以課程“高階性、創新性、挑戰度”為目標的制圖類課程教學改革與實踐

摘"要：本文對制圖類課程教學體系進行了統一規劃與梳理，借鑒CDIO工程教育模式，結合新工科等教學改革，以課程“高階性、創新性、挑戰度”為目標，形成了基于成果導向和學科競賽驅動的制圖課程教學模式，促進不同年級、不同專業學生之間的團隊合作意識，以實現學生的創新能力、工程實踐能力和培養質量的提高。搭建多元化實踐平臺，制定多元化評價相應的權重，實現對學生實踐能力的全方位鍛煉。教學改革促進了教師間合作，提高了教學科研水平；提高了學生的創新能力與工程實踐能力，使其獲得多項競賽獎勵；從知識和技能、過程和方法、綜合素質等多個維度進行綜合評價，建設競賽多元化設計平臺，從而有效實現了對學生綜合素質的培養。

關鍵詞：制圖課程；成果導向；教學模式；多元化評價

Abstract：The"curriculum"group"made"a"unified"planning"and"sorting"out"the"teaching"system"of"cartographic"courses.Draw"lessons"from"CDIO"engineering"education"model，combined"with"the"teaching"reform"of"\"New"engineering\"，the"goal"of"the"course"is"\"advanced，innovative"and"challenging\".In"order"to"realize"the"improvement"of"students'"innovation"ability"and"engineering"practice"and"training"quality，the"teaching"mode"of"drawing"course"based"on"achievement"orientation"and"subject"competition"drive"has"been"formed"to"promote"teamwork"among"students"of"different"grades"and"majors.Build"a"diversified"practice"platform，formulate"the"corresponding"weight"of"diversified"evaluation，and"achieve"allround"training"of"students'"practical"ability.The"teaching"reform"has"promoted"the"cooperation"among"teachers"and"improved"the"level"of"teaching"and"research.Students'"ability"of"innovation"and"engineering"practice"was"improved"and"won"many"awards"in"competitions.Comprehensive"evaluation"is"carried"out"from"multiple"dimensions"such"as"knowledge"and"skills，process"and"method，and"comprehensive"quality.The"construction"of"a"diversified"design"platform"for"competition"effectively"realizes"the"cultivation"of"students'"comprehensive"quality.

Keywords：Cartography"curriculum；Resultsoriented；Teaching"mode；Diversity"evaluation

一、研究背景與意義

中國民航大學（以下簡稱“中航大”）是中國民用航空局直屬的高校，立足民航、服務社會、面向世界，致力于培養高素質、國際化、復合型的高級工程技術與管理人才，學習制圖類課程的專業有88%以上的學生在民航領域就業。制圖是中航大工科專業的必修基礎課，課程定位是將圖學理論與先進的現代設計方法有機融合，不僅培養學生的空間想象能力、構型能力、圖形表達能力，而且培養學生的創新意識、工程素質和實踐能力，以適應現代社會對人才的需求［12］。隨著現代科學技術的快速發展，傳統的工程圖學、設計手段都發生了深刻的變化，當前機械制圖教學過程中，單一的教學模式不能適應高校的課程改革，傳統的制圖教學方法和技術亟待改革與創新［35］。原有的教學模式已不能滿足科技發展對人才培養的需求，特別是近年來新工科的提出和實施為中航大制圖類課程教學帶來了新的挑戰，工程實踐能力和創新能力的培養成為高等學校教學改革的焦點。

中航大現在推行的教學改革中強調凸顯“問題導向”和“目標導向”，實現提升學生學習知識的能力和解決實際問題的能力。學科競賽能有效地輔助解決改革急需解決的問題，具有非常明顯的成果導向特征，并且顯著提高學生的工程實踐能力和創新能力［67］。以課程“高階性、創新性、挑戰度”為目標，本課程組將成果導向與學科競賽結合，使學科競賽與制圖類課程互為反哺，使大學生創新創業訓練計劃項目（以下簡稱“大創項目”）與競賽互為支撐，形成了一套制圖類課程創新教學實踐模式。本課程組經過6年的教學改革實踐，取得了一定成效，獲得了一系列成果。

信息技術背景下，實例教學凸顯出重要的技術優勢［89］。比如，通過信息技術融合實例教學，可以實現學生課前、課中、課后對教學知識點的重演。由于采用豐富的技術手段，制圖教學中可以形成立體化教案，更有利于學生對知識點的掌握，切實形成以學生主動學習為主體、制圖教師為主導的科學機械制圖課堂。

