基于新工科视域下的机械制图教材建设
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摘 要：《机械制图》是培养工科学生阅读和绘制工程图样，使其具有专业的技术技能和工程素质以及创新能力的一门重要专业基础课。本文分析了新工科视域下人才的培养和发展对图学教育的要求，提出“机械制图”教材建设目标定位与建设理念，阐述了教材建设的实施内涵，包括校企协同编写，构建立体化教材体系，引入AR 技术，实现移动式智能学习体系等。
关键词：新工科 机械制图 教材建设 校企协同 AR技术
中图分类号：TH126 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）10（b）-0177-03
1 主导思想
2012年11月中国高等教育在《全面提高高等教育质量的若干意见》”（高教30条） 第五条指出：“创新人才培养模式改革应该着重提升其实践动手能力，探索一些创新的教育教学方法，应大力推进与科研院所、行业企业联合培养人模式推进创新教育教学方法”;第十二条还指出“推进协同创新，坚持需求导向、全面开放、深度融合、创新引领的原则，以创新能力提升为突破口，通过政策和项目引导，大力推进协同创新”。 2017年2月18日，在复旦大学召开了由教育部主持的研讨会，该研讨会主要讨论了对高等工程教育发展战略。研讨会成果有《新工科建设复旦共识》（10条）、探究出了新工科建设等倡议。2017年4月8日，教育部又在天津大学召开了关于工科优势高校新工科建设研讨会，研讨会成果为《新工科建设行动路线“天大行动”》（7条）。2017年6月9日，教育部在北京召开“新工科研究与实践专家组成立暨第一次工作會议”，发布了《新工科研究与实践项目指南》（包含五类选题24个项目），标志着新工科建设正式开工。
目前迅猛发展的智能制造、人机对话、人机交互、云计算、大数据、虚拟现实、可视信息融合等新经济领域都出现人才供给不足现象，暴露出我国工程教育与新兴产业和新经济发展有所脱节的短板。面对中国制造2025内涵工程人才等产业需求，如何进行大数据背景下的大图学学科体系建设？如何进行大学课程建设以适应新工科背景下“以培养具有可持续竞争力的创新型卓越工程人才目标”？
机械制图课程是理工科高校学生必修的技术基础课，课程教学有两部分，即课堂教学和实验教学，这门课程有较强的实践性，它能够培养理工科学生很重要的实践能力，尤其对于机械专业的学生来说，在培养学生动手能力、工程素质、创新能力方面，是不能被其他的学科所替代的。我校在工程制图的教学改革中，以机械制图为试点，在优化课程内容体系的同时，积极推广并实施校企协同、科教协同等教学模式，让学生在大学一年级的时候就尽早进行实践、接触工程实际问题，这点对于提高学生的工程素质、工程表达能力及空间思维能力、创新能力等方面有着极其重要的意义。
2 目前存在的问题
《机械制图》课程的教学任务是培养工科学生绘图制图能力、阅读机械图的基本能力、空间想象能力以及应用计算机绘制工程图样的能力，使其具有工程技术人员所应该具有的基础的技术技能和素质。机械制图课程既可培养综合设计能力，使学生能够通过对图形载体表达和理解而获得设计对象信息的理论和方法，并使得学生科学思维方法、创新意识、独立工作能力得到提升，并形成严谨细致的工作作风，是一门实践性很强的课程。传统的制图教材内容包括：制图的基本知识、点的投影、直线的投影、平面的投影、直线与平面、平面与平面的相对位置、立体及平面与立体表面的交线、两立体表面的交线、组合体的视图、表达方法、轴测图、标准件、常用件、零件图、装配图等，分章节目录演绎，理论严谨，逻辑性强，配有相应的习题册。随着时代的进步，学科的发展，制造技术的变化，同时与国外制图教材相比，制图教材的不足之处日见明显。面对培养面向21世纪的具有实用型、创新型的高级工程技术人才的需求，经分析，我们在工程制图的教学方面还存在如下不足。
（1）教材内容重理论，轻实践。
