劉思遠(yuǎn) 張志輝 張云輝 柴博森 于征磊

[摘 要]工程圖學(xué)作為機(jī)械類和近機(jī)械類學(xué)生的第一個專業(yè)基礎(chǔ)課，不但是對圖學(xué)知識的傳授，更是學(xué)生工科思維培養(yǎng)的起點。以大學(xué)生工科思維發(fā)展與工程圖學(xué)教學(xué)過程協(xié)同為目標(biāo)，通過分析傳統(tǒng)的工程圖學(xué)課程設(shè)計方式，結(jié)合計算機(jī)輔助繪圖技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展及自身的教學(xué)經(jīng)驗，提出一種更符合學(xué)生工科思維發(fā)展規(guī)律，更適合新工科的工程圖學(xué)發(fā)展的課程設(shè)置。首先，將一學(xué)年的工程圖學(xué)教學(xué)任務(wù)分散到完整的四年教學(xué)過程中，保證工科學(xué)生在本科階段的圖學(xué)教育不間斷;其次，將工程圖學(xué)教學(xué)與機(jī)械設(shè)計、機(jī)械制造、機(jī)械精度等專業(yè)課程進(jìn)行聯(lián)系，強(qiáng)化學(xué)生應(yīng)用工程圖學(xué)知識解決實際問題的能力;最后，在學(xué)生的本科畢業(yè)設(shè)計過程中，對學(xué)生繪制的工程圖樣進(jìn)行必要的指導(dǎo)，使學(xué)生的繪圖能力得到進(jìn)一步提高，更好的適應(yīng)即將到來的工作或科研任務(wù)。

[關(guān)鍵詞]工程圖學(xué);工科思維;教學(xué)改革

[基金項目]2020年度吉林大學(xué)課程思政“學(xué)科育人示范課程”項目“工程制圖‘課程思政示范項目”（SK202025）;2019年度吉林大學(xué)本科教學(xué)改革研究項目“工程圖學(xué)示范課程建設(shè)”（2019XYB142）;2020年度吉林大學(xué)課程思政“學(xué)科育人示范課程”項目“機(jī)械設(shè)計綜合實踐A‘課程思政示范項目”（SK202026）

[作者簡介]劉思遠(yuǎn)（1985—），男，河北邢臺人，博士，吉林大學(xué)機(jī)械與航空航天工程學(xué)院講師，研究方向為機(jī)器視覺、工程圖學(xué);張云輝（通信作者）（1972—），女，吉林公主嶺人，博士，吉林大學(xué)機(jī)械與航空航天工程學(xué)院教授，工程圖學(xué)教研室主任，研究方向為工程圖學(xué)、機(jī)器視覺。

[中圖分類號] G420[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）46-0-03[收稿日期] 2020-09-28

一、引言

工程圖學(xué)是高校機(jī)械類和近機(jī)械類專業(yè)必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程不僅擔(dān)負(fù)著培養(yǎng)學(xué)生空間想象能力的任務(wù)，更是每一位工程技術(shù)人員必須學(xué)習(xí)的工程語言課程。在傳統(tǒng)的機(jī)械領(lǐng)域，二維圖紙是最重要的工程語言，原有工程圖學(xué)課程主要是培養(yǎng)大學(xué)生空間想象能力及二維圖紙的繪圖、讀圖能力[1]。隨著三維設(shè)計軟件的快速發(fā)展及新工科的提出，現(xiàn)在的工程語言不再局限于二維圖紙，對大學(xué)生在該課程中需要掌握的能力也提出了新的要求。如何將表達(dá)方法與零件設(shè)計相結(jié)合、合理標(biāo)注與零部件制造工藝相結(jié)合、圖學(xué)知識與其他機(jī)械專業(yè)知識相結(jié)合，是工程圖學(xué)課程的核心任務(wù)。

