基于系统工程视角的工程制图教学改革与实践

陈 亮，武玲玲，张瑞秋，熊 巍，秦志南



基于系统工程视角的工程制图教学改革与实践

陈 亮，武玲玲，张瑞秋，熊 巍，秦志南

(华南理工大学设计学院，广东 广州 510006)

将系统工程中的霍尔三维理论与工程制图课程教学体系相结合，系统性、综合性地从时间维、知识维和逻辑维分析了课程学时、教学内容和教学手段之间的联系和相互影响。进一步以新工科建设理念为最新要求，从移动学习、讨论课教学、创新案例教学、沉浸式学习等方面提出了工程制图课程改革的几个方案和措施，并进行了教学实践，取得了较好的效果。

工程制图；系统工程；创新教育

工程制图课程是我国工科大学生必修的一门技术基础课，其主要教学目标包括：培养学生的空间形象思维能力、工程基本素质和创造性构型设计能力。工程制图课程体系经过几十年的发展已经取得了长足的进步。然而随着信息时代的快速到来，智能制造、虚拟制造、交互设计等新兴工程技术手段大量涌现，尤其是以“中国制造2025”和“互联网+”等重大战略为依托的2017年“新工科”建设理念的提出，确定了以培养科学基础厚、工程能力强、综合素质高的工程科技人才作为未来人才培养的重要方向，对传统的工程制图课程教学体系提出了新的要求[1]。结合当前工程制图课程教学现状可以发现，一方面，创新能力、三维构型设计能力、多学科知识交叉综合应用能力等必将与工程制图教学更多地融合；另一方面，由于各专业教学计划和教学内容的调整，工程制图授课学时逐年缩减，造成了教师不得不在更少的学时下却要完成比以往更多教学内容的情况。与此同时，诸如MOOC、SPOC、移动学习(M-learning)、虚拟现实、增强现实等新型教学手段的不断出现，也使教学体系和教学方法必须做出相应的改变。如何从课程学时、教学内容和教学手段等进行改革，已经成为当前工程制图课程教学中亟待解决的问题。

本文借鉴系统工程霍尔三维结构的理论，从系统工程的角度解读了工程制图课程教学体系，分析了未来发展趋势，进一步根据时间维、知识维和逻辑维的相互关系，提出课程改革的几个关键问题和应对方案，并进行了实践探索，为未来基于新工科建设理念的深层次课程改革提供了经验。

1 基于系统工程理论的工程制图课程结构

1.1 霍尔三维结构概述

霍尔三维结构是美国工程师霍尔在1969年提出的系统工程方法论，其给出了大型复杂系统组织、计划、设计和实施的基本原则，具有普遍的指导意义[2]，霍尔三维结构原型如图1所示。该结构是由时间维、知识维和逻辑维组成的立体空间结构。时间维表示系统工程活动从开始到结束按时间顺序排列的全过程，知识维表示需要运用到的各种知识和技能；逻辑维表示每一个阶段内所要进行的工作内容和应该遵循的思维程序。霍尔三维结构体系形象地描述了系统工程研究的框架，对其中任一阶段和每一个步骤，又可进一步展开形成分层次的树状体系。以霍尔三维结构作为基础的系统研究已经普遍应用到了项目管理、质量监测等众多领域。

工程制图课程的教学活动本身就是一个复杂的系统工程，不仅具有随时间推进的各类知识、技能的要求，也有教学手段和教学方法的实施，是多种内容的综合，这些与系统工程的要求是一致的。霍尔三维结构集中体现了系统工程方法的系统化、综合化、最优化、程序化和标准化等特点，因此从系统工程的视角将工程制图课程教学体系与霍尔三维结构体系相结合是必要的，也是可行的。

图1 霍尔三维结构原型图

1.2 工程制图课程霍尔三维结构的建立

虽然工程制图课程的教学活动具有系统工程的一般特点，但也有自身鲜明的教学特征，例如在不同阶段需要传授不同知识，各阶段的知识逐渐深入，在后续阶段需要运用多种知识综合解决问题。另外，随着新的教学内容和新兴技术手段的引入，教学活动各部分的内容也在不断变化。本文借鉴霍尔三维结构的思想和原型，结合工程制图教学要求和课程具体特点，提出了工程制图课程霍尔三维结构，如图2所示。

图2 工程制图课程霍尔三维结构图

在图2中，时间维按学时渐进。本文以华南理工大学机械类制图课程“画法几何及机械制图”为例，共112学时，分成48学时和64学时两个学期完成，此处将每10个学时划为一个区间。

