基于新工科思想的机械制图课程改革与实践

周 蕊 金玉阳 侯晓云 孙艳坤 张 攀

（中国民航大学航空工程学院，天津 300300）

机械制图是一门着重培养学习者空间思维能力和构思创想能力的课程，同时也是一门实践性非常强的重要专业基础课程[1]，为学生学习后续相关课程、完成课程设计和毕业设计打下基础。学习这门课程对学生的空间认知能力、想象力、绘图能力都有较高的要求，但实际教学中发现，很多学生缺乏构思创想与设计实践能力。

本文按照工程教育改革[2]思路，以新工科理念的人才培养模式为改革方向，深入分析了机械制图课程的现有教学体系以及目前存在的问题，并针对当代大学生的特点，提出教学改革设计方案及具体实施过程，以发展学生的自我探究意识与实践创新能力。

一、课程现有教学体系及存在的问题

目前机械制图课程由上下两学期分开授课，全年共92学时，其中包含上机8学时。教学模式主要是采用多媒体教学讲授完成，同时结合教具模型和虚拟模型进行辅助演示，加深学生对各知识点的理解；零件图和装配图则主要采用实例讲解结合绘图训练的方式来培养学生的工程实践能力；上机主要讲解演示SolidWorks及CAXA软件的操作方法。考核方式主要采用闭卷、笔试方式进行。

虽然现有的教学手段越来越丰富，除了传统教具模型的使用，还引入了虚拟模型库、以及三维造型软件的应用，但学生的学习与吸收效果并没有大幅提高。总结起来，主要存在以下几方面问题。首先，教学内容有待进一步优化升级。由于现代化的教学手段不断升级，使课时较之前大幅缩减，加之大一学生缺乏实践，想学好制图这门专业基础课程，做到灵活运用，确实不易。因此，如何利用有限的学时将基本理论与实践能力相结合是需要思考的问题。其次，教学模式与方法有待更新。虽然目前的教学手段丰富多样，但本质都是以教师为中心的演示和讲授，如何转变这种教学模式，从学生的学习需求和学习可能性出发进行教学设计，也是需要思考的问题。再次，教学管理的组织方法有待改进。主要是实践教学环节，由于班多学生多，效果并不理想，抄图严重，很多同学白白浪费了绘制大图的锻炼机会，因此，如何在保证教学效果的同时，对学生进行有效的组织管理，也是急需解决的问题。总之，需要转变教学思维模式，以学生为中心，深化工程教育改革，实现以教促学向自主学习方式的转变。

二、学生需求分析

当代大学生的特点是思维活跃、喜欢接受新事物、思想积极且有创新意识和欲望，但同时他们也叛逆自我、热衷于网络且自制力较弱，学习有时常带有功利性，并且缺乏实践[3]。由于大一新生的认知水平有限，很多学生不能认识到前期基础课与后续专业课程之间的联系，故具有功利性的认知特点，学习的重视程度不够。

因此，针对学生的这些心理特点，除了思想上的正确引导外，更重要的是最大限度地激发他们的学习兴趣。对于这一代的孩子，兴趣非常关键，可以激发他们的学习潜能，让他们产生持久的学习动力。而计算机与互联网成为他们的学习工具，则是按照他们的学习习惯去培养对课程的学习兴趣，解决他们在课程中的困难。同时，基于国家战略发展新需求、国际竞争新形势、立德树人新要求而提出的工程教育改革方向，探索实施工程教育人才培养的新模式。

三、教学改革设计与实践

针对当代大学生的特点和目前制图课程教学中存在的问题，按照工程教育改革思路，制定教学改革基本框架，以优化升级教学内容，更新教学方法、改进教学管理，如图1所示。从学生的学习习惯出发，贯彻工程教育改革理念及新工科思想，进行教学改革设计，基于信息化交互式虚拟教学平台实施体验式、项目式教学改革建设方案，充分调动学生的学习兴趣和主动性，引导学生课外自主学习；同时，借鉴双效优化思路进行教学组织与管理模式的改进，以保证教学效果与目标的实现。

图1　教学改革思路基本框架

按照上述教学改革设计的基本思路，提出以下具体实施措施。

1.基于CAD虚拟学习环境的体验式教学

从制图学习开始，很多学生反映空间想象力差、构思困难，单纯使用讲授不利于学生对知识的消化和吸收，即使采用现代教学演示方法，其效果并不显著。故体验式教学是一种不错的尝试，让学生利用CAD虚拟学习环境直接参与其中，易于培养他们的观察和认知能力[4]。

