“工程图学”课程教学改革的研究

薛小雯 蔡小华 朱 芸

(江南大学 机械工程学院，江苏 无锡 214122)

“工程图学”作为一门技术基础课程，主要研究如何用画法几何理论将三维实体表达在二维图纸上，而二维图纸是指导生产实践的重要技术文档,图纸上的各种标注、标记可以培养学生工程实践意识。课程的学习提高空间想象力，培养形象思维能力。

随着3D技术、计算机软硬件发展、无纸化生产等新技术的应用，对工程图学的教学也带来了冲击，学生对该各个学校对工程图学的教学改革做了有益的尝试。从阅读文献发表情况来看，有些是从培养形象思维能力的角度出发[1-2]，对课程的培养模式进行了改革；有些是从培养创新能力的角度出发[3-4]，对课程内容和实践环节的练习进行了调整设计；有些是将现代三维造型设计与课程内容有效融合，将三维设计思想引入到课程的教学中[5-6]。在教学方式上，传统的“黑板+挂图”方式已很少，大多采用CAI课件，有些以幻灯片为主[7]，有些用集成的网络版[8]。对实践环节的教学改革，如测绘周的教学目标内容[9-10]、试题库的建立、作业的自动批改等，也做了许多探讨。有些学校结合国外教学[11-12]，从教学理念、突出能力培养和学生兴趣等不同角度出发，对课程教学也做了改革尝试，取得了一些成果。

综上所述，“工程图学”的教学改革主要从内容的调整、教学方式的改变、教学手段的多样化等多个方面实施。江南大学“工程图学”的教学据此进行了设计，首先明确课程的培养目标：图形的表达与绘制、空间形象思维能力培养、创造能力和工程实践意识的培养。其中创新能力和工程实践意识的培养是最终的目标。通过培养目标,调整了课程体系结构、教学内容，并结合现代先进技术和教学理念对教学方法、教学手段进行改革，同时对实施这一改革的主体——教师将提出更高的素质要求。

1 课程体系、教学内容的调整

目前，对于课程体系的改革，主要有三种思想：(1)基础平台与综合提高相结合的模式(融合式)。在运用现代教育技术时，将三维 CAD 技术、构形设计、计算机图形学等新内容融入“工程图学”教学中，加强对学生空间思维和构形能力、创新能力、工程意识的培养。(2)分块协调模式(分段式)。随着计算机技术的发展，在第二学年按学生专业课程的深入情况，分别增加计算机辅助CAD 课程的学习，将工程部分与后续专业课结合。(3)课群融合式(大综合)。将工程图学与后续机械基础课程(力学、机械原理、机械设计等课程)大综合。

江南大学采用融合式的教学思路，已在2013—2015年作了初步探索，从2016年开始正式实施新的教学计划。教学分成两学期，第一学期主要学习基础的画法几何理论、点线面体、立体的交线、组合体、表达方法、轴测图、标准件常用件等内容，同时将以前放在第二学期的AutoCAD软件学习提前到这一期，共安排76学时;第二学期主要学习零件图装配图的绘制，同时学习三维软件的使用及设计方法，共60学时。课程总学时136学时，理论学时88学时，实践学时32学时，上机16学时。将课程的学习由原来大一两学期的学习，调整为大一下学期和大二上学期，金工实习仍安排在大一的第二学期，这样在第二学期课程内容讲解时学生对实体零件已有一些感性认识。

教学内容的改革是核心。受课时限制及现代三维设计在社会上广泛应用的需求，学校在内容上做了以下调整：保留画法几何中和投影相关的主要内容，删减了求解空间点线面之间一般位置几何问题(距离、角度)；在相贯线、截交线的教学中，删减了偏贯、斜交等复杂立体求交线问题；删减手工绘图学时，将手工绘图一部分改为草绘；引入三维软件造型以求达到更好的效果；在组合体部分增加创新构形设计，突出对学生形象思维和创新能力的培养；对零件图和装配图部分的内容也做了较大的调整，将三维设计思想及三维设计软件使用引入，提高对产品的表达能力；零部件测绘部分的教学设计为综合训练，从手工绘草图练习到三维软件绘零件及装配体，再到转化为工程图并进行适当标注，通过这些调整，以强化工程实践能力、工程设计能力与工程创新能力。结合这些内容的调整，学生作业方式的提交和教学方法也做了相应改变，具体安排如表1所示。