知识维主要按照工程制图课程需要掌握的各类知识渐进排列，其中计算机绘图、创新设计与产品表达是近年来新工科建设理念中数字制造和智能制造要求下的必备技能。

逻辑维指的是为了使学生掌握课程要求的各项知识所采用的教学方法和教学手段。对于教师的教学活动来说，每一个方法和手段中都包含了确定目标、提出问题、综合分析、决策实施、反馈优化、评价评议等环节。

从图2可以看出，随着时间维的延伸，知识维方面的要求越来越高，尤其在学生的创新能力培养和以产品表达为代表的知识综合运用能力培养方面，已经在教学中占据了相当可观的学时，对于提升学生的创新思维能力起到至关重要的作用。

另一方面，逻辑维所给出的教学方法和教学手段大都也随着学时的渐进而逐渐丰富，板书式和多媒体式的课堂讲授等被动学习模式已经不能满足新工科教学理念中有关多元化、创新型人才培养的要求，因此翻转课堂、讨论学习、协作学习、沉浸式学习等新型主动学习模式便成为有益的补充，甚至有可能成为未来学习的主要模式。主动学习模式大都要在学生掌握了一定的空间思维能力和图形表达能力之后开展，与教学活动后期知识维所要求的创新设计能力和知识综合应用能力训练相对应。同时，逻辑维也有一些教学手段得益于智能化教学资源和教学设备的发展，能够贯穿教学活动始终(如慕课、移动学习等)，往往不受时间、地点、教师等条件的限制，学生可以随时听讲、答疑、提交作业等。这种学习模式既是主动学习，也是智能学习，主动学习需要智能化的软硬件支持，而智能学习又需要主动学习的理论加以指导。

综上所示，时间维、知识维、逻辑维3个维度相辅相成，相互制约，共同构成了工程制图课程的三维结构。高层次知识维的教学活动需要高层次逻辑维的教学方法的支持，后期不断延伸的时间维的课程学时需要高层次知识维教学活动和高层次逻辑维教学方法的共同辅助。因此有关工程制图教学改革的关键点都位于3个维度的较高层次位置。该三维结构是系统工程霍尔理论在工程制图课程中的具体运用和进一步发展，从系统工程的视角揭示了工程制图课程的教学内容、教学要求和教学规律。从该三维结构中可以清楚地看出，如何在有限的教学学时内，采用合适的教学方法和教学手段，对学生的创新设计能力和知识综合运用能力进行培养，以适应未来新工科多元化、创新型人才培养的要求，已经成为当前工程制图课程改革的主要方向。

2 工程制图课程改革与实践

2.1 移动学习

移动学习是近年来在国内外兴起的新型学习模式，是一种在先进智能移动终端的帮助下，能够在任何时间、任何地点、以多种形式进行知识获取的学习模式。工程制图课程具有图形表达丰富的特点，非常适合采用触摸屏操作的移动方式进行学习。本文对移动学习进行了一定扩展，提出将知识内容与游戏相结合的工程制图移动学习游戏，不仅发挥了移动学习的特点，还增加了学习过程的趣味性[3]。

在教学实践中，移动学习游戏按照以下原则进行设计：

(1) 随时随地学习，充分利用碎片时间；

(2) 寓教于乐，具有愉快的学习体验；

(3) 任务短小，操作简单，减少学习者的认知负担；

(4) 实时反馈，双向交流。

根据以上原则开发完成的游戏界面如图3所示，其是一款基于工程制图课程投影知识的移动学习游戏，训练内容为基本体和组合体的三视图，学习过程以一个主题游戏的形式分多个关卡展开。学生通过触摸屏幕中的三维立体来进行旋转、移动、缩放等操作，在规定的时间内将前方的三维立体的显示角度调整到与给定的二维投影相匹配即可完成任务，进入下一关卡。移动游戏学习任务以课后作业的形式布置给学生，充分利用课余碎片时间，成绩管理程序化、自动化，学生在愉快的学习体验过程中实现对三维立体及其投影的认知。

2.2 讨论课教学

讨论课教学是一种基于问题导向和同伴互学理念的教学模式，是近年来华南理工大学本科课程改革的重点方向之一。与一般讨论课教学不同，本文针对机械制图作业量大、学生易错知识点过于重复的问题，设计并实践了机械图样互评互改讨论课的形式。以齿轮减速箱大作业为例，讨论课具体实施过程如下：