教學實施過程中，結合工程實踐的優秀教學實例可以極大地激發學生的學習積極性，深化對教學知識點的掌握，增強學生的知識運用能力。因此，在信息技術條件下，探索實例教學在理工類課程中的應用具有重要意義［10］。制圖課程知識點較為分散，但課程具有一定的工程實際背景，這就為信息技術支撐下的實例教學提供了可能性。本課程組以制圖類課程中的零件圖及技術要求知識點為例，甄選教學工程實例，探索將信息技術應用于實例教學，進一步提升課堂效率及教學效果，形成信息技術支撐下的先進教學模式。

二、研究思路與主要內容

（一）結合行業特色，梳理課程需求

基于民航行業需求，結合AABI專業認證標準，深入梳理制圖類課程與專業課關系，建立以成果為導向、學科競賽和大創項目驅動的新型制圖類課程教學模式，重構實踐教學體系。

學習制圖類課程的專業有88%以上的學生在民航領域就業，所以需要在制圖課程中加入民航特色的教學內容，并總結出傳統教學與工程實踐脫節的不足之處。制圖是培養學生的空間想象力及構思能力的課程，許多立體圖形比較抽象，需要學生有一定的空間邏輯思維。制圖作為工科專業的學科基礎課，應讓學生掌握工程制圖的基本方法，使其具備應用工程制圖理論方法進行問題分析的能力。課程學分和學時壓縮后，學時少，內容多，課程教學難度大。傳統的制圖教學模式是講解少數經典的零件圖形，傾向于解決確定的、線性的、靜止的封閉問題，然而業界要求本科畢業生能夠解決實際生產中的復雜開放工程問題。本課程組主要工作有以下方面。

（1）創建了基于成果導向和學科競賽驅動的教學模式，探索了學科競賽如何反哺制圖課程理論教學與制圖教學如何指導學科競賽的問題。

（2）形成了一支指導學生競賽的教師隊伍，促進了不同專業背景的教師團隊融合，提高了教學科研水平。

（3）解決了如何在學科競賽和大創項目中，培養提高學生的工程實踐與創新能力，注重了對學生工匠能力的培養。

（4）完成了制圖教學立體化資源庫建設，建設了學科競賽多元化設計平臺，促進學生設計與創新思維能力的提高。

（二）設計OBE教學模式，引入民航特色的教學內容

制圖類課程是理工科專業基礎課，目標是培養學生的創造性思維、空間想象力以及空間邏輯思維能力。學習制圖課程的專業中的大部分學生就業在民航領域，所以需要在制圖課程中加入民航特色的教學內容，設計更多的民航飛機零部件的實際案例，豐富學生的認知，使教學與工程生產實踐緊密結合。“新工科”和“工程教育專業認證”的工程應用人才培養，需要在原有教學條件的基礎上融合先進的教育理念。基于學習產出的教育模式（Outcomes"Based"Education，OBE），即成果導向教育理念，不但是“工程教育專業認證”的核心，也是提高教學質量的關鍵。設計基于OBE的教學模式，包括教學目標設計、多元學習、有效測評和及時反饋四個環節。

1.教學目標設計

設計基于OBE的教學大綱，以培養目標為主導，畢業要求為方向，課程目標為關鍵，課程內容為基礎。設立基于培養目標的畢業要求，制定符合畢業指標的課程目標，使課程內容緊緊圍繞課程目標，如下表所示。

2.多元學習

多元學習是制圖課程模式改進的核心，采用多種模式以達到學生自主學習的結果，包括：課前預習、課后作業與思考題、信息化手段的使用、課程平臺等線上資源的使用、相關學科競賽的培訓和參與，最終達到以民航特色為核心，以學生為主體，多元模式汲取知識和能力的課程教學目標。

3.有效測評

在制圖課程教學的測評（考核）機制上，采用多元OBE的考核模式，通過綜合統計學習成果的考核代替期末一張卷的考核方式，從而對教學效果的評價、教學內容與方法進行完善。

4.及時反饋

將學生在競賽中獲得的學習成果及時地錄入項目庫和模型庫，以便為下一屆學生的學習創造更好的條件，而且會將不足之處及時反饋，實現課程教學的閉環反饋，為課程建設的持續改進提供依據。

（三）創建基于成果導向和學科競賽驅動的教學模式

以“學生為中心”，將開展的學生課外科技及創新教育活動（包括大學生創新創業訓練項目、大學生學科競賽）作為實際項目引入教學活動中，進一步實現課堂理論知識在學生學科競賽項目中的實際應用，對學習產出成果進行反饋，從而推進實踐教學效果的提高。