根據(jù)我國現(xiàn)有機(jī)械類本科生的培養(yǎng)方式，一般將工程圖學(xué)所有教學(xué)內(nèi)容都安排在四年學(xué)制中的第一學(xué)年進(jìn)行。雖然這種設(shè)置有助于集中時間強(qiáng)化學(xué)生空間想象力及掌握堅實的繪圖基本功，但是由于絕大多數(shù)學(xué)生進(jìn)入大學(xué)前都不具備基本的工科思維，對如何將圖學(xué)課程所學(xué)的知識應(yīng)用于實際的工程問題中，缺乏必要的指導(dǎo)和持續(xù)的訓(xùn)練[2]，因此，在機(jī)械類本科畢業(yè)設(shè)計中，經(jīng)常出現(xiàn)即將畢業(yè)的本科學(xué)生無法正確表達(dá)所設(shè)計的零部件、設(shè)計圖紙不符合國家標(biāo)準(zhǔn)等問題。

工程圖學(xué)是一門很傳統(tǒng)的課程，隨著新的設(shè)計方法、新的設(shè)計理念、新的制造方法對現(xiàn)代制造業(yè)的不斷推進(jìn)，工程圖學(xué)原有課程中的很多知識點或者難點，在現(xiàn)代設(shè)計方法中被逐步弱化，很多原有被忽視或者以前就沒有的圖學(xué)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代設(shè)計中。如何將機(jī)械圖學(xué)知識與現(xiàn)有工程實際相結(jié)合、與學(xué)生的工科思維方式相結(jié)合，是新工科對工程圖學(xué)教學(xué)的要求，也是企業(yè)對畢業(yè)生的要求。在機(jī)械類本科生的培養(yǎng)中，如何讓圖學(xué)知識學(xué)以致用，靈活應(yīng)用，契合實際，已經(jīng)成為課程改革的方向[3，4]。

本文基于大學(xué)生工科思維發(fā)展規(guī)律與新形勢下對工程圖學(xué)課程的要求，提出新的教學(xué)改革方案，主旨是將工程圖學(xué)與機(jī)械其他主干課程相融合，持續(xù)培養(yǎng)學(xué)生的圖形能力，保證圖學(xué)課程四年不斷線，最終實現(xiàn)學(xué)生對工程語言的精準(zhǔn)掌握及靈活應(yīng)用。

二、工程圖學(xué)課程改革方案

按照圖學(xué)四年不斷線的思路，本文以機(jī)械類本科培養(yǎng)計劃為基礎(chǔ)，對課程在每學(xué)年的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計，保證本科生的零部件表達(dá)及讀圖能力與工科思維協(xié)同發(fā)展，達(dá)到較好的教學(xué)效果。

（一）第一學(xué)年課程內(nèi)容及培養(yǎng)重點

根據(jù)我國義務(wù)教育及高中教學(xué)的特點，剛步入大學(xué)的本科生對于機(jī)械知識了解甚少，更不具備基本的工科思維。而工程圖學(xué)課程作為工學(xué)本科教育的第一門專業(yè)基礎(chǔ)課，不但是讓學(xué)生學(xué)會畫圖和看圖。在課程的設(shè)計中，第一學(xué)年課程內(nèi)容分為畫法幾何及工程制圖兩部分。由于三維軟件及計算機(jī)的普及，畫法幾何部分的課程內(nèi)容可以適當(dāng)縮短，教師在授課的過程中可以結(jié)合三維軟件幫助學(xué)生建立空間立體思維，培養(yǎng)學(xué)生由三維實體向二維投影轉(zhuǎn)化的能力，以及通過二維圖紙構(gòu)造三維實體的能力，而相貫線、截交線及軸測圖等傳統(tǒng)畫法幾何教學(xué)中的重點、難點問題可以大幅簡化。

在工程制圖部分，重點是培養(yǎng)學(xué)生零部件表達(dá)的能力。而傳統(tǒng)教學(xué)的過程中，學(xué)生的學(xué)習(xí)方式依舊是被動接受，主動思考的過程較少。通過對學(xué)生試卷及課程設(shè)計的分析，學(xué)生由于缺乏基礎(chǔ)的工程知識，無法將表達(dá)方法靈活應(yīng)用，只是通過固定的概念選用表達(dá)方法。

