曾威 孫文 孫艷萍 孫育紅 張振軍

(西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 陜西西安 710065)

“工程制圖”是非機(jī)械類工科專業(yè)本科生的一門基礎(chǔ)課，教學(xué)對象是剛剛進(jìn)入工科各專業(yè)學(xué)習(xí)的大一學(xué)生，主要目的在于培養(yǎng)學(xué)生的繪圖、讀圖與空間抽象思維能力，能夠在工程實(shí)踐中應(yīng)用圖形進(jìn)行表達(dá)與交流。尤其是在當(dāng)前工程教育認(rèn)證的大背景下，如何充分發(fā)揮“工程制圖”課程在學(xué)生工程素養(yǎng)和工程應(yīng)用能力培養(yǎng)方面的支撐作用，是當(dāng)前“工程制圖”課程教學(xué)過程中應(yīng)該考慮的問題[1]。長期以來，“工程制圖”的教學(xué)內(nèi)容都是按照畫法幾何、組合體、零件圖和裝配圖等幾個部分逐層推進(jìn)。這種方法雖然能夠讓學(xué)生對知識體系有一個較全面的認(rèn)識，但是由于課程理論知識較為復(fù)雜、抽象，容易讓學(xué)生形成“枯燥、乏味”的印象，產(chǎn)生厭學(xué)情緒，影響課程教學(xué)質(zhì)量[2]。為激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，考慮當(dāng)前工程教育認(rèn)證的大背景，大部分課程課時被壓縮，有必要開展面向工程實(shí)踐的“工程制圖”課程教學(xué)改革，在有限的課時內(nèi)提高“工程制圖”課程教學(xué)質(zhì)量，提升學(xué)生的工程素養(yǎng)。

1 面向工程實(shí)踐的“工程制圖”課程項目教學(xué)改革

1.1 應(yīng)用三維軟件逐步建立抽象思維

“工程制圖”課程通常在大學(xué)一年級或二年級開設(shè)，學(xué)生的抽象思維能力相對薄弱，而該課程對學(xué)生的抽象思維能力要求較高，兩者存在矛盾。尤其是在當(dāng)前工程教育認(rèn)證背景下，理論課時被壓縮，如何在較短的理論課時內(nèi)幫助學(xué)生逐步建立起抽象思維能力是目前“工程制圖”課程需要解決的重要問題之一。以圖1所示圓柱與圓柱垂直相交時相貫線的變化趨勢為例，講授過程中如果只告訴學(xué)生隨著橫向圓柱直徑的不斷增加，兩圓柱相貫線的變化趨勢如圖1（a）～（c）所示，并要求學(xué)生關(guān)注兩圓柱直徑相等時兩相貫線的特殊情況。學(xué)生學(xué)習(xí)后雖然能夠記住兩圓柱正交時相貫線投影形狀的變化趨勢，但是其對相貫線的空間形狀并沒有一個清晰的認(rèn)識，將直接影響后續(xù)組合體的繪圖與讀圖。

圖1 圓柱與圓柱垂直相交時相貫線的變化趨勢

在面向工程實(shí)踐的“工程制圖”課程教學(xué)改革中，在完成知識點(diǎn)的講解后，采用三維繪圖軟件建立如圖2 所示的兩垂直相交的圓柱模型，通過修改橫向圓柱直徑讓學(xué)生觀察相貫線的變化趨勢。通過這種演示教學(xué)方法，學(xué)生認(rèn)識了相貫線的三維空間形狀，再結(jié)合圖1 的相貫線二維投影，在相互對照讀圖的過程中對正投影方法形成更加清晰的認(rèn)知，有利于學(xué)生空間抽象思維的逐步形成。

