加注重計算機繪圖的能力，認為手工繪圖已經被時代拋棄，這種現象會導致傳統徒手繪圖以及尺規繪圖技能更多地被邊緣化，無法滿足現場繪圖的工程需求。學生錯誤地低估了手工繪圖的重要性，認為只有計算機繪圖才能符合行業發展所需。在工程現場繪圖以及測繪組合中，許多工作均要采用尺規繪圖甚至徒手繪圖，而消極看待手工繪圖的想法就會導致此類能力的缺乏，沒有在日常的課程中有意識地鍛煉自己的手繪能力，無法滿足工作需求。

1.4空間思維能力培養缺乏

在傳統工程圖學課程的教學過程中，教師引導學生逐步構建模型，比如形體分析法，對復雜空間結構開展形體分解，審視視圖，抓取特征，運用投影技術還原出基本體，再綜合構造整體。通常會配以實物模型或多媒體課件，幫助學生在腦海中構建二維投影視圖與三維結構的映射。當完成相關理論知識的學習后，會開展徒手繪圖以及零部件/裝配體的測繪等實踐。但課下沒有供參考的實物模型，也不存在培養空間思維能力的有效方法，學生的三維想象能力及抽象思維能力難以得到開發，導致看圖困難、學習效果差。在知識傳遞過程中，還是保持著灌輸的教學方法，無法激發學生的主觀能動性和學習熱情，缺乏空間思維能力的培養[5]。

1.5實踐創新能力不足

受到傳統“灌輸”式教育方法的限制，工程圖學課程在教學過程中還存在著輕實踐、重理論的弊端，實踐課時少且實踐資源缺乏，無法實現學生創新能力以及團隊配合精神的培養，使得相關理論知識與工程實踐脫節，無法緊密結合，學生不具備完善的工程意識和創新能力，更缺少解決復雜實際工程問題的綜合能力和素質。許多剛畢業的學生難以看懂復雜的工程圖紙，更無法面向工程問題實現創新設計。總結原因，工程圖學教學過程中，學生處在被動學習狀態，無法實現較高的主動參與度，也就無法培養出優秀的思維創新和設計創新能力。因此，如何打破工程圖學傳統的教育模式，建立新工科背景下融合現代信息技術的新型培養模式，對培養高素質創新型人才具備深遠的意義。

2?融合現代信息技術的工程圖學教學模式

面向工程圖學教學中存在的不足，結合多種現代信息技術，本部分提出了工程圖學教學的新模式。

2.1?工程項目信息驅動的創新能力培養

高等教育心理學中有這樣的觀點，當學生所學習的新知識與已有的知識或工作經驗具備聯系時，學生才能夠更好地理解并掌握新知識。學生都是由高中參加統一高考而入學，通常并不具備工程經驗，工程圖學課程是學生進入高校學習的首批工科基礎課之一，課程講授的內容與學生已有的生活知識和經驗聯系很少，因此，有必要開展更為有效的教學引領工作，使得學生的學習能夠與工程實際更為緊密相連，這樣學生才能夠扎實掌握知識并具備解決復雜工程問題的能力。工程項目信息驅動的教學模式是實現這種教學思想的重要方式方法。在課堂開始前，教師通過布置與當堂課中所學知識點密切相關的工程案例及信息，并提供給學生解決該工程問題的關鍵知識點和實施方案，化被動為主動，引導學生自主思考，通過主動學習和實踐，得到解決該工程問題的最優計算和實施方案，培養學生的工程意識和創新能力。

以激發學生創造性為中心，將工程項目意識貫穿教學全過程，從項目最初的2D草繪設計，到最終完整的3D建模及裝配，表達相互融合滲透，引導和培養學生的創新意識和創新思維，開發和訓練學生的創新設計能力，實現創新能力的提升。對學生的作品開展綜合性評價，使學生了解改進設計的方向和措施，完成教學目標的同時，大幅度提高學生的創新能力。

