基于“广义形体分析法”的高职图学课程改革探索与实现

刘海琼， 谭建荣

（1. 成都电子机械高等专科学校，四川 成都 611730；2. 浙江大学，浙江 杭州 310027）

伴随着计算机技术和网络信息技术的发展与应用，产品设计和制造所依赖的图样表达形式已经发生了重大变化，三维设计方法和数控加工技术更是得到了广泛应用，产品的全生命周期状态也逐渐向信息化、数字化方向流动[1]，但传统的二维设计表达在某些企业和行业依然存在。上个世纪九十年代初，美国、日本的主要工科院校就提出了与信息社会相适应的现代“工程图学”体系，开始对基于两种设计、制造表达需求的“工程图学”课程进行了一些教学改革和实践[2-3]；自上世纪末以来，以清华大学的童秉枢、浙江大学的陆国栋、谭建荣等为代表的专家学者也开始对该门课程在普通高等院校的教学进行了广泛关注、深入的探索和实践[3-4]，取得了较为丰硕的成果，将工程制图逐渐升华为“工程图学”并赋予了新的内涵。

高职院校也不乏对“工程图学”课程持续的改革尝试与探索，取得了一些成就如参考文献[5]。但宏观看来，这些改革和探索或者是教材体系的某一部分内容处理技巧进行分析，或者基于某一教学方法或教学手段、教学依托等进行探讨问题，以致于该门课程多年来一直没有大的实质性的改革推进。原有课程体系存在着诸多不能适应高等职业教育改革需要的因素：在课程体系中更好的体现现代制造业（包括制造服务业）在设计制造方面对图样的表达新需求、对人才的职业技能新适应及对创新思维的新需要，企待深层次的改革。

本文介绍以“广义形体分析法”[6]为核心构建的模块化课程内容新体系，拟创建针对高职高专“工程图学”改革适应的一套完整改革方案。通过在教学中的初步应用与实践，取得了较为满意的成效。

1 广义形体分析法

1.1 方法构想描述

1） 基于形体分析法的拓展

形体分析法如图1作为“工程图学”的一种重要和根本方法首次提出并广泛应用于组合体的结构表达、分析读图及组合体的尺寸标注。在各种版本的教材中，定义不尽统一，但都集中地体现出其重要的图学思想精髓：即复杂的组合体总是由简单的基本几何体（或其拓展）按照一定的方式组合而成，因此在绘图和尺寸标注时可以将复杂形体简单化（分解为基本形体或其拓展形体），反之读图时，则抓住积累基本或简单形体的视图特征，分解并组合从而构想出复杂形体。

图1 形体分析法含义框图

形体分析法在构架完整的“工程图学”思维体系方面起到了极为关键的作用，在教学实践中，它更为我们提供了一种分析和解决问题的重要思维方法，具有很强的拓展价值，因而在教学实践中将此方法适度延伸至几何结构的几何元素构成基础等，则更有利于知识的连贯学习和掌握。

2） 基于工程对象表达

图2是基于全生命周期的产品过程。高等职业教育的培养目标主要定位于实现产品制造和服务的一线应用型人才，其核心是职业适应性。面向制造业或制造服务业需求的高职人才必须通过分析、研究并与实际工程对象不断交流来实现职业适应性。

一直以来“工程图学”课程都是以工程对象和其表达图样（或图形）为研究对象和教学目标，但在高职的实际课程教学中，普遍存在过分继承普通高等教育的模式（被称为普通高等教育的压缩饼干），没有更充分考虑和结合培养对象及在此基础上的目标定位。而工程对象的结构形成是以其功能需求和制造加工实现为基础和依据的，认识并在学习过程中充分理解：工程对象的几何结构与功能结构，零件装配与产品功能需求，它们之间存在着和形体结构分析本质相似的逻辑关系。

3） 基于知识和能力的合理构架

“工程图学”课程内容、知识和能力训练具有很强的关联性，将形体分析法的思想方法和理念应用在整个内容、知识和能力训练过程中，可以使得教学过程更为简洁、清晰化，学习思路更为明了。