圖2 基于三維軟件的圓柱垂直相交相貫線變化趨勢

1.2 挖掘理論知識背后的工程知識

雖然“工程制圖”課程基本教學(xué)任務(wù)是教會學(xué)生如何繪圖與讀圖，但是在教學(xué)過程中如果單純地采用“填鴨式”的方法告訴學(xué)生應(yīng)該怎么做，而不闡述為什么這么做的原因，學(xué)生知其然而不知其所以然，不但疲于記憶，而且會感覺該門課程枯燥乏味，難以提起興趣[3]。以圖3 所示的零件圖中尺寸的合理標(biāo)注為例，在授課過程中，教師通常會提到“為保證零件圖尺寸標(biāo)注的合理性，在給軸類零件標(biāo)注尺寸時要避免出現(xiàn)封閉的尺寸鏈，應(yīng)該在合理的位置將尺寸鏈斷開”。學(xué)生雖然建立了一個“軸類零件尺寸標(biāo)注應(yīng)該避免出現(xiàn)封閉尺寸鏈”的概念，但其并不清楚為什么不能形成封閉尺寸鏈，而只是單純地記住了該知識點(diǎn)[4]，并沒有對該知識點(diǎn)背后的工程知識和工程原理形成認(rèn)知，影響其工程思維的形成。

在面向工程實(shí)踐的“工程制圖”課程教學(xué)改革中，則挖掘知識點(diǎn)背后的工程知識，闡述其工程原理，讓學(xué)生不但知其然，而且知其所以然。同樣以圖3零件圖中尺寸的合理標(biāo)注為例。講述需要避免形成封閉尺寸鏈后，還應(yīng)該闡述為什么要將尺寸鏈的斷開位置放在φ36軸段，而不放在其他軸段。首先，應(yīng)該從零件的加工誤差角度出發(fā)，明確加工誤差客觀存在，不可能完全避免的觀念。其次，講述圖3中階梯軸各軸段的功能，明確左側(cè)φ30和φ24軸段需要與軸上零件配合，其精度要求高，在標(biāo)注尺寸的過程中則需要優(yōu)先保證；而φ36軸段并不需要與軸上零件配合，精度要求較低，因此可以將加工誤差放到該軸段，確保該軸的功能得到滿足。通過這種講述方式，學(xué)生不但明確了“避免封閉尺寸鏈”的原因，而且還增加了對應(yīng)的加工知識，建立了加工誤差和尺寸優(yōu)先級的概念，在后續(xù)其他類似的問題中能夠做到舉一反三，提升了學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

圖3 零件圖尺寸合理標(biāo)注

1.3 通過測繪實(shí)訓(xùn)增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識

測繪實(shí)訓(xùn)是機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生的一個重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，通過該環(huán)節(jié)可以為學(xué)生提供一個貼近工程實(shí)際的學(xué)習(xí)環(huán)境，給學(xué)生一個應(yīng)用繪圖知識的平臺，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力[5]。但是，由于零件測繪需要準(zhǔn)備零件、測繪工具等教學(xué)設(shè)備，部分學(xué)校教學(xué)條件不滿足，因此學(xué)校通常取消該部分教學(xué)內(nèi)容[6]。該校工程制圖教研室結(jié)合自身教學(xué)條件，開始在非機(jī)械工科專業(yè)“工程制圖”教學(xué)中進(jìn)行了測繪實(shí)訓(xùn)試點(diǎn)。通常，將該實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)設(shè)置在“零件圖”章節(jié)中，一共占用2個課時；選擇的測繪零件主要是軸、軸套、立式軸承座等；測繪工具包括直尺、外卡鉗、內(nèi)卡鉗、游標(biāo)卡尺等；學(xué)生分組選擇一個對象零件，根據(jù)零件的具體結(jié)構(gòu)選擇合適的測繪工具進(jìn)行測量，記錄測量數(shù)據(jù)，采用三視圖、剖視、斷面等表達(dá)方法，完成零件測繪。因為課堂內(nèi)時間限制，可以要求學(xué)生在課堂完成測量并記錄數(shù)據(jù)，課下完成圖紙繪制。在具體的實(shí)施過程中，教師根據(jù)實(shí)際的測繪零件制訂具體的實(shí)訓(xùn)計劃，并通過圖片、動畫等展示不同零件測繪的難點(diǎn)、重點(diǎn)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生完成測繪實(shí)訓(xùn)。通過開展測繪實(shí)訓(xùn)，能夠培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、團(tuán)隊協(xié)作能力以及解決工程實(shí)際問題的能力，學(xué)生可以將掌握的繪圖方法應(yīng)用到測繪工作中，對所學(xué)知識有了一個更加具體的感性認(rèn)識和體會，在這個過程中形成的測量、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新意識，也能為后續(xù)相關(guān)課程內(nèi)容學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