在新的課程設(shè)計中，教師可以利用較少課時對表達(dá)方法進(jìn)行基本介紹，用大量的時間以機(jī)械部件中的一些典型結(jié)構(gòu)的表達(dá)作為例子，通過實例促進(jìn)學(xué)生對視圖表達(dá)方法的理解，以代替課堂的理論講解。為了判斷學(xué)生對知識的理解程度并提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，可以采用翻轉(zhuǎn)課堂的形式，讓學(xué)生分組并分配給每組一定難度的零件進(jìn)行表達(dá)，學(xué)生在參與零部件的表達(dá)方式的設(shè)計中，通過討論、文獻(xiàn)查閱等過程選擇合適的表達(dá)方法，老師可以對每組同學(xué)的表達(dá)方案進(jìn)行評價并給出必要的指導(dǎo)。

工程圖學(xué)是一門對實踐要求很高的課程，對于大一的工科學(xué)生，每一次圖學(xué)作業(yè)就是一次實踐過程，該課程作業(yè)對于熟練掌握并靈活運(yùn)用知識點具有重要意義。工程圖學(xué)的作業(yè)具有體量大、細(xì)節(jié)多、耗時長的特點，圖學(xué)老師不僅要認(rèn)真負(fù)責(zé)地對學(xué)生的作業(yè)進(jìn)行批改，還需要針對出現(xiàn)的共性問題進(jìn)行總結(jié)，并在正式上課時進(jìn)行講解，而對于作業(yè)錯誤比較多的同學(xué)，需要進(jìn)行一對一的指導(dǎo)。

在啟蒙學(xué)生工科思維方面，第一學(xué)年工程圖學(xué)課程的任務(wù)可以總結(jié)為：第一，建立形性思維，即將零部件的形狀與該形狀所具有的實際功能、性能相聯(lián)系的思維;第二，強(qiáng)化標(biāo)準(zhǔn)思維，由于國家標(biāo)準(zhǔn)貫穿整個工程圖學(xué)課程，因此該課程在培養(yǎng)學(xué)生的標(biāo)準(zhǔn)意識方面相對其他課程具有極強(qiáng)的優(yōu)勢;第三，普及工藝思維，即在授課的過程中對基本的機(jī)械加工方式進(jìn)行介紹，了解必要的工藝結(jié)構(gòu)，為后期學(xué)習(xí)的機(jī)械制造課程進(jìn)行鋪墊。

（二）第二學(xué)年課程內(nèi)容及培養(yǎng)重點

第二學(xué)年機(jī)械類的課程以專業(yè)理論基礎(chǔ)課為主，例如理論力學(xué)、材料力學(xué)和機(jī)械原理等，而工程圖學(xué)與這些課的結(jié)合較少，為了保證課程的持續(xù)性，第二學(xué)年可以安排學(xué)生主要進(jìn)行制圖及三維設(shè)計軟件的學(xué)習(xí)。

隨著計算機(jī)技術(shù)的普及，現(xiàn)在的機(jī)械零部件設(shè)計已經(jīng)趨于無紙化操作，大量的工作需要通過計算機(jī)上的二維和三維設(shè)計軟件完成。為了滿足計算機(jī)設(shè)計的大趨勢，熟練應(yīng)用計算機(jī)繪圖已經(jīng)成為機(jī)械類本科生必須掌握的技能。

為了讓學(xué)生打好機(jī)械零部件設(shè)計基礎(chǔ)，大一圖學(xué)課程采取以培養(yǎng)學(xué)生手工繪圖能力為主，計算機(jī)繪圖為輔的教學(xué)策略。第二學(xué)年將培養(yǎng)學(xué)生計算機(jī)繪圖能力作為主要課程內(nèi)容，課程內(nèi)容要更接近實際設(shè)計工作的狀態(tài)，不只是簡單讓學(xué)生完成一個形體的造型，還要培養(yǎng)學(xué)生從零件三維數(shù)字模型的建立，到工程圖生成，最后將工程圖轉(zhuǎn)化為符合我國國標(biāo)的、正確的工程圖。在授課方式上，可以將網(wǎng)上教學(xué)與項目式授課方式結(jié)合進(jìn)行，老師將計算機(jī)繪制的基本操作及繪圖實例講解制作視頻公布于網(wǎng)絡(luò)平臺，學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)進(jìn)行觀看;在驗收學(xué)生學(xué)習(xí)效果階段，可以安排學(xué)生自行組成小組，完成從零件建模、部件裝配到生成工程圖完整的計算機(jī)繪圖過程，讓學(xué)生體驗現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計過程，最終由老師點評學(xué)生項目完成情況，分析三維建模的完整性、二維工程圖表達(dá)的合理性及圖紙是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)大量的企業(yè)走訪發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代三維設(shè)計與繪圖相較于傳統(tǒng)的計算機(jī)三維設(shè)計具有兩個明顯趨勢，老師可以對三維繪圖設(shè)計進(jìn)行補(bǔ)充。

