基于大学生工科思维发展的工程图学教学改革浅谈

来源:用户上传      作者:刘思远 张志辉 张云辉 柴博森 于征磊

　　[摘 要]工程图学作为机械类和近机械类学生的第一个专业基础课，不但是对图学知识的传授，更是学生工科思维培养的起点。以大学生工科思维发展与工程图学教学过程协同为目标，通过分析传统的工程图学课程设计方式，结合计算机辅助绘图技术的应用发展及自身的教学经验，提出一种更符合学生工科思维发展规律，更适合新工科的工程图学发展的课程设置。首先，将一学年的工程图学教学任务分散到完整的四年教学过程中，保证工科学生在本科阶段的图学教育不间断;其次，将工程图学教学与机械设计、机械制造、机械精度等专业课程进行联系，强化学生应用工程图学知识解决实际问题的能力;最后，在学生的本科毕业设计过程中，对学生绘制的工程图样进行必要的指导，使学生的绘图能力得到进一步提高，更好的适应即将到来的工作或科研任务。
　　[关键词]工程图学;工科思维;教学改革
　　[基金项目]2020年度吉林大学课程思政“学科育人示范课程”项目“工程制图‘课程思政’示范项目”（SK202025）;2019年度吉林大学本科教学改革研究项目“工程图学示范课程建设”（2019XYB142）;2020年度吉林大学课程思政“学科育人示范课程”项目“机械设计综合实践A‘课程思政’示范项目”（SK202026）
　　[作者简介]刘思远（1985—），男，河北邢台人，博士，吉林大学机械与航空航天工程学院讲师，研究方向为机器视觉、工程图学;张云辉（通信作者）（1972—），女，吉林公主岭人，博士，吉林大学机械与航空航天工程学院教授，工程图学教研室主任，研究方向为工程图学、机器视觉。
　　[中图分类号] G420 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2020）46-0-03 [收稿日期] 2020-09-28
　　一、引言
　　工程图学是高校机械类和近机械类专业必修的一门专业基础课。该课程不仅担负着培养学生空间想象能力的任务，更是每一位工程技术人员必须学习的工程语言课程。在传统的机械领域，二维图纸是最重要的工程语言，原有工程图学课程主要是培养大学生空间想象能力及二维图纸的绘图、读图能力[1]。随着三维设计软件的快速发展及新工科的提出，现在的工程语言不再局限于二维图纸，对大学生在该课程中需要掌握的能力也提出了新的要求。如何将表达方法与零件设计相结合、合理标注与零部件制造工艺相结合、图学知识与其他机械专业知识相结合，是工程图学课程的核心任务。
　　根据我国现有机械类本科生的培养方式，一般将工程图学所有教学内容都安排在四年学制中的第一學年进行。虽然这种设置有助于集中时间强化学生空间想象力及掌握坚实的绘图基本功，但是由于绝大多数学生进入大学前都不具备基本的工科思维，对如何将图学课程所学的知识应用于实际的工程问题中，缺乏必要的指导和持续的训练[2]，因此，在机械类本科毕业设计中，经常出现即将毕业的本科学生无法正确表达所设计的零部件、设计图纸不符合国家标准等问题。
　　工程图学是一门很传统的课程，随着新的设计方法、新的设计理念、新的制造方法对现代制造业的不断推进，工程图学原有课程中的很多知识点或者难点，在现代设计方法中被逐步弱化，很多原有被忽视或者以前就没有的图学技术被广泛应用于现代设计中。如何将机械图学知识与现有工程实际相结合、与学生的工科思维方式相结合，是新工科对工程图学教学的要求，也是企业对毕业生的要求。在机械类本科生的培养中，如何让图学知识学以致用，灵活应用，契合实际，已经成为课程改革的方向[3，4]。
　　本文基于大学生工科思维发展规律与新形势下对工程图学课程的要求，提出新的教学改革方案，主旨是将工程图学与机械其他主干课程相融合，持续培养学生的图形能力，保证图学课程四年不断线，最终实现学生对工程语言的精准掌握及灵活应用。
　　二、工程图学课程改革方案
　　按照图学四年不断线的思路，本文以机械类本科培养计划为基础，对课程在每学年的教学内容进行设计，保证本科生的零部件表达及读图能力与工科思维协同发展，达到较好的教学效果。
　　（一）第一学年课程内容及培养重点