依据学科基础课的定位及课程相关内容的要求，机械制图着眼于培养学生画图与读图能力，教材编写时多有此特征：概念的介绍，知识的罗列，缺少问题的关联性，不符合人的认知规律。章节内容偏理论性、概念性，相反的实际应用性的内容相对缺乏，工程实例少，与教材配套的习题册，缺乏针对性、广泛性、实用性的生产一线案例，学生参加实践训练的机会少。“知识点原理”与“工程实际应用”关联介绍不普遍，学生无法理解很多抽象概念。实验教学与理论教学相脱节、实验教学内容分散、未能形成完整的教学体系。另外由于课时压缩，测绘环节往往被简化甚至取消，有些老师直接以习题册的练习取代动手测绘，有些学校提供的是标准化的教学模型，学生基本没有机会接触工程实际应用的零部件，实践操作能力得不到提高。比如，对于生活中每天见到的螺纹及其紧固件，学生在做制图练习时都能准确表达，但是在大四的毕业设计中，在真实的零件目前完全不知道应采用国家规定的画法，而是自创所谓形象的示意画法。如何在理论知识中合理的嵌入实践环节，形成完整的实践教学体系，进一步强化实践环节，增加实践部分的学时，更多使用实际零部件而不是教学模型进行测绘实验，切实提高学生的绘图能力、表达能力、创新能力是目前急需解决的问题。
（2）教材内容时代性不强、脱离实际工作任务。
由于实验手段及实验设备的缺乏，导致实验与理论教学相互脱离，出现“闭门造车”的现象。比如学生想得到但却画不出来，画出来了无人能懂（不符合标准或是无效设计）。由于没有形成完整的实践教学体系，老师在实践教学中各自为政，无法做到将实验教学内容与课堂内容相结合，有些需要测绘的拆装实验被简化成习题册里提供的作图练习，学生没有接触到真实的零部件设备，在日后碰到工程实践问题时，完全不知道跟所学的理论知识有何关系。由于制图的基本方法—投影法是一种固定的表现技法，以及编写人员的知识结构局限性，导致制图教材内容“百年不变”。制造技术日新月异，教材内容依然如故，很大程度由于编写人员的知识结构局限性。随着时代的进步，国际交流日日增多，新材料新技术的不断涌现，以及智能制造2025的提出，对大图学的发展是一次冲击。现代制图教学内容应该在保持表达方法不变的同时，追踪学科发展的步伐，突出制图知识的工程应用特点，加入工程实践中常用的计算机辅助处理技术，赋予教材以时代感，进而提升教材的生命力。 （3）教材编写模式固定统一。
现行制图教材大多是根据传统的教学理论体系来编写，逻辑性强，结构框架固定：从投影概念的介绍开始，到制图规范知识详尽罗列，到制图技术“绘图”与“看图”能力的训练，其间缺少“知识点原理”与“工程实际应用”问题的关联性，学生处在一种定向思维的环境下进行模仿和顺从，缺少创新意识。随着三维实体建模、虚拟功能等现实高科技手段的运用，让模型的构造组合变得非常直观，原来理论教学中的难点问题相贯线截交线的求解变得非常直观简单，画法几何中点线面的求解问题也变得无用武之地，在这种少学时的新常态下，在新的课程体系中应削枝强干，减少画法几何理论课时增加实践环节，注重于有利于学生绘图能力、工程意识、创新能力培养的内容和知识、增加实战的机会，做到与工程实践问题结合起来。传统教材只能传授给学生制图本身的理论知识，参与的工程项目少，缺少创新思维训练的素材，不能有效的将先进的设计思想融入到教学当中，在教学中重理论轻实践，学生缺乏实践训练，因而动手能力、创造能力得不到实质性的提高。并且实验条件落后、不利于创新实验的开展。学生数量翻番了，但原有的实验室场地并没有改变，实践教学设备也没有得到补充，原有的模型、测绘仪器等数量已不能满足大量的学生，且已有的模型均为教学模型，与工程实际的零部件有较大差距，使很多创新实验难以开展。
（4）教材编写队伍单一。