學科競賽是提高學生實踐能力、創新能力和綜合素質的有效手段，學科競賽是學生增強解決實際問題的能力、培養團隊合作精神、拓展綜合素質的大平臺，課程組進一步細化了以成果產出為導向的全方位能力培養模塊，提出競賽不同階段的能力培養需求，實現有效地促進認知能力、合作能力、創新能力、職業能力培養（設計樣機如圖2所示）。指導教師的積極性決定整個競賽小組的進度、凝聚力和整體實力，整個過程以提升學生的綜合能力為目標，教師應該做到制定良好的管理辦法，激發學生的興趣，重視與尊重學生提出的想法與建議，培養學生良好的團隊合作意識和相互交流能力。

以實際授課學生為研究對象，在制圖授課學期，分為實驗組和對照組，分別統計Blackboard（以下簡稱“BB”）、智慧樹等平臺和微信群的使用情況，以及對參加制圖類競賽培訓和競賽獲獎的數據進行分析。采用多元評價的方式代替傳統的“一卷制”，在教學過程中對學生學習成果的成功與不足之處及時反饋，實現課程教學的閉環反饋，為課程建設的持續改進提供依據。

（四）多元化平臺建設

教學本身都與三維模型密切聯系，模型建設是課程建設的重要環節，為保證教學效果，教學各環節大量應用實物模型和虛擬模型。目前，實驗室具備各個教學單元所需的實物模型，在引導和啟發學生的空間思維方面起到了很好的作用，但在使用中存在一些問題，如有些模型結構笨重，有些模型難以觀察內部復雜結構，而且抽象的平面機械圖是學生難以理解的難點，所以自主開發了立體化資源庫，如減速器、平口鉗、千斤頂、球閥、手壓閥、齒輪油泵等10個裝配體及其各零件模型，可在Pro/Engineer軟件上直接進行虛擬裝配、拆卸及生成爆炸圖，并將工作過程和拆卸過程生成視頻文件，應用于課堂和網絡教學。

立體化資源庫很大程度上豐富了原有教學資源，是對多模式教學的一項重要補充，解決了以往沒有自主版權的立體化資源庫的難題，與其他高校相比，是先進、實用的高質量的立體化資源。

BB平臺不僅是課堂教學的必要補充，同時也是加強機械制圖課程建設的重要內容。目前將自行研制的教學課件、視頻文件、模型庫、習題解答、學生優秀作業等資料掛在網上，并保持內容及時更新。為加強網絡教學互動，開通了討論版，方便學生與教師間的交流，促進了學生課后自主學習。BB平臺還是培養學生工程意識的重要手段，上傳的視頻文件有實際加工實例、國標、美標工程圖紙，通過比較投影方法的差別和不同標準間的差異，以此培養學生嚴格貫徹制圖標準的意識。

本課程組一直在探索如何以圖學理論為指導，在發揮制圖課程基礎性作用的同時，培養學生的工程實踐能力和創新能力，滿足現代教育對人才培養的需求。因此，在教學中注重將工程應用提前滲透到教學活動中，將基礎課堂延伸到具體工程實踐項目，指導學生參加學科競賽、大創項目、工程訓練項目、畢業設計等活動。

三、創新點與特色

本課程組對制圖類課程教學體系進行了統一規劃與梳理，借鑒CDIO工程教育模式，注重學習過程，結合“新工科”“卓越2.0”“AABI專業認證”等教學改革，形成了基于成果與學科競賽的制圖類課程教學模式。

（一）基于成果導向和學科競賽驅動的制圖課程教學模式

在制圖教學中注重引入工程實例，鼓勵、選拔學生參加學科競賽項目小組，注重制圖教學的“學—研—用”，將制圖的基礎課教育延伸到工程實際，指導學生運用制圖理論表達設計想法，運用現代設計軟件實現虛擬設計與仿真，進行具體實際工程應用。從學生需求分析出發，進行教學改革設計，吸取項目化教學方法，使學生理解所學理論知識的具體應用，做到理論知識與實踐知識的融會貫通，同時為后續相關課程（包括“機械原理”“機械設計”等課程）的開展拋磚引玉，培養了學生主動學習、自主分析和解決問題的能力。對學生競賽、創新創業項目的案例進行總結并應用于課程建設中，反哺教學。