2 教学方法与教学手段的实施

确定好教学目标和教学内容，如何才能有效地实施呢？通过研究，课题组认为可以从教材的选用、CAI课件的制作、实践环节的改革、课外学习环节的改革等多方面开展。

2.1 教材的制定与选用

教材作为教学的基础性资源，不仅是知识的载体，更应该体现教学理念、教学目标、教学内容，是提高教学质量的重要保证。目前,《工程图学》教材从编写的模式来看，大部分教材按图学理论和机械制图两部分编写，在编写过程中，按教学目标的不同，在顺序上做了调整，有的以三维设计为主线，有的与机械设计系列课程融合等。从教材的内容来看，对画法几何部分作了较多删改，难度有所降低，机械制图部分以培养学生的形体表达、读图能力、构型设计、学生的创新能力为重点，对立体交线部分做了简化，与三维实体造型结合讲解交线的生成和二维投影图，计算机绘图部分增加三维造型等内容。

目前,机械类选用同济大学《机械制图》教材，该教材属国家优秀教材、规划教材，与教学内容、教学顺序一致。习题集选用自编的习题集，同时在学生的课外学习中，辅助选用校编教材，主要有蔡小华主编的《工程制图》和蒋晓主编的《AutoCAD2014中文版机械设计标准实例教程》。三维设计软件根据专业和教师不同，主要使用UG、Creo和SolidWorks等软件。教材内容中充分体现了教学思路，将实用性、创新性的观点贯穿于其中，如蔡小华主编的《工程制图》增加了徒手绘平面图、绘轴测图等内容，它是现代设计中的第一步，同时也锻炼了学生现场表达能力；在讲解点线面的投影及性质时，直接将点、线、面放置在体上，使学生一开始就从体的角度出发学习，更符合认知规律；在组合体部分，增加组合方式的类型，不只是叠加、切割，结合三维技术，还有拉伸、旋转、扫掠等方式，同时将构形设计引入，这也是对学生发散思维和创造力的培养。这些教材内容以培养学生的创新能力和实践能力为主线，提高学生的读图绘图能力，能使教学目标得以实现。

表1 教学内容的调整

2.2 课堂学习CAI课件制作

课堂学习是学生掌握知识、教师实现教学任务的重要过程，课堂教学的灵活多样可以使学生在同样的时间内掌握更多知识。

目前,大部分学校制图课程已经采用多媒体教学，教学课件中真实的立体投影、新颖的动画表现形式能使学生快速进入三维立体空间，使学习直观化和形象化，同时信息量大，在有效时间内可以传授更多的教学内容。但是多媒体课件也有它的缺点，信息停留在学生大脑的时间短，记忆不深刻，学生作业效果差。传统的教学，课堂用时多，信息量少，能引导学生一步步思考问题，熟悉解题的过程，对照实物模型的绘图更加符合认知规律，特别是对于想象力差的同学，更容易让他们建立起空间概念，强化学生规范化、标准化的徒手绘图意识。

在课堂教学中，主要以CAI课件为主，除采用与教材配套的课件外，还自制幻灯片，主要以PowerPoint 为主，将教学内容、教学目标融入课件中。幻灯片集文字、图形、动画于一体，平面图用PowerPoint自带的绘图功能和AutoCAD软件绘制，三维立体用AutoCAD 或UG等软件构建，动画用 Flash等软件制作，创设一个灵活显示教学内容、实现互动的学习情境，以激发学生的学习兴趣和主动性。如在截交线和相贯线的讲解过程中，通过计算机建模后运用交并叉集的方式形成立体的交线，再形成投影视图，将这一过程做成动画，链接在幻灯片课件中，形象直观，可在有效时间内学习更多内容；在工程图教学部分，录制部分典型零件加工过程，拍摄常见标准件及零件表达图片，用于课堂教学中，可提高学生的工程意识。此外，在讲解例题时，运用黑板板书“+”实物模型的方式，实物模型直观明了，板书的书写过程是对问题的分析、解决过程，帮助学生更好地掌握知识。