图2 全生命周期的产品过程

1.2 广义形体分析法的定义及理解

源于以上3个方面，笔者在原形体分析法的基础上构想了使用面更广，逻辑关系更明确，涵义更深的“广义形体分析分析法”。所谓“广义形体分析法”是指沿“形体分析”的基本思维，将“工程图学”核心内容及主线提炼为由几何元素、几何结构、功能结构、零件装配、知识与能力拓展等5个相互关联，并有着基本相似逻辑关系的块元组成的一种教学改革思维方法。如图3所示。

图3 “广义形体分析法”分解关系图

对A、B、C、D、E组成块元的理解：

A 几何元素的“形体分析”：空间物体都可以分解为最基本的几何元素点、线、面；

B 几何结构的“形体分析”：基本几何体（或基本几何体的拓展形体）是组合体的基本组成元素；

C 功能结构的“形体分析”：零件的具体结构对应零件的具体功能，整个零件的结构是零件功能的集合，并体现主次关系；

D 零件装配的“形体分析”：零件装配联接及传动为装配体的功能实现途径，装配体的功能组合对应产品的功能需求，并体现功能主次和产品服务；

E 知识与能力拓展的“形体分析”：a 几何图形基础；b 国家标准知识是空间形体表达的基础和手段；c 徒手绘图；d 仪器绘图；e 计算机软件绘图的基础，不可或缺；f 部件是机器的形体组成基础和功能分支（为了便于分析理解将该块元再分为6个子块元）。

不难看出，在这里的“形体分析”之所以被称为“广义形体分析法”，是因为它是在原有图学体系“形体分析法”基础上的大胆拓展，也可以理解为一种“适度分解”的综合思维与能力训练方法[6]。

2 “广义形体分析法”课程体系与实施

2.1 “广义形体分析法”构架体系解读及实现

图4所示是以“广义形体分析法”思维贯穿的课程新体系，采用整体模块化改革方案，5个模块构筑技能和知识的完整体系。体现的核心是职业技能适应性，符合人类认知事物和思维（尤其是形象思维）发展的一般规律。将原课程体系分解构架为5个模块，是基于知识系统相对独立和能力训练相结合角度考虑的。当然根据实际专业不同、对象不同的需要可以进行适当的组合（比如二、三两个模块）或者分解。

图4 “广义形体分析法”贯穿的课程新体系

图5 模块与“广义形体分析法”块元关系图

解读构架体系须将“广义形体分析法”的5个块元及知识能力的子块元贯穿其中，如图5所示。理解和贯彻“广义形体分析法”是在继承原有教学体系基础上与学习对象具体情况实际结合，与产品的全生命周期过程结合，与人才需求和职业适应结合。各模块的内容不同，特点不同，侧重点不一样，与块元的主要关系当然也就不同：如模块一与各块元的关系最为密切，涵盖了所有的部分，属于宏观知识的引入、职业与学习兴趣建立和技能训练的起步，而模块二则主要涉及几何元素、几何结构与基本技能的训练。在教学实践的处理过程中，要注意块元和子块元的一些特点：⑤是贯穿过程的教学工具，依赖和技术技能综合；ABCD和⑥是贯穿总体的架构依据；①、②是知识基础；③、④、⑤是技能基础；因而⑤既是技能基础也是技能综合。再如③贯穿全体系，是因为：其一，伴随着计算机绘图技术的普及和发展，草图的应用也越来越广泛；其二，徒手绘图能力练就需要一个较长时间的积累。

2.2 技术实施

基于“广义形体分析法”的课程体系实施主要包括以下几个方面：

1） 多媒体及软件（包含 CAD技术软件）贯穿教学，生产现场、实验室交互使用。

2） 模块1：从职业或工作对象直接引入，以标准意识、实践意识、责任意识、形体意识的形成为目标；不是轻描淡写，是全面引入，举例典型，扎根深厚，可放可收，难易处置得当；平面部分和国家标准等内容可以采用教师引领下的自学与验收。

3） 模块2、3：可以部分沿用原体系的主要思想，但须紧紧围绕贯穿课程体系的核心实例与核心知识、能力目标，有针对性的训练；结合学生个体情况区别性地进行有选择的拓展训练；两个模块最根本的联系是狭义“形体分析”，适当地引导性的在教学中加入功能需求意识。

