图学竞赛对图学教学改革和创新的推动

陈海波，陶 冶，吴慕春，黄文勇，张志超



图学竞赛对图学教学改革和创新的推动

陈海波1，陶 冶1，吴慕春1，黄文勇2，张志超3

(1. 华南农业大学工程基础教学与训练中心，广东 广州 510642；2. 华南农业大学教务处，广东 广州 510642；3. 北京天正软件股份有限公司，北京 100081)

结合华南农业大学实际情况，探讨了“高教杯”图学大赛对图学教学改革和创新的推动。从课程体系、教学资源、教学模式、实验室建设以及教师教学科研能力方面进行了阐述，在课程体系方面构建了基础课程和综合提高课程相结合的工程图学课程体系，在教学资源方面建设和优化了基于“互联网+”的教学资源，在教学模式方面试行了基于渐进式阶段项目教学学习模式，在实验室建设方面加强了硬件现代化及开放式学科竞赛实验室建设，在教师能力方面阐述了大赛对教师教学、科研和教改能力的提升。根据高等学校本科教学质量与教学改革工程的建设精神，以“高教杯”图学竞赛为契机，将课堂学习和课外实践相结合，不断探索有利于创新型人才培养的图学教学改革。

大赛；工程图学；创新；教学改革

“高教杯”全国大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛(简称“高教杯”图学大赛)是由教育部高等学校工程图学课程教学指导委员会、中国图学学会制图技术专业委员会、中国图学学会产品信息建模专业委员会联合主办的国内图学类课程最高级别的“国家级”赛事，大赛的理念注重基础、注重前沿，目的是以赛促教，以赛促学，全面提高大学生图学技能，为中国制造业的发展催生和助长大量优秀人才。截至今年，该竞赛已举办9届，其影响规模、竞赛水平受到全国众多高校及工科类院校的重视和认可，被中国工程图学学会盛赞是图学研究、教育、实践和改革上的创新[1]。如何有效培养工程技术人才的创新设计能力，提高工科毕业生的图形表达、团队协作和工程设计能力，是当前工程图学课程教研人员面临的重要课题，依托“高教杯”图学大赛这个平台，通过几届的竞赛前、竞赛中培养、竞赛后提升3个教学环节我校工程图学课程教研团队形成了以工程教育理念为指导，以培养学生工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力为目标的工程图学课程教学改革思路，积累了一些经验。

1 构建基础课程和综合提高课程相结合的工程图学课程体系

《工程图学》是一门以图形为研究对象，用图形来表达设计思维的学科[2]。我国传统的工程图学教育内容侧重于空间图形元素及其相关理论分析、投影规律与形体结构想象、图样表达方式及其作图方法等，教学模式上侧重知识传授、解题技巧和方法讲解。随着计算机技术及几何造型技术的高速发展，传统工程图学逐步向研究产品信息描述、计算机绘图的现代工程图学转变，教学模式上侧重于培养形象思维和进行创新训练[3]。大赛内容也随之逐渐完善成为3项内容，包括尺规绘图，产品信息建模及工程图绘制、自动生成，计算机虚拟设计作品赛。结合教育部2010年提出的《卓越工程师教育培养计划的实施细则》，以强化工程实践能力、工程设计能力与工程创新能力为核心，重构课程体系与教学内容[4]。我校对工程图学的教学目标进行了重新定位，在原有“至详至悉”的图学理论和“皆中规度”的绘制技术规范下，研究如何充分利用现代化的信息技术手段进行工程设计能力、工程创新能力的系统培养。基于这个新的目标重构了工程图学的课程体系和教学内容，见表1。基础课程面向所有专业，主要讲授图形理论基础知识、图形表达基础知识和图形思维基础知识；训练手工绘图基本能力、仪器绘图基本能力和计算机绘图基本能力，使得学生能较好地完成图学大赛的前两项内容。综合提高课程面向机械类、近机械类各专业，主要通过引入工程意识、工程素质、构形理念和设计理念，应用图学的基础知识和基本能力，深入了解工程中、产品中的有关问题，侧重培养提升学生的工程素养。在具体教学内容上融入机械设计基本概念，将形体分析要求提高到结构功能分析，将装配结构的规定表达方法提高到根据功能的结构设计表达和装配结构设计合理性的要求，培养学生注重零件形体结构和装配结构构思的新颖性和创造性，突出基于功能的零部件结构设计和表达，培养学生设计表达能力和形体结构创新能力，综合提高课程的学习使得学生能较好的完成图学大赛的第三项内容。