（二）學生創新與工程實踐能力提高

學科競賽涉及多項知識的融合，本課程組根據學生的不同層次，構建從基礎認知到競賽的創新實踐教育體系，以實物樣機的實踐制作、虛擬設計與仿真為主線，樣機研制環節配合機械加工、3D打印、安裝調試、軟件開發等任務，虛擬設計與仿真環節配合三維模型設計、動力學仿真、有限元強度校核等。促進學生內部溝通，鼓勵學生內部研討，組長安排各個組員的任務，要求學生進行團隊內溝通。促進不同年級、不同專業學生之間的團隊合作意識，培養學生的表達能力、良好的團隊合作意識和相互交流能力，以實現學生創新能力、工程實踐能力和培養質量的提高。

（三）競賽多元化設計平臺建設助力學生培養

制圖課程組自主開發的立體教學資源庫，圖像清晰、內容全面，完全滿足各教學環節的需要，可對虛擬模型進行仿真裝配、拆卸，且將工作原理與裝配關系用動態視頻形式體現，應用于課堂和網絡教學。搭建多元化虛擬設計與仿真分析平臺，促進學生的創新思維反復實踐，促進不同知識點的快速融合，促進難以理解的知識有效展現，促進理論與實踐有效過渡，解決有限資源難以開展競賽的限制；搭建多元化實踐平臺，使學生的實踐能力得到全方位鍛煉；搭建多元化評價平臺，多元化評價應制定相應的權重，從知識和技能、過程和方法、綜合素質等多個維度進行綜合評價。

四、研究成果與應用效果

（一）促進了教師間的合作，提高了教學科研水平

本課程組促進了教師間的溝通，通過多個系別教師間的合作彌補了專業差異，實現了對學生全方位的指導。本課程組教師長期開展的成果導向和學科競賽的制圖教學改革項目，獲得學校教學改革項目5項，發表了8篇教學研究論文，獲得中國民航大學教學研討會優秀論文。本團隊已經形成了一支圍繞學科競賽培養人才的指導隊伍，教師團隊中包含藍天教學名師1人，青年骨干教師1人。

（二）提高了學生創新與工程實踐能力，獲得多項競賽獎勵

教師團隊長期指導學生競賽項目，學生的創新與工程實踐能力得到大幅提高，獲得系列競賽獎勵。近年來，共計開展實踐涉及大創項目30多項，其中國家級項目7項，天津市級12項。本團隊指導學生在全國、天津市“挑戰杯”“互聯網+”“機械創新設計大賽”“機器人大賽”“數學建模大賽”“制圖大賽”等各類比賽中獲省部級及以上獎項20余項，獲獎人次超過300人，參與人次超過500人。

（三）建設競賽多元化設計平臺助力學生綜合素質培養

將自主開發的立體資源庫應用于教學環節，圖像質量高，教學效果良好。依托學科競賽和大創項目，鼓勵學生使用虛擬仿真軟件進行建模設計，幫助學生及時發現設計過程中的錯誤和問題，提高學生的設計質量和創新能力，同時也提高了學生的建模、仿真能力，學生對樣機設計和動手實踐均有較深的認識和理解，其動手實踐能力明顯提升。學生能夠將工程設計與數學理論結合，在機械加工、機械設計、強度校核、機電控制、新技術應用（如3D打印、激光切割）等方面得到全方位的鍛煉，學生的綜合素質得到了全面提升。

課程組聚焦民航特種設備和機器人技術，一直堅持走自主研發之路。近年來，課程組結合設計作品指導學生申請國家發明專利43項，目前已正式授權31項發明。團隊指導的很多本科生經過一段時間的積累，有十幾人獲得了授權發明。其中有一位同學申請了3項發明并授權1項，他因此獲評2022年天津市大學生創新創業獎學金——創新特等獎（全市共10人）。

五、結論

課程組注重以良好的師德師風引領帶動學生，堅持“以學生為中心”的工作理念，不斷提升教師的教學能力和豐富教學手段，充分將課程育人、科研育人和實踐育人有機結合，形成了具有自身特色的教學指導模式。

基于民航行業需求，結合AABI專業認證標準，深入梳理制圖類課程與專業課關系，以課程“高階性、創新性、挑戰度”為目標，建立以成果為導向、學科競賽和大創項目驅動的新型制圖類課程教學模式，重構實踐教學體系。在學科競賽和大創項目中，培養提高學生的工程實踐與創新能力，注重了對學生工匠能力的培養。

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基金項目：本文系天津市教育科學規劃課題（項目編號：HIE210397）研究成果

作者簡介：吳孟麗（1979—"），女，漢族，河北保定人，工學博士，教授，研究方向：民航特種設備；王旭浩（1989—"），男，漢族，河北衡水人，工學博士，講師，研究方向：機器人技術。