第一，在零件建模的內(nèi)容上，原有的零部件的形體都是典型的回轉(zhuǎn)體，外形結(jié)構(gòu)比較簡單。由于制造水平不斷上升，零部件的外形趨于復(fù)雜化，表面很多是自由曲面[5]。三維曲面設(shè)計在現(xiàn)代制造和設(shè)計中應(yīng)用的越來越多，而原有的三維設(shè)計中對曲面的造型涉及較少，應(yīng)該在現(xiàn)有的課程中增加這方面的內(nèi)容，讓學(xué)生所學(xué)知識更接近最新的趨勢。

第二，很多企業(yè)為了提高設(shè)計的效率，對專業(yè)三維設(shè)計軟件進(jìn)行二次開發(fā)。在教學(xué)中也應(yīng)該讓學(xué)生了解軟件二次開發(fā)的基本原理，并著重掌握軟件經(jīng)過二次開發(fā)的應(yīng)用方法，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容符合現(xiàn)在設(shè)計繪圖的真實應(yīng)用，使學(xué)生畢業(yè)后可以更好、更快地融入工作中。

（三）第三學(xué)年課程內(nèi)容及培養(yǎng)重點

第三學(xué)年伴隨著機(jī)械專業(yè)課程的學(xué)習(xí)及金工實習(xí)的開展，學(xué)生的工科思維較第一學(xué)年有明顯的提高，已經(jīng)具有了一定的工科基本思維，并且對一些機(jī)械結(jié)構(gòu)及加工方式有了直觀的印象;因此，本學(xué)年工程圖學(xué)課程的培養(yǎng)重點是如何將已掌握的圖學(xué)能力靈活應(yīng)用于實際機(jī)械問題中。本人提出的方案是將圖形表達(dá)能力、合理標(biāo)注尺寸及技術(shù)要求能力與機(jī)械設(shè)計、機(jī)械制造、互換性等課程相融合。

在機(jī)械設(shè)計課程中將典型零件的設(shè)計與圖形表達(dá)相融合，學(xué)生不僅要學(xué)習(xí)零件設(shè)計的相關(guān)計算，還要鞏固和練習(xí)零部件的表達(dá)方法。由于學(xué)生在學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計的過程中會對零件的結(jié)構(gòu)和性能有更深刻的認(rèn)識，在選用哪種表達(dá)方法能夠更好地表達(dá)零件上，學(xué)生將從大一學(xué)零件表達(dá)方法的死記硬背，過渡到理解及靈活應(yīng)用的階段。在具體課程實施中，可以重點將機(jī)械制圖能力的培養(yǎng)與機(jī)械設(shè)計課程相結(jié)合。在課程設(shè)計過程中，指導(dǎo)教師不僅要關(guān)注學(xué)生零件設(shè)計計算部分的正確性，還要檢查學(xué)生在圖紙上表達(dá)零件及部件的合理性。

在機(jī)械制造及互換性課程中，機(jī)械制圖老師可以在一定周期的課時中，對該周期出現(xiàn)的工藝結(jié)構(gòu)在機(jī)械制圖中的表達(dá)方法及技術(shù)要求的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行講解和鞏固，讓學(xué)生從大一對工藝結(jié)構(gòu)、粗糙度、尺寸公差及幾何公差表達(dá)的硬性記憶，轉(zhuǎn)變?yōu)閷χR點的理解和應(yīng)用，強(qiáng)化了學(xué)生的繪圖能力及合理標(biāo)注尺寸的能力。