　　根据我国义务教育及高中教学的特点，刚步入大学的本科生对于机械知识了解甚少，更不具备基本的工科思维。而工程图学课程作为工学本科教育的第一门专业基础课，不但是让学生学会画图和看图。在课程的设计中，第一学年课程内容分为画法几何及工程制图两部分。由于三维软件及计算机的普及，画法几何部分的课程内容可以适当缩短，教师在授课的过程中可以结合三维软件帮助学生建立空间立体思维，培养学生由三维实体向二维投影转化的能力，以及通过二维图纸构造三维实体的能力，而相贯线、截交线及轴测图等传统画法几何教学中的重点、难点问题可以大幅简化。
　　在工程制图部分，重点是培养学生零部件表达的能力。而传统教学的过程中，学生的学习方式依旧是被动接受，主动思考的过程较少。通过对学生试卷及课程设计的分析，学生由于缺乏基础的工程知识，无法将表达方法灵活应用，只是通过固定的概念选用表达方法。
　　在新的课程设计中，教师可以利用较少课时对表达方法进行基本介绍，用大量的时间以机械部件中的一些典型结构的表达作为例子，通过实例促进学生对视图表达方法的理解，以代替课堂的理论讲解。为了判断学生对知识的理解程度并提高学生自主学习的积极性，可以采用翻转课堂的形式，让学生分组并分配给每组一定难度的零件进行表达，学生在参与零部件的表达方式的设计中，通过讨论、文献查阅等过程选择合适的表达方法，老师可以对每组同学的表达方案进行评价并给出必要的指导。
　　工程图学是一门对实践要求很高的课程，对于大一的工科学生，每一次图学作业就是一次实践过程，该课程作业对于熟练掌握并灵活运用知识点具有重要意义。工程图学的作业具有体量大、细节多、耗时长的特点，图学老师不仅要认真负责地对学生的作业进行批改，还需要针对出现的共性问题进行总结，并在正式上课时进行讲解，而对于作业错误比较多的同学，需要进行一对一的指导。 　　在启蒙学生工科思维方面，第一学年工程图学课程的任务可以总结为：第一，建立形性思维，即将零部件的形状与该形状所具有的实际功能、性能相联系的思维;第二，强化标准思维，由于国家标准贯穿整个工程图学课程，因此该课程在培养学生的标准意识方面相对其他课程具有极强的优势;第三，普及工艺思维，即在授课的过程中对基本的机械加工方式进行介绍，了解必要的工艺结构，为后期学习的机械制造课程进行铺垫。
　　（二）第二学年课程内容及培养重点
　　第二学年机械类的课程以专业理论基础课为主，例如理论力学、材料力学和机械原理等，而工程图学与这些课的结合较少，为了保证课程的持续性，第二学年可以安排学生主要进行制图及三维设计软件的学习。
　　随着计算机技术的普及，现在的机械零部件设计已经趋于无纸化操作，大量的工作需要通过计算机上的二维和三维设计软件完成。为了满足计算机设计的大趋势，熟练应用计算机绘图已经成为机械类本科生必须掌握的技能。
　　为了让学生打好机械零部件设计基础，大一图学课程采取以培养学生手工绘图能力为主，计算机绘图为辅的教学策略。第二学年将培养学生计算机绘图能力作为主要课程内容，课程内容要更接近实际设计工作的状态，不只是简单让学生完成一个形体的造型，还要培养学生从零件三维数字模型的建立，到工程图生成，最后将工程图转化为符合我国国标的、正确的工程图。在授课方式上，可以将网上教学与项目式授课方式结合进行，老师将计算机绘制的基本操作及绘图实例讲解制作视频公布于网络平台，学生可以根据自己的学习基礎进行观看;在验收学生学习效果阶段，可以安排学生自行组成小组，完成从零件建模、部件装配到生成工程图完整的计算机绘图过程，让学生体验现代产品设计过程，最终由老师点评学生项目完成情况，分析三维建模的完整性、二维工程图表达的合理性及图纸是否符合国家标准。
　　根据大量的企业走访发现，现代三维设计与绘图相较于传统的计算机三维设计具有两个明显趋势，老师可以对三维绘图设计进行补充。
　　第一，在零件建模的内容上，原有的零部件的形体都是典型的回转体，外形结构比较简单。由于制造水平不断上升，零部件的外形趋于复杂化，表面很多是自由曲面[5]。三维曲面设计在现代制造和设计中应用的越来越多，而原有的三维设计中对曲面的造型涉及较少，应该在现有的课程中增加这方面的内容，让学生所学知识更接近最新的趋势。
　　第二，很多企业为了提高设计的效率，对专业三维设计软件进行二次开发。在教学中也应该让学生了解软件二次开发的基本原理，并着重掌握软件经过二次开发的应用方法，让学生的学习内容符合现在设计绘图的真实应用，使学生毕业后可以更好、更快地融入工作中。