如圖1所示，將2D工程圖與3D建模的交互性貫穿于所有階段，充分挖掘學生的潛能，提高積極性。在學習理論知識的同時，培養學生的創新設計理念，給學生展示創新設計作品的舞臺。例如將相貫線的繪制教學與矚目的西氣東輸項目相結合，鍛煉學生解決實際工程問題的創新能力。可以設計討論小組實現工程項目及教學難點的攻克，也可增添學科競賽的方式激發和培養學生的學習熱情和創新能力。

2.2?融合云計算的工程圖學教學模式

根據云環境下工程圖學課程建設特點，建立工程圖學私有云計算管理服務平臺，如圖2所示，建設豐富的網絡教學資源，貫穿工程圖學課程的方方面面。

教師在工程圖學云計算平臺發布教學任務，依據學生對知識點的掌握情況，動態設計每次課的教學內容。課前，教師發布教學任務后，要求學生觀看教學視頻，預習教學內容。通過工程圖學云計算平臺，學生能夠做到學習有的放矢，自主學習，并參與在線提問和測試等環節，開展網絡討論和互動等。教師可在工程圖學云計算平臺檢查學生的學習情況，跟蹤分析學習進度，對學生進行提問和抽查，并計入平時成績中。

教師通過工程圖學云計算平臺講評繪圖步驟和過程，將相關理論的學習與工程圖學繪圖實踐緊密結合，保障學生最大程度地參與教學與實踐。下課前檢查學生理論與繪圖實踐的質量，指出學生學習的薄弱環節，亦可作為平時成績。課后結合網上自主學習內容以及課堂實踐繪圖及建模，總結問題，為下一次課程教學內容做好準備。根據學生對知識點的掌握情況，調整授課計劃，布置對應知識點的作業，拓展學生知識面，提升學生的創新能力和學習能力。

2.3?融合增強現實的工程圖學教學模式

近年來，虛擬現實技術（VR）和增強現實技術（AR）的迅速攫取，為工程圖學課程的教學改革提供強有力的技術支持。增強現實技術，是由虛擬現實發展而來的新興技術。將虛擬模型以及交互信息疊加，并與真實模型相融合，在工程圖學教學過程中，會使學生獲得超越現實的圖形體驗，激發學生的主觀能動性，培養創新意識和解決復雜工程問題的能力。

融合增強現實的工程圖學教學模式如圖3所示。學生可參與構建并豐富模型庫，每個模型都具備相互關聯的檢索信息和裝配引導信息，應用數據挖掘技術可靈活開展特征信息的描述和提取。裝配訓練中運用機器學習和圖像識別技術實現位姿求解和裝配狀態檢測。應用機器視覺技術，通過佩戴頭戴顯示器，學生可自由穿梭于2D或3D信息場景及現實場景，讓學生更多地參與進工程項目中，使得被動學習成為主動實戰，促進信息的交互融合，激發學生的空間想象能力和創新能力，提高學生應用理論知識解決復雜工程問題的能力。

結語

工程圖學的教學新模式探索如何以學生為中心，以工程需求背景為導向，融合現代智能信息技術，打破傳統教學模式的弊端，提高學生的空間思維能力和和實踐創新能力，培養出具有解決復雜實際工程問題能力的頂尖人才，為行業高水平發展提供保障。

參考文獻：

[1]陸鳴.培養智能制造專業技術人才，推動裝備制造業提質升級[J].智能制造，2022（01）：41-42.

[2]郭永春，梁艷峰，楊忠，等.“中國制造2025”背景下，高校“智造材料”創新人才培養體系的建立[J].高教學刊，2021（11）：60-63.

[3]欒英艷，王迎，何蕊.新工科背景下工程圖學課程改革研究[J].圖學學報，2020，41（1）：164-168.

[4]趙昕玥，何再興，劉振宇，等.基于增強現實的工程圖學裝配引導沉浸式教學實驗平臺設計[J].實驗技術與管理，?2022，?39（3）：195-199.

[5]湯曉燕，云忠.“思政引領、成果導向、課賽合一、虛實結合”的工程圖學系列課程改革與實踐[J].高教學刊，2023（15）：110-114.

作者簡介：李炳強（1986—??），男，博士，講師。