4） 模块4、5：综合体现知识与技能的应用水平，结构与功能需求结合紧密。学习与训练分为3步：

（1） 多媒体借助下的典型装配体三维建模动态演示与知识能力回归（内容体系的高度归纳）；

（2） 多媒体借助下的体验式、参与式结构分析、知识拓展和专业视野拓展（装配表达方法的讲授与功能结构分析相结合）；

（3） 核心技能训练主导下的多样化递进式训练：装配关系徒手图（装配示意图）；典型结构仪器绘制装配图；CAD软件的二维三维建模转换练习；装配图读图拓展练习；根据市场调研、功能需求分析的创新设计初步。

核心实例引入选择极为关键，常用性、典型性、贯穿性、职业结合性及难度把握是选择的依据。如图6的机用虎钳就是较为合适的范例：使用广泛，为工科类各行业基本应用工具，学生普遍熟悉了解，结构层次分明，功能分析和结构组成清晰，零件的难易程度适中，多种绘图方式均相对容易实现，零件结构典型，装配图（图7）对照理解相对容易。

图6 机用虎钳结构装拆图

图7 机用虎钳装配用装配图

3 初步实践及成效分析

经过长期对高职教育该门课程教学思考、不断学习和实践积累，以“广义形体分析法”为主线的改革方案在2008年基本成型，并在08级机械设计及制造专业（以下简称机制）2班进行初步探索实践并已经取得了较明显的成效。

图8 08机制2班综合考核成绩柱状图

图9 08机制3班综合考核成绩柱状图

图10 08机制4班综合考核成绩柱状图

图8、图9和图10分别是08机制2、3、4班学年综合考核成绩分布柱状图，3个班级的成绩合格率分别为：85.71%，75%，79.59%。从柱状图和表1可以明显看出，改革实施的机制2班无论是从学生成绩的分布状况的正态率，还是总体知识和技能掌握状况的验收结果较其他班级都更为理想。在这里称之为初步探索实践是因为在本轮改革中，其所需的教学条件在边实践边建设过程中，许多方面还不够齐备。如实验实作设备建设还不能够很好的到位，也不够齐备，原版本的教材也不能很好的诠释这一改革主导思想（配套教材还未能及时编撰出版），但本轮改革仍取得了较令人满意的效果。它不仅仅是反映在学年综合成绩考核方面，在课堂互动、应对具体工程对象及问题的分析与思考、对专业知识的拓展与应用等方面，学生们都能展现出更好的主动性和参与性。在后续专业课程、专业实践训练的学习和考核中，也反映出该班级学生与其他班级在综合思维能力和应变创新能力的明显优势。

表1 08机制2、3、4班综合考核成绩对照表

4 结 论

1） 基于“广义形体分析法”的模块式改革方案立足和围绕工程对象及工程对象的功能需求，更能体现课程实践特性和高职教育的职业适应性。块元的划分使知识的学习和能力的训练思路更加清晰、明了，有利于教和学。CAD技术软件教学与应用支撑下的多媒体教学更符合现代工程设计与制造表达方法需要。改革的实践证明该改革方案能带来满意的教学成效，在职业意识、逻辑思维及创新能力的提升方面尤为明显。

2） 该课程改革体系的实现涉及到诸多细节工作，理论体系的完善还需不断探索，与理论体系相结合的实践训练设施建设也需要一个过程，改革需要在实践应用中不断推进并不断成熟。

3） 不断实践、探索和成熟起来的改革体系可以总结细化并建设适合现代制造及制造服务业发展的、适应高职教育特点的精品教材和精品课程并加以推广。

[1]袁宝民, 闫成新. 面向现代工程中两种设计方法的工程制图教学改革[J]. 工程图学学报, 2006, 27(4):138-143.

[2]李 燕. 基于三维设计的工程图学课程体系重构[J].计算机工程与设计, 2007, 28(7): 1705-1707.

[3]童秉枢, 易素君, 徐晓慧. 工程图学中引入三维几何建模的情况综述与思考[J]. 工程图学学报, 2005,26(4): 130-135.

[4]陆国栋, 谭建荣, 张树有, 等. 工程制图课程体系改革研究与初步实践[J]. 工程图学学报, 1999, (4):92-97.

[5]邱 坤, 钱可强. 高职《机械制图》教材编写的思考[J].工程图学学报, 2008, 29(3): 126-133.

[6]刘海琼. 基于广义形体分析法的图学思维形成[J].网络财富, 2008, (9): 218-219.