由于目前学校对新进教师的要求越来越高，制图作为技术基础课，一直难以招到新老师补充进来，随着老教师的逐步退休，目前制图教师严重短缺。就教师本身来讲，要使学生们创新意识提高，本身便需要具备创新意识以及符合现代的设计思想。而国内大部分制图教材编写队伍的制图老师们，他们科研及工作经历有限，知识结构单一且缺少丰富实践经验，教材内容编写缺乏工程项目实例，缺少创新思维训练的素材。同时由于扩大招生，课程涉及的专业学生越来越多，教师短缺，造成现任制图教师的教学任务非常繁重，只能保证完成课程的基本教学任务，没有更多的时间指导实践教学及开展实训等内容。这种传统的教学方法导致学生理论基础扎实而动手、创新能力不强的现状仍未根本好转。所以说制图教师缺少工程实践经验，不利于学生创新力的培养。
3 改革思路
（1）突破传统教材框架，构建立体化教材。
新教材组织形式打破了传统教学框架，将传统的机械制图知识与计算机绘图知识相互交叉融合在一起，将理论教学和项目实训有效衔接起来，使课本理论知识与实践技能有机地结合在一起，选取企业提供的典型零件为案例，采用项目驱动的方式，以能力和素质培养为目标，构建一个新的立体化的框架体系。新教材结构框架如图1所示。
（2）以实际应用为目标，培养实践、动手能力。
机械制图课程的特点之一就是实践性强，学生必须通过实践才能获得真正的知识和能力。测绘是机械制图课程教学中的一个重要实践环节，新教材将用企业提供的零部件，以项目的形式嵌入到教材中，通过徒手绘图、计算机绘图的方式，将组合体、表达方法、标准件和常用件、零件图、装配图部分贯穿起来，引导学生动手测绘，去探索发现新问题，培养学生的综合分析能力和创造能力。
①徒手绘图的内容从第一章引入，贯穿全书，从而培养学生的动手能力;徒手绘图的内容从第一章引入，在轴测图处加深，从实测到徒手绘制到计算机绘制，贯穿全书，使学生得动手能力得到培养。
②精简画法几何部分，将点、线、面的投影由以前的三章合为一章，同时开始引入形体知识，有利于培养学生空间思维能力，理论与实际相结合的能力。
③把计算机绘图与机械制图课的基本教学内容有机地融合在一起，从全局的观点来布局CAD 的学习，以项目的形式合理的嵌入整套工程实际零部件，构建一个完整的实践教学体系，做到理论与实践紧密结合，切实提高学生解决工程实际的能力。
④强化轴测图知识，训练徒手绘制立体图的能力，便于测绘记录及设计思想交流。
（3）校企协同编写，优势互补。
聘请企业科研人员走进“教学课堂”，以弥补校内教师工程實践方面的不足。新教材将克服的编写队伍结构单一的问题，吸收广西本土玉柴机器集团有限公司、贵港动力有限公司生产一线的技术人员、企业资深工程师以及兄弟院校制造学科的优势力量协同编写。将最新的技术、校企合作开发的学术成果融入教材，以一些典型案例作为它的载体，设置些合适的项目融入教学中的各个知识点，以确保新的教材内容更加贴近生产实践，提高学生的实际应用能力和工程素质，培养出适应产业发展需要的集应用、创新于一体的复合型人才。
（4）运用AR技术，实现移动式智能学习。
增强现实技术（简称 AR）是基于虚拟现实技术（简称 VR）上发展起来的一种新兴技术，增强现实创建的是独立于现实世界之外的虚拟场景，而增强现实将虚拟内容叠加到现实世界中，创建一个虚实结合的世界，让两种信息相互补充，真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间，从而达到超越现实的感官体验。新教材将引入AR技术，开发移动式机械制图辅助教学App，学生只要通过手机摄像头扫描教材、习题集上的平面工程图，虚拟的3D模型马上叠加到现实场景中，学生可以通过触屏交互控制3D虚拟模型进行旋转、缩放操作，以及观看整套零部件的装配过程，大大弥补了学生课后无实物、多媒体的缺陷。
4 结语
《机械制图》教材围绕新工科工程教育的新理念，以创新型卓越工程人才培养为主线，打破传统教学框架，将传统的机械制图知识与现代计算机绘图知识相互交叉融合在一起，将理论教学和项目实训有效衔接起来，将增强现实技术（AR）引入教材，构建新的立体化框架体系。新教材对于激发学生自主学习的能力，提高学生的工程素质，培养新工科创新型人才具有非常重要的意义。
参考文献
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