图3 工程制图移动学习游戏

(1) 每名学生首先完成各自的齿轮减速箱图样；

(2) 将全体同学完成后的图样进行张贴，每名学生以评阅人的身份对所有图样进行巡视评阅，用标签纸标出图中错误并写上自己的姓名；

(3) 学生将自己绘制的图纸找回，根据标签纸上标记的错误进行修改，若对错误有疑问，找对应姓名的同学讨论；

(4) 教师与学生共同总结各类错误，并进行解答；

(5) 学生完成错误修改，上交作业，教师作最终批改。

图4为讨论课实践中学生的审阅过程和作业情况。

图4 齿轮减速箱作业互评互改讨论课

通过作业互评互改形式的讨论课，学生扮演了绘图人和评阅人的双重角色，尤其在担任评阅人的环节中，在评阅其他同学图样的同时发现和纠正自身的错误，从而能够深刻理解和记住错误产生的原因。与传统的完全由教师批改减速箱大作业的方式相比，既减轻了教师的工作强度，又提高了效率。讨论课是一种“动笔”、“动口”、“动脑”、“动心”相结合的综合学习模式，在训练学生的领导能力、团队精神、工作责任方面有明显的效果。

2.3 创新案例教学

创新案例教学是项目式学习或探究式学习的一种，能够很好地培养学生的创新思维能力、知识综合应用能力和产品设计能力[4]，是新工科建设理念下重要的教学手段。但创新案例教学往往需要较多的教学学时和一定的场地、设备支持，这成为制约工程制图课程引入创新案例教学的一个瓶颈。经过教学实践和硬件调研，将AutoCAD平面绘图教学和激光切割机板材加工技术相结合，实践了一种板材类拼装产品的创新案例教学[5]。具体实施过程如下：

(1) 进行传统的AutoCAD平面绘图教学；

(2) 将学生按3~4人分组，自主提出拼装产品设计方案，可以是玩具、家具模型、建筑模型等；

(3) 小组成员完成方案论证后，分工合作进行AutoCAD平面绘图；

(4) 利用激光切割实验室开放时间，完成产品零件板材的切割，并进行产品组装；

(5) 作品展示，评议，答辩，完成实验报告。

部分学生作品如图5所示。

图5 板材类拼装产品的创新案例教学

板材类拼装产品创新设计案例教学能够与AutoCAD教学内容完美结合，不仅增加了学生的学习兴趣，锻炼了动手能力，更激发了其创造欲。实施过程中并未增加额外学时和过多软硬件花费，激光切割过程利用习题课时间并结合实验室自主开放时间，所采用的激光切割机目前大多数高校都有配置，价格在几千至几万元不等。在创新设计案例教学过程中所体现的创新意识、师生互动、实践技能、团队协作等都是新工科建设理念下着重强调的教学内容。

2.4 沉浸式学习

沉浸式学习是随着近年来计算机图形图像技术发展起来的一种具有高度真实体验感的学习方法[6]，从其所采用的技术角度可以分为虚拟现实技术和增强现实技术。虚拟现实技术通过立体头盔和立体眼镜等设备将使用者带入一个完全三维的虚拟空间，并能够通过听觉、触觉、力觉、运动等方式对这个虚拟环境进行感知，与其进行交互。增强现实技术是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间、空间范围内难以体验到的实体信息，通过模拟仿真技术将其与真实环境相叠加在同一个画面中，能够被使用者同时感知。

2.4.1 基于虚拟现实技术的工程制图学习

工程制图教学过程中通常需要购置大量的装配体模型进行拆装实验和测绘实验，而受制于存放场地和购置费用的限制，装配体模型往往无法大量采购，也难以及时更新。同时，在实验室进行的产品拆装过程缺乏真实工况支持，并且存在一定的安全隐患。采用基于立体头盔和手部姿态传感器构建的虚拟拆装系统，可实现具有高度仿真效果的虚拟拆装实验。学生佩戴好实验设备后，可以对虚拟场景中的零部件进行移动、翻转、装配、拆解等操作，如图6所示。