我校6个工科学院15个与机械有关的专业，食品工程、包装工程等专业，选取的基础课程是工程制图B(48学时)，主要讲授图形理论基础知识、图形表达基础知识和图形思维基础知识，开展一些基本的尺规绘图训练，培养学生三维想象力和工程制图识读与绘制技能；工业工程、家具设计等专业，选取的基础课程是工程制图A(64学时)，除了上面的要求外，还引入工程意识、工程素质、构形理念和一些简单的设计理念，在形体表达的细节上给予更多的分析、实践,让学生能读、能画较为复杂的工程图；机制、机械化与自动化、车辆、交通等专业采用的是画法几何与机械制图(64学时)+综合提高课程(80学时)，其更多地是融入了结构功能分析、构型创新思维、机械设计基本概念、动手能力、计算机虚拟设计、计算机图形表达等，此过程与图学大赛的内容完全匹配，近年来我校成绩一直名列前茅(2016年获团体一等奖)。

表1 《工程图学》课程体系

2 建设和优化基于“互联网+”的教学资源

随着知识经济的快速发展，互联网+教学资源通过内容的层次性、形式的生动多样性和过程的交互性让学生更加积极主动地参与课程学习，为了更好地发挥其作用，在建设和优化网络资源时需注重与课程体系的呼应；注重内容形式的多样性；注重使用者的参与度以及过程的交互性。具体做了3方面的工作：①虚拟实验室，基础课程方面有虚拟模型库及其对应的二维图形库、典型零件、典型机器或设备、组合体模型、多媒体动画库；综合提高课程方面包括零件测绘操作、视频动态拆装模型测绘库、与本行业相关的机器或设备的加工制造过程、组装过程的视频、装配仿真视频等；②网络在线系统，基础课程方面的内容有多媒体课件库、名师讲课视频、计算机绘图培训教程，重难点视频教学库和计算机辅助答疑系统，其系统包括各种题型分析、解题指导、例题等；综合提高课程方面的内容有机械设计案例等视频资源。③介绍工程领域前沿技术和知识，如３Ｄ打印技术、国外高科技生产加工视频库等。

3 试行基于渐进式阶段项目教学学习模式

传统的工程图学课程教学模式注重教师的教授环节，以讲课为主辅助大量习题作业，耗费学时多，学生负担重，但实际教学效果并不理想[5]。如何使学生能够更快、更好以及更轻松地学习和掌握图学基本知识，并且具备强大的思维力、表达力、工程实践能力、工程设计能力与工程创新能力。图学教学部教师通过总结图学大赛中学生存在的问题，同时借鉴国内外同类课程的成功经验，试行了基于渐进式阶段项目教学学习模式[6-7]。整个项目的总目标是完成产品图样，根据教学内容的进度采用渐进式模块划分为4个子项目，分别为零件的构形设计、零件的视图表达方案、零件的技术要求以及零件的装配。每个子项目有单独的目标，但在内容上又互相联系，层层推进，项目模块设计如图1所示。项目式教学模式以实践为导向，教学组织形式以分组和集中讨论为主，教师适当加以引导和评价，表现形式注重多样性和创新。

图1 渐近式阶段项目的模块设计

在课堂教学模式的探索中，结合图学大赛的教学理念，引入了设计概念、学科前言知识及现代教学技术。其一，通过引入设计过程和方法，在传统的图学课程内容中不断融入工程学、设计学、创造学以及对产品全生命周期概念等相关内容，并且不断加以更新，促使学生加深对本课程、对零部件结构与功能及对图形表达等的全方位理解。其二，结合当前科学技术发展的水平，将工程图学基础课程教学与计算机图形学、计算机辅助设计、工程图样智能理解等学科前沿结合起来，形成一个制图为设计服务、制图与设计融合、以培养创新设计能力为主线的工程图学课程体系。其三，在教学中，将传统教学与多媒体教学模式有机地结合起来。如对于教学中的重点和难点，传统方法配合采用多媒体三维模型和视图，必要时演示动画，大大降低学生的理解难度，提高学习效率[8]。教师需要根据自己的授课特点、授课对象，深入钻研教材，结合其教学理念、教学环节安排等诸多因素设计制作具有个性化特点的课件。