首先，充分利用计算机绘图软件功能。学生可以利用软件的模型树和尺寸编辑功能，自行观察模型的截交线和相贯线的变化过程。同时，可利用多视图展开显示功能去观察各视图方向的投影，帮助学生形成由三维到二维思维的转换。当学生自己有了一定空间想象力以后，再结合CAI课件听老师的讲解，才会更容易理解。

其次，将增强现实技术应用于制图教学，如图2所示，利用AR虚拟模型库培养学生的空间想象力。以教材、习题册等学习材料为基础，将虚拟的立体模型逼真地展现在现实的学习材料上，学生可在智能手机或平板电脑上通过App进行体验操作，实现模型的移动、翻转或剖切等互动观察，既增加了学习的趣味性，又极大地扩展了学习的时间和空间，对于辅助课后自主学习很有益处。

图2　AR虚拟模型库

2.基于项目式教学的改革与实践

按照工程教育改革及新工科思想，将项目设计内容进行重新的梳理优化，注重各知识点之间的联系，细化每一模块的项目任务，明确每一阶段的项目目标[5]。例如，将绘制减速器装配图作为项目最终任务，并以此展开制定零件图绘制子任务，同时将计算机绘图教学计划融入项目任务之中，以小组为单位团队协作完成。在零件图绘制的子任务中，每个小组成员绘制的零件都围绕减速器中的零件展开，有轴类、盘类以及箱体类零件，其视图表达方法、尺寸标注要求以及技术要求的标注等知识都需要从老师课堂讲授的知识点中获取，这样可使学生有目的地去听每一堂课，实现以教促学到自主学习的转变。同时融入计算机绘图，每位学生在保证手绘两张零件图的基础上，使团队完成减速器所有非标件的建模，由于工作量较大，每组仅依靠个人很难完成任务，只有团队协作才可完成，最终，以小组为单位，提交减速器的三维虚拟模型，以及装配图作为终极任务考核。

此外，教师应多鼓励并指导学生参与学科竞赛活动，通过课外启发式、讨论式教学，培养学生的实践应用与创新设计能力。比如，组织学生参加投影制图竞赛以及CAD制图竞赛，学生可通过竞赛对制图知识和技能的掌握进一步巩固；指导学生参加机械创新设计大赛、工程训练大赛等工程实践类活动，引导学生在完成项目的过程中，将多门课程的知识进行有效地融合，活跃学生的思维，激发其创新意识，持续提升学生的工程实践能力。

3.双效优化教学管理方法

基于工程教育理念的项目式教学本身更适合于小班教学，若没有行之有效的管理方法，再好的项目教学设计也没有好的教学效果。本文借鉴双效优化管理模式[6]，即“效果—效率”双优化，解决授课班级规模大，学生组织困难的问题，同时保证项目教学的效果。

首先，实行组长管理责任制。每班约100人，5-6人一组，约20组，采用自愿分组，教师微调的方式，确保每组至少有一人可以起到模范带头作用。在项目教学的实施过程中，任课教师主要跟进组长，检查每组进度，定期抽查组员，这种管理模式，利于每位同学在小组内互相学习、讨论，培养的团队协作与沟通能力。

其次，充分利用网络互动平台资源。为了提高课堂效率，可将课件及相关项目材料提前放入Bb教学平台，或移动学习系统，方便学生课后预习复习。此外，利用微信互动平台，建立师生互动群，及时交流项目实施过程中发现的问题，并进行意见反馈。

最后，建立合理的评分体系，注重过程的考核。为了强调过程考核，将学生注意力从期末考试转移到过程考核中来，可继续加大平时成绩的权重，尤其对于零件图和装配图的学习。同时，细化考核内容，配合项目教学的任务制定阶段性的考核要求。采取组合打分，教师给小组打分，组长给组员打分的方式，促进互相监督，共同合作。

四、结束语

本文基于新工科思想对机械制图课程教学改革进行了一些思考与探索。以学生为中心的人才培养模式，深化工程教育改革，借助虚拟教学平台实施体验式、项目式教学改革建设方案，在保证教学效果的前提下，以效率提升为目标进行教学管理方法的改进。在提高教学效能的同时，实现学生从以教促学向自主学习方式的转变，发展学生的自我探究意识与工程实践能力。