　　（三）第三学年课程内容及培养重点
　　第三学年伴随着机械专业课程的学习及金工实习的开展，学生的工科思维较第一学年有明显的提高，已经具有了一定的工科基本思维，并且对一些机械结构及加工方式有了直观的印象;因此，本学年工程图学课程的培养重点是如何将已掌握的图学能力灵活应用于实际机械问题中。本人提出的方案是将图形表达能力、合理标注尺寸及技术要求能力与机械设计、机械制造、互换性等课程相融合。
　　在机械设计课程中将典型零件的设计与图形表达相融合，学生不仅要学习零件设计的相关计算，还要巩固和练习零部件的表达方法。由于学生在学习机械设计的过程中会对零件的结构和性能有更深刻的认识，在选用哪种表达方法能够更好地表达零件上，学生将从大一学零件表达方法的死记硬背，过渡到理解及灵活应用的阶段。在具体课程实施中，可以重点将机械制图能力的培养与机械设计课程相结合。在课程设计过程中，指导教师不仅要关注学生零件设计计算部分的正确性，还要检查学生在图纸上表达零件及部件的合理性。
　　在机械制造及互换性课程中，机械制图老师可以在一定周期的课时中，对该周期出现的工艺结构在机械制图中的表达方法及技术要求的标准方法进行讲解和巩固，让学生从大一对工艺结构、粗糙度、尺寸公差及几何公差表达的硬性记忆，转变为对知识点的理解和应用，强化了学生的绘图能力及合理标注尺寸的能力。
　　（四）第四学年的课程内容及培养重点
　　第四学年学生的主要任务是完成毕业设计。如果按照本人提出的图学四年不断线的培养模式，即使老师不过多干涉学生的图纸绘制工作，多数同学一定会更好地完成毕业设计。为了进一步提高学生的制图能力，让本科毕业生更快地适应毕业后的实际工作，可以在学生进行毕业设计的过程中，通过以下几个步骤对学生进行指导。
　　首先，在学生初步完成零部件设计计算工作，开始绘制零部件的图纸时，制图教师可以辅助毕业设计指导教师完成零部件初稿的审核，着重对零部件的表达方法的合理性进行评判和指导，优化零部件的表达方法。
　　其次，在初稿确定后，要求学生完成三维零件实体的造型。在三维实体造型的过程中，不仅可以培养学生应用三维设计软件的能力，还便于学生在绘制实体的过程中，对零部件的尺寸标注的完整性进行检测，防止漏标和错标尺寸。
　　最后，毕业设计的完成阶段，再次对学生的表达方法进行优化指导，对尺寸和技术要求的合理性进行检测。
　　通过制图教师和毕业设计指导教师之间的合作，不仅可以保证学生毕业设计完成的质量，还可以提高学生今后在工作岗位或研究生科研阶段中的设计能力。
　　（五）专业比赛辅助工程图学课程
　　伴随着互联网的飞速发展，大学生获取知识的途径呈现出多样化和便捷性，如何发挥学生自身的积极性，使学生自主地去拓展自己的工科思维和能力，成为现在工科教学广泛研究的问题，其中以学科专业比赛为推手，已经成为大学教育中培养学生能力的关键环节。现有以机械制图为主要内容或应用机械制图所学知识辅助完成的比赛有很多，其中具有全国影响力的有全国大学生先进成图大赛、全国3D大赛及全国机械设计创新大赛等。 　　将机械制图课程与专业比赛相融合，在比赛过程中，制图教师应该起到教练的作用，以发挥学生的能动性为主。教师可以在题目设计阶段辅助学生选择题目，赛程中对学生所设计零部件的三维实体设计及二维图纸的绘制进行指导，审核学生的图纸。学生在不同年级参加比赛与本文提出的机械制图四年不断线的培养策略是相辅相成的。
　　三、结语
　　工程图学是机械类本科生的基础课程。本文以图学课程四年不断线作为主要的教学策略，将工程图学课程与机械类其他专业课程相融合，使课程内容及培养重点与本科生的工科思维发展规律相吻合，通过线上线下教学、专业竞赛辅助、毕业设计辅导，保证学生在本科教育的四年中持续提高自己的机械制图能力，在进入工作岗位或研究生科研阶段能够独立完整地完成零部件建模及图纸绘制工作。
　　参考文献
　　[1]侯洪生，闫冠.机械工程图学（第四版）[M].北京：科学出版社， 2016.
　　[2]邓健，彭如恕，陈文波，等.基于OBE理念的独立学院工程图学类课程教学改革研究[J].教育现代化，2019（97）：69-70.
　　[3]何苗，魏书华，路世青.基于能力考核的工程图学多元化考核方式研究[J].科教导刊，2018（22）：48-50.