1.4 構(gòu)建多元化、全過程的課程考核體系

在傳統(tǒng)的以筆試考試成績作為主要評價方式中，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中為了獲得較高的成績，通常是以熟練掌握制圖的相關(guān)知識點(diǎn)為第一導(dǎo)向，采用知識點(diǎn)識記等方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，一方面難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時也存在學(xué)習(xí)成績考核方式單一的問題，不能對學(xué)生的多個方面進(jìn)行綜合考查。另外，在當(dāng)前線下教學(xué)方式日漸普及的情況下，如何對學(xué)生的線下學(xué)習(xí)情況進(jìn)行考核和評價也是課程教學(xué)改革工作需要考慮的重要內(nèi)容。為了保證學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，確保學(xué)生在線下等其他途徑的學(xué)習(xí)過程得到認(rèn)可，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在此次教學(xué)改革的過程中構(gòu)建了多元化、全過程的課程考核體系。在以往由“出勤”“平時作業(yè)”和“筆試考試”構(gòu)成的考核體系中增加了“大作業(yè)”和“線下學(xué)習(xí)”考核內(nèi)容，形成了如表1所示的“四位一體”考核體系，實(shí)現(xiàn)對學(xué)生更加全面、全過程的考核。

表1 多元化、全過程的課程考核體系

其中，所謂的“大作業(yè)”是指在完成一個相對完整的學(xué)習(xí)內(nèi)容之后對學(xué)生的一個考查。例如，在學(xué)習(xí)零件圖之后，給學(xué)生布置一道零件圖繪圖題目，要求學(xué)生在2個課時完成零件圖的繪制與標(biāo)注，并當(dāng)堂提交，以此作為階段性的學(xué)習(xí)效果評價方式。而線下學(xué)習(xí)則是采用超星“學(xué)習(xí)通”、中國大學(xué)MOOC等在線學(xué)習(xí)平臺，提前上傳對應(yīng)的學(xué)習(xí)資料，要求學(xué)生利用課下時間進(jìn)行學(xué)習(xí)，并在系統(tǒng)中完成對應(yīng)的測試題目，以系統(tǒng)統(tǒng)計的學(xué)習(xí)時間和成績作為評定學(xué)生線下學(xué)習(xí)的指標(biāo)。

2 面向工程實(shí)踐的“工程制圖”課程教學(xué)改革效果

通過兩個學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐，將教學(xué)改革前后的教學(xué)效果進(jìn)行對比，學(xué)生在空間思維能力、學(xué)習(xí)興趣、工程實(shí)踐能力和學(xué)習(xí)效果考核科學(xué)性等方面有較為明顯的提升，主要包括以下4個方面。

2.1 空間思維能力得到提升

“工程制圖”課程對學(xué)生的空間思維能力要求較高，這就要求學(xué)生要多琢磨、多思考，學(xué)生一旦不愿意思考，隨著知識量的增加，就逐漸跟不上學(xué)習(xí)進(jìn)度[7]。在實(shí)施面向工程實(shí)踐的課程改革之后，充分考慮學(xué)生學(xué)習(xí)之初空間思維能力較為欠缺的客觀情況，在授課過程中利用三維軟件演示與投影圖一致的三維模型，并根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)展示經(jīng)過截切、相貫等處理后的三維結(jié)構(gòu)圖形，學(xué)生將之與二維投影圖進(jìn)行比對，逐步形成將三維結(jié)構(gòu)向二維投影轉(zhuǎn)化的能力，幫助學(xué)生順利通過由三維向二維的過渡期，使得空間思維能力得到提升。