2.3 实践环节训练

在教学环节中，作为教学的另一主体——学生，如何有效地掌握所学内容，完成既定的教学目标，就需要在实践环节进行合理安排，设计出行之有效的方案。

在练习方式上，主要有尺规绘图、绘草图、计算机绘图。尺规绘图主要用于习题作业的训练，掌握课程的基本内容，熟悉国家标准规定。在作业内容方面，与教学内容同步；与改革前相比，除基本的知识点训练外，平面图和轴测图部分增加草绘练习；组合体部分增加一题多解、一形多种形成方式等构形练习；表达方法和零件图部分增加方案和典型零件表达方法强化等训练；CAD绘图训练与课程进度同步，熟练掌握CAD绘制二维图。作业的合理安排可增强学生绘图能力、空间思维能力的训练。

零部件测绘是机械制图中培养学生能力必不可少的实践环节，是学生对本课程所学知识的综合运用。零部件测绘以分组的形式进行，测绘对象是齿轮油泵，在了解其工作原理后，要求先绘制草图，然后采用计算机来绘制零件图和装配图。这样可以综合训练学生的徒手绘图和计算机绘图能力。在绘图过程中，将加工、工艺、设计理念等融合到测绘实验中，起到综合训练的效果。

模型制作可以通过绘图软件三维构型设计来完成，这样既能训练学生的计算机绘图能力，也能激发学生的自主学习能力，进一步开拓他们的想象空间，培养学生的创意设计能力。此外，选用教材中零件不多的铜球阀为例，先三维造型，并装配成部件，然后转换成工程图，从视图转换到表达方案的选择，加强表达能力和工程意识的训练。

除基本知识掌握外，增加的主要实践环节训练内容，如图1所示。

图1 实践环节练习

2.4 课外学习环节补充

除课堂教学外，为配合教学内容的掌握，还制作了三维电子模型库、构形设计训练软件和典型产品的加工录像等作为课外补充。

三维电子模型库采用Flash软件制作，用Dreamwave合成，便于将来在网上浏览。三维电子模型库主要制作了立体截交线、相贯线、组合体和表达方法四章节主要习题的动画，对学生快速建立空间概念起到帮助作用。每部分都设计一个界面，将这部分的习题列于其中，图2是三维电子模型库截交线部分的网页，点每幅图的文字就可链接各图的flash动画，动画展示立体的形成过程并最终显示立体的二维投影图[12]。构形设计训练软件用VB设计主界面，有一题多解等训练题，选择题、判断题可在软件界面中选择，需要大量画图的题，可用VB调用AutoCAD，或直接打开CAD界面绘图，如图3所示。

图2 三维电子模型库

(a) 构形练习主界面

(b) 组合体部分构形练习

3 教师素质的提高及考核体制的改革

教学改革的完成与实施都是由教师作为主体来完成的，学术生命是高校教师的第二生命。基础课教师队伍，虽然也参加科研项，但受课程繁重、研究方向、现有考核体制等因素的影响，加上青年教师都是博士毕业到校，都有自己的专攻方向，造成制图教师严重缺编。

创新和实施新的教学改革需要稳定教师队伍，一方面要减轻制图教师的教学负担，鼓励并在政策上支持制图教研室搞科研；另一方面要引入年轻教师参与教学和教研工作，从根本上稳定教师队伍，同时改革教师评价机制，通过改革绩效评估机制，保证改革顺利进行和实施。

4 结语

通过对“工程图学”教学目标的制定和教学内容、教学方法立体化的改革，有效地提高了教学质量和教学效果，对学生思维、创新能力的开拓起到了很好的作用。实践环节的综合训练和课外学习软件的使用，使得学生的工程实践意识、形象思维和空间想象力得到了更好的训练。

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