（四）第四學(xué)年的課程內(nèi)容及培養(yǎng)重點

第四學(xué)年學(xué)生的主要任務(wù)是完成畢業(yè)設(shè)計。如果按照本人提出的圖學(xué)四年不斷線的培養(yǎng)模式，即使老師不過多干涉學(xué)生的圖紙繪制工作，多數(shù)同學(xué)一定會更好地完成畢業(yè)設(shè)計。為了進(jìn)一步提高學(xué)生的制圖能力，讓本科畢業(yè)生更快地適應(yīng)畢業(yè)后的實際工作，可以在學(xué)生進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計的過程中，通過以下幾個步驟對學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)。

首先，在學(xué)生初步完成零部件設(shè)計計算工作，開始繪制零部件的圖紙時，制圖教師可以輔助畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)教師完成零部件初稿的審核，著重對零部件的表達(dá)方法的合理性進(jìn)行評判和指導(dǎo)，優(yōu)化零部件的表達(dá)方法。

其次，在初稿確定后，要求學(xué)生完成三維零件實體的造型。在三維實體造型的過程中，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用三維設(shè)計軟件的能力，還便于學(xué)生在繪制實體的過程中，對零部件的尺寸標(biāo)注的完整性進(jìn)行檢測，防止漏標(biāo)和錯標(biāo)尺寸。

最后，畢業(yè)設(shè)計的完成階段，再次對學(xué)生的表達(dá)方法進(jìn)行優(yōu)化指導(dǎo)，對尺寸和技術(shù)要求的合理性進(jìn)行檢測。

通過制圖教師和畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)教師之間的合作，不僅可以保證學(xué)生畢業(yè)設(shè)計完成的質(zhì)量，還可以提高學(xué)生今后在工作崗位或研究生科研階段中的設(shè)計能力。

（五）專業(yè)比賽輔助工程圖學(xué)課程

伴隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，大學(xué)生獲取知識的途徑呈現(xiàn)出多樣化和便捷性，如何發(fā)揮學(xué)生自身的積極性，使學(xué)生自主地去拓展自己的工科思維和能力，成為現(xiàn)在工科教學(xué)廣泛研究的問題，其中以學(xué)科專業(yè)比賽為推手，已經(jīng)成為大學(xué)教育中培養(yǎng)學(xué)生能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?，F(xiàn)有以機(jī)械制圖為主要內(nèi)容或應(yīng)用機(jī)械制圖所學(xué)知識輔助完成的比賽有很多，其中具有全國影響力的有全國大學(xué)生先進(jìn)成圖大賽、全國3D大賽及全國機(jī)械設(shè)計創(chuàng)新大賽等。

將機(jī)械制圖課程與專業(yè)比賽相融合，在比賽過程中，制圖教師應(yīng)該起到教練的作用，以發(fā)揮學(xué)生的能動性為主。教師可以在題目設(shè)計階段輔助學(xué)生選擇題目，賽程中對學(xué)生所設(shè)計零部件的三維實體設(shè)計及二維圖紙的繪制進(jìn)行指導(dǎo)，審核學(xué)生的圖紙。學(xué)生在不同年級參加比賽與本文提出的機(jī)械制圖四年不斷線的培養(yǎng)策略是相輔相成的。

三、結(jié)語

工程圖學(xué)是機(jī)械類本科生的基礎(chǔ)課程。本文以圖學(xué)課程四年不斷線作為主要的教學(xué)策略，將工程圖學(xué)課程與機(jī)械類其他專業(yè)課程相融合，使課程內(nèi)容及培養(yǎng)重點與本科生的工科思維發(fā)展規(guī)律相吻合，通過線上線下教學(xué)、專業(yè)競賽輔助、畢業(yè)設(shè)計輔導(dǎo)，保證學(xué)生在本科教育的四年中持續(xù)提高自己的機(jī)械制圖能力，在進(jìn)入工作崗位或研究生科研階段能夠獨立完整地完成零部件建模及圖紙繪制工作。

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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