2.2 工程知識得到豐富，學(xué)習(xí)興趣得以提升

“工程制圖”課程中的理論學(xué)習(xí)知識較多，對學(xué)生導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高[8]。在開展面向工程實(shí)踐的“工程制圖”課程教學(xué)改革后，深挖案例背后的工程知識，將晦澀難懂的理論知識轉(zhuǎn)換成為實(shí)際、具體的工程需求，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到提升，學(xué)習(xí)主動性也明顯提高。與此同時，學(xué)生通過具體的工程案例，對相關(guān)的加工方法、材料屬性等知識也有了一定的了解，這對學(xué)生后續(xù)工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)也有支撐作用。

2.3 學(xué)習(xí)目標(biāo)具象化，工程實(shí)踐能力得以提高

學(xué)習(xí)《工程制圖》課程的一個重要目的是為以后學(xué)生在各類型工作崗位中具備基本的讀圖、繪圖能力，滿足具體的工程實(shí)踐需求，這一點(diǎn)對于使學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，提升《工程制圖》課程學(xué)習(xí)自主意識也有重要意義[9]。開展面向工程實(shí)踐的教學(xué)改革后，在講授“零件圖”相關(guān)內(nèi)容時設(shè)置測繪實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，學(xué)生通過動手測量對應(yīng)的零件，在這個過程中持續(xù)不斷地測量、記錄、校正和修改，并利用前面學(xué)習(xí)的形體表達(dá)方法，將對象零件完整、合理地表達(dá)清楚，形成規(guī)范的圖紙。在這個過程中，學(xué)生不但建立了由三維模型向二維投影轉(zhuǎn)換的能力，而且熟悉了繪圖規(guī)范、形體表達(dá)方法的合理應(yīng)用等知識，實(shí)現(xiàn)了理論知識的具象化。與此同時，學(xué)生通過實(shí)訓(xùn)也鍛煉了自身的動手能力，熟悉并了解了工程測量工具的使用方法，豐富了自身的知識儲備，工程實(shí)踐能力也得到了提高。

2.4 考核方式更加全面，能夠更好評價整體學(xué)習(xí)效果

構(gòu)建的多元化、全過程的考核體系可以從多個方面對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行綜合評價，對學(xué)生的線上、線下和全學(xué)習(xí)過程進(jìn)行考核。這種考核方式可以解決部分學(xué)生雖然平時學(xué)習(xí)態(tài)度端正，也能夠理解并應(yīng)用相關(guān)的知識點(diǎn)，但是因為應(yīng)考能力不強(qiáng)造成最終考試不通過的問題。與傳統(tǒng)的以筆試成績?yōu)橹鞯目己朔绞较啾龋@種綜合性的考核方式能夠更加真實(shí)地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。從實(shí)際的應(yīng)用效果來看，這種考核方式相對更加公平，95%的學(xué)生對這種考核體系予以認(rèn)可，認(rèn)為這種考核體系更加公平。這樣，也就能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，間接地提升學(xué)習(xí)效果。

3 結(jié)語

面向工程實(shí)踐的“工程制圖”課程教學(xué)改革以當(dāng)前工程教育認(rèn)證為背景，考慮課時壓縮、理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐相互脫節(jié)等實(shí)際情況，注重學(xué)生空間思維能力培養(yǎng)、理論知識背后的工程知識挖掘、基于測繪實(shí)訓(xùn)的實(shí)踐能力訓(xùn)練和多元化全過程的考核體系，形成了“四位一體”的“工程制圖”教學(xué)方法。該方法能夠提升學(xué)生對“工程制圖”課程的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生逐步建立空間思維和工程實(shí)踐能力，達(dá)到新時期工程教育的目標(biāo)。