4 加强硬件现代化及开放式学科竞赛实验室建设

实验室的规模数量和硬件水平是促进和提升实践教学效果的基本保障。在实验室建设中做了以下工作

(1) 完善模型测绘实验室。教学模型是工程图学课程不可缺少的，学生可以用模型室的构形积木进行自主的创造性构形设计，通过设定包含圆柱、圆锥和球体等曲面立体在内的基本形体，结合截交、相贯等形式，确定合理的表达方案，并将所设计的结构绘制出图样，在此基础上还可以用AutoCAD等软件学习三维建模。二维测绘是维修机器、革新设备和进行技术交流的一项重要的技术工作，也是工程技术人员必备的基本技能之一。学生在对测绘对象进行充分的结构分析和功能分析后，对部件进行系统的拆卸、测量、绘图和重新组装，是一种从实物到图样的反求过程，在这个过程中既巩固了工程图学中零件表达、尺寸标注等重要的基础知识，同时也使学生初步接触和了解了工程设计理念和设计构成。

(2) 增设3D测绘等先进技术实验室。3D测绘是对现有的机器或部件，通过观察、了解和拆卸，使用先进的光学三坐标测量仪测量机器或零件，得到其外部形状及内部构造三维信息，并在计算机上重新建模，最后通过3D打印或其他制造技术将所测机器、零件复制出来的过程，是了解机械产品逆向反求的过程，通过3D测绘课程使学生熟练掌握应用图形软件进行计算机测绘数据处理，提高产品数字化分析表达能力。

(3) 增设开放式学科竞赛实验室。“高教杯”图学竞赛的培训和指导工作一直由图学教学部负责，培训工作室依托于中心的基础实验室。因基于图学大赛教学理念和培养目标，建立了开放式学科竞赛实验室，逐步添加适合学生竞赛用途的制图工具和仪器设备，逐步完善了实验室安全管理条例、实验室设备安全操作规程、开放式实验室值班手册等管理文件，形成了一套开放式学科竞赛实验室的管理运行机制。

开放式图学竞赛实验室为学生参加课外各类成图、建模和虚拟创新设计的训练和辅导以及开展创新实践提供了必要的资源和平台。其以两种不同的模式运行，第一种模式针对图学技能的训练和辅导，教师是主导者，负责实验室的运行和管理。第二种创新模式主要针对开展创新实践等需求，给予学生和教师自主预约的使用权利。图学开放综合实验室只对候选参加图学大赛的学生开放。

5 提升教师教学科研素质和能力

通过参加“高教杯”图学大赛，教师教学、科研和教学改革方面的能力也有很大的提升。

(1) 大赛对教师教学能力的提升主要表现在以下几方面：第一，通过参与赛前指导、培训和赛后总结，教师的教育、教学理念得到提升，重新审视自己的学生，审视自己的职业价值，从而给自己重新定位，树立新的学生成才观；第二，更加重视自身教学水平与教学能力的提高，不断优化自身的知识结构，提升专业技能和实践能力；第三，针对图学教学中普遍存在的课程学时不断被压缩，学生图学技能基本功不扎实，空间表达能力和工程实践能力弱化，教师们在比赛期间及之后针对该问题进行面对面及在大赛群里进行热烈的交流，探索创新型图学应用人才培养模式。建立校际间的相互听课、交流、学习机制，学习其他学校的经验，探索适合自己学校的教学模式。学生评教结果中，图学教学部的2位青年教师在中心排名一直占居前三，有一位教师被评为校级教学名师。在近几年图学大赛中，学生都取得了团体二等奖，2016年又取得了团体一等奖的好成绩。

(2) 科学研究和教学是“源”与“流”的关系，教师要得到可持续发展，必须开发“源头活水”，通过科研又反哺教学，从而使教学与科研互动、互促。通过“高教杯”图学大赛这个平台，第一，青年教师能有机会与图学领域的专家接触、交流，了解本领域的最新研究动向；第二，工程图学是一门工程基础课，承担这些课程的教师在申请科研项目时需要依托相关专业，图学大赛有，机械、建筑、道桥和水利4个类别的团体赛，通过不同专业之间的交流，青年教师不仅开拓了视野，同时也能找到自己感兴趣的研究点；第三，更加关注企业和行业的现实需求，探索具有现实意义或前瞻意义的课题；第四，加强了不同学校、不同地区、不同专业之间的交流与学习，增加了彼此合作的机会，促进了青年教师的快速成长。近年来，图学教学部8位教师中，有3位青年教师主持国家级课题，其中2项是国家青年基金，有2位教师主持省级重点项目，其他3位教师也不同程度地参与到国家级和省级课题中。