　　[4]张学忱，张翠翠，张云辉，等.基于工程师启蒙教育的机械制图课改的几点思考[J].装备制造技术，2019（12）：147-150.
　　[5]張秀芝，闫冠，张云辉，等.基于特征轮廓的立体构型方法[J].图学学报，2013（2）：130-135.
　　Abstract： As the first professional basic course of mechanical and near mechanical students， Engineering Graphics is not only the teaching of graphics knowledge， but also the starting point of cultivating students' engineering thinking. Aiming at the cooperation between the development of engineering thinking and the teaching process of Engineering Graphics， this paper analyzes the traditional Engineering Graphics course design method， combines the application and development of computer aided drawing technology and their own teaching experience. This paper proposes a curriculum setting that is more in line with the law of students' engineering thinking development and more suitable for the teaching of Engineering Graphics under the "emerging engineering" discipline. First of all， the teaching tasks of Engineering Graphics in one academic year are dispersed into the whole four-year teaching process to ensure the continuous graphics education of engineering students in the undergraduate stage; secondly， the teaching of Engineering Graphics is connected with other professional courses such as Mechanical Design， Mechanical Manufacturing， Mechanical Precision， etc.， so as to strengthen the students' ability to apply Engineering Graphics knowledge and solve practical problems; finally， in the process of undergraduate graduation project， it is necessary to guide the students to draw the engineering drawings， so that the students' drawing ability can be further improved and better applied to the upcoming work or scientific research tasks.
　　Key words： Engineering Graphics; engineering thinking; teaching reform
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