具有高度真实感体验的装配体拆装系统可以进行任意种类和数量上的扩充，能够快速提高学生对零部件原理和结构的认知，具有真实性、互动性、安全性和趣味性。

2.4.2 基于增强现实技术的沉浸式学习

增强现实技术能够利用智能设备的摄像头实现真实场景和虚拟场景的叠加，并进行互动。经过教学实践和近年来新形态教材的编写经验，开发了基于增强现实技术的工程制图习题解答系统，如图7所示。该系统基于Unity 3D和Vuforia等增强现实开发技术，在手机端实现了摄像头影像与立体模型的叠加。学生只需通过手机摄像头对题目进行拍照，就可以自动呈现该题目的立体模型，并能够通过触摸屏实现旋转、缩放、移动等操作。基于增强现实技术的工程制图习题解答系统，以学生自学为出发点，实现了二维投影视图和三维立体模型的实时对照，是未来纸质图书和电子化资源结合的有效手段。

图6 基于虚拟现实技术的装配体拆装实验

图7 基于增强现实技术的习题解答系统

以虚拟现实技术和增强现实技术为代表的沉浸式学习处于工程制图霍尔三维结构逻辑维的较高层，在实现难度上也最大，但其所带来的真实体验感最强，对知识维的支持也最好。其本身所具有的主动学习、探究学习和智能学习都是未来工程人才培养的重要手段。

3 结 论

随着新工科建设理念的提出，工程制图课程作为工科大学生必修的技术基础课必然面临着教学内容和教学手段等方面的改革。本文基于新工科人才培养的要求，从时间维、知识维和逻辑维3个维度建立了工程制图课程的霍尔三维结构图，论述了3个维度之间的关系，并进一步提出了针对逻辑维的教学改革思路和方法。近年来通过移动学习、讨论课教学、创新案例教学和沉浸式学习等方面的改革实践，教学质量和教学效果有了显著提升，取得了较好的成绩，如参与改革实践的学生连续九次夺得“高教杯”全国大学生成图技术与产品信息建模创新大赛团体一等奖、夺得2017全国大学生机器人大赛总冠军、多名学生进入世界技能大赛集训队、多项设计获得专利授权等。实践证明，处于逻辑维较高层次的教学方法和教学手段的改革能够较大幅度增进学生的创新能力、实践能力和综合知识运用能力，是未来新工科人才培养的重要方式之一。

[1] 陆国栋, 李拓宇. 新工科建设与发展的路径思考[J]. 高等工程教育研究, 2017(3): 20-26.

[2] 岳志勇, 丁惠. 基于霍尔三维结构的技术创新方法培训体系研究[J]. 科学管理研究, 2013, 31(2): 20-22.

[3] 陈锦昌, 刘菲, 陈煌, 等. 基于工程制图课程投影知识的移动学习游戏设计[J]. 东华大学学报: 自然科学版, 2016, 42(4): 608-616.

[4] 李明华. 教育变革的新职业: 学习工程师——美国麻省理工学院最新研究报告评述[J]. 开放教育研究, 2016, 22(3): 24-36.

[5] 陈锦昌, 陈亮, 张瑞秋, 等. 基于构型设计的制图课程中设计环节的探索[J]. 图学学报, 2013, 34(1): 105-110.

[6] HERRINGTON J, REEVES T C, OLIVER R. Immersive learning technologies: Realism and online authentic learning [J]. Journal of Computing in Higher Education, 2007, 19(1): 80-99.

The Teaching Reform and Practice of Engineering Drawing Based on the System Engineering

CHEN Liang, WU Lingling, ZHANG Ruiqiu, XIONG Wei, QIN Zhinan

(School of Design, South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510006, China)

By combining the Hall three-dimensional structure with the teaching system of engineering drawing, this paper analyzes the interrelationships among course hours, teaching contents and teaching methods through the perspectives of time dimension, knowledge dimension and logical dimension in a systematic and comprehensive way. Moreover, under the guiding of new engineering disciplines, we present some new teaching methods and teaching skills in engineering drawing course, including mobile learning, seminar teaching, innovative case teaching, immersive learning and so on. Our teaching practice has demonstrated that these reform measures can significantly improve teaching quality and effectiveness.

engineering drawing; system engineering; innovative education

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2018061214

A

2095-302X(2018)06-1214-06

2017-07-09；

2017-11-19

广东省自然科学基金项目(2016A030310420)；中央高校基本科研业务费项目(2017BQ081)；华南理工大学本科教研教改项目

陈 亮(1975-)，男，山东鱼台人，副教授，博士。主要研究方向为工程图学、信息与交互设计。E-mail：earchen@scut.edu.cn

张瑞秋(1972-)，男，河南鲁山人，副教授，博士。主要研究方向为计算机图形学、虚拟现实、工业设计。E-mail：rqzhang@scut.edu.cn