通过科研又反哺了教学，教师也找到了课程改革的切入点，华南农业大学工程基础教学与训练中心的图学教学团队在指导学生参加竞赛的过程中，对已有的课程体系、教学方法、培养模式等进行反思，形成自己的教学见解，与时俱进，不断开展工程图学方面的教学改革，取得了如下成绩；主持省部级教学改革4项，校级质量工程1项，校级教改3项，其中1项教改成果获校教学成果二等奖。《园林制图》被评为校及精品课程，主编出版的《工程制图》被评为省级精品教材；发表教改论文6篇。

6 结束语

“高教杯”图学大赛为学生施展图学技能提供了舞台，也为图学工作者提供了交流学习的平台，对图学教育教学起到了全方位的推动作用，促进了教师教学科研能力的提升，推动了图学创新型应用人才培养模式下《工程图学》系列课程在课程体系、教学资源、教学模式以及实验室建设方面的教学改革。以“高教杯”图学大赛为契机，通过课堂学习和课外实践相结合，将知识传授与图学人必需的思维力、表达力、工程实践能力、工程设计能力与工程创新能力培养有机结合，不断探索有利于创新型人才培养的图学教学改革，培养更多符合当今企业需求的图学人才。

[1] 袭建军, 曲焱炎, 栾英艳, 等. 创建新型图学实验室以提高学生实践创新能力[J]. 高教学刊, 2015(14): 163-166.

[2] 杨波, 赵勤, 刘鲁宁. 和合模式下工程图学实验教学改革探讨[J]. 理工高教研究, 2007, 26(6): 107-108.

[3] 陆国栋, 孙毅, 费少梅, 等. 面向思维力、表达力、工程力培养的图学教学改革[J]. 高等工程教育研究, 2015(5): 1-7.

[4] 《教育部关于实施卓越工程师教育培养计划的若干意见》(教育部文件教高[2011]号)[EB/OL]. [2017-04-13]. http://www.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/ s5179/201102/115066. html.

[5] 姜文锐, 宫娜. 拔尖人才培养模式下的工程图学教学研究[J]. 图学学报, 2014, 33(3): 455-458.

[6] 梁艳书, 丛萌, 朱英杰. 基于卓越工程师培养的工程图学课程教学模式的探索与实践[J]. 大学教育, 2016(6): 132-134.

[7] 宋鸣, 吴卓, 魏兴春, 等. 项目式教学在工程图学课程中的探索与实践[J]. 机械制造与自动化, 2014, 43(1): 91-93.

[8] 尧燕. 依托三维工程图学培养学生设计创新能力的探索[J]. 图学学报, 2017, 38(1): 119-122.

The Promotion of Graphics Competition to Reform and Innovation in Graphics Teaching

CHEN Haibo1, TAO Ye1, WU Muchun1, HUANG Wenyong2, ZHANG Zhichao3

(1. Engineering Basic Teaching and Training Centre, South China Agricultural University, Guangzhou Guangdong 510642, China; 2. Academic Affairs Office, South China Agricultural University, Guangzhou Guangdong 510642, China; 3. Beijing Tianzheng Software Co., Ltd, Beijing 100081, China)

Reform and innovation in graphics teaching based on “Higher Education Cup” graphics competition is discussed from five aspects of curriculum system, teaching resources, teaching mode, laboratory construction and teacher’s teaching and research ability in this paper by using the case study of South China Agricultural University. In the aspect of the curriculum system, the curriculum system of engineering graphics was constructed which combined basic courses and comprehensive improvement courses. The “Internet +” teaching resources was builded and optimized in the teaching resources. The progressive stage project–based teaching was tried in the teaching mode. The hardware modernization was strengthened and an open subject competition laboratory was constructed. The effect of competition on the teacher’s teaching, scientific research and teaching reform is also expounded. According to “the undergraduate teaching quality and teaching reform project”, colleges should take “Higher Education Cup” graphics competition as an opportunity, combining with classroom learning and extracurricular practice to actively explore the reform of graphics teaching in favor of the cultivation of innovative talents.

competition; engineering graphics; innovation; teaching reform

G 642.0

10.11996/JG.j.2095-302X.2018010164

A

2095-302X(2018)01-0164-05

2017-04-13；

2017-06-15

2015广东省教改项目(粤教高函173-135)；2017广东省教改项目

陈海波(1973-),女，浙江余姚人，副教授，博士。主要研究方向为农业工程。E-mail：huanongchb@scau.edu.cn