“新工科”背景下船体制图课程教学过程控制及问题导向研究

白 旭 王志标 罗小芳

1.江苏科技大学船舶与海洋工程学院 江苏镇江 212003 2.渤海船舶重工有限责任公司船舶设计研究院 辽宁葫芦岛 125001 3.江苏科技大学经济管理学院 江苏镇江 212003

随着《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》的发布及“新工科研究与实践”项目的启动，“新工科”成为当前工程教育领域的热门话题，激发了人们对新时期工程人才培养的内涵特征、“新工科”建设与发展路径的深思[1]。

当前我国工科人才培养存在目标定位不清晰，工科教学理科化，对通识教育与工程教育、实践教育与实验教学之间的关系和区别存在模糊认识，工程教育与行业企业实际脱节太大，工科学生存在综合素质与知识结构方面的缺陷[2]等问题，“新工科”是指在新形势、新环境、新需求下，如何培养新型的工科学生，是对工科学科建设的优化再造和内容升级，以及对于未来工科学生培养目标、培养方式和培养内容的探索[1]。

船舶与海洋工程专业作为我国工科教育体系的重要组成部分之一，是主要培养具备现代船舶与海洋工程设计、制造和技术研发的基本技能，计算机编程及应用能力，能在船舶与海洋结构物设计、制造、科研、检验和管理等部门从事相关工作的工程技术人才[3]。“新工科”的提出对船舶与海洋工程专业人才的培养也提出了新的要求，特别是《中国制造2025》把海洋工程装备和高技术船舶作为十大重点发展领域之一加快推进[4]，使得进行深入的探讨和改革具有紧迫性。

船体制图作为船舶与海洋工程专业的基础必修课，是一门理论和实践性均很强的课程，具有专业典型性，其教学目标的设定以及教学效果的好坏很大程度上影响了学生对整个专业的理解和专业素养的形成。因此，本文针对“新工科”背景下船体制图课程的教学展开深入的研究，一方面，深入分析“新工科”对船体制图课程教学提出的新问题及相应的应对方法；另一方面，以点带面，为船舶与海洋工程专业如何符合“新工科”的要求以及进行改革提供参考。

1 “新工科”背景下船体制图课程教学的挑战

“新工科”是随着新工业革命(第四次工业革命)的发展应运而生的。工程领域呈现出的诸多新发展趋势也将影响着高等教育系统的演变和人才培养。

智能制造是《中国制造2025》的主攻方向，也是船舶工业的重要趋势。与传统制造模式相比，智能制造突出了知识(即信息)在制造活动中的价值。船舶产业产品种类繁多，产品和工艺的复杂程度不同，制造周期不同，部件特点各异，生产批量不定，因此在实现高效、有序、均衡、柔性的生产上具有更大的难度。并且随着产品结构的复杂化、精细化及功能的多样化，产品在制造和管理过程中产生的信息量呈爆炸式增长趋势，如何优化系统的形态，提高其信息处理的能力和效率成为关键挑战。智能制造、信息化等工业工程的趋势也对未来人才的定义进行了更新，2012年美国国家科学院发布的一份报告指出“21世纪的技能”是人类能力的重要维度，由认识、内省和人际三类能力构成(如图1所示)，如有效的交流、批判性思维、系统思维、问题解决、协同合作、数据决策、创新创业和自我管理等技能[5]。工业和商业届越来越要求工程专业培养学生的“21世纪的技能”。

图1 “21世纪的技能”结构[5]

能力与学习成果都可以描述学生在具体课程和专业学习中所获得的学习成就，能力一般用于描述学生毕业后所具有的大知识、技能和行为，学习成果则是非常具体地描述学生完成一门课程后可以做的事情，是可以测量或评估的。

根据“新工科”对人才能力的要求，周开发提出了新工科学生应达成的6项本质性学习成果：(1)人文、科学与技术基础知识；(2)智力与实践技能基础；(3)职业能力；(4)伦理、价值、态度与行为；(5)社区与全球意识；(6)综合与应用学习[5]。因此，在工程专业课程的教学中，应明确这6项本质性学习成果的目标性作用。

针对船舶与海洋工程专业的基础必修课程船体制图，教学内容上主要是船体制图的有关规定、型线图、总布置图、结构节点、中横剖面图、基本结构图、肋骨型线图与外板展开图等的识读与绘制，要求学生在理解船体制图特点的基础上逐步掌握船体图样绘制的方法和技巧，提升读图和绘图的能力。受以往人才能力培养目标的局限性以及课程教学时数、教学方法的影响，这一定位目标，并不能满足当前船舶工业的需要，也限定了船舶工业对“新工科”人才能力培养的发展。

船体制图首先是一门交流语言，是船舶设计部门、建造企业等相关人员规范化交流的唯一途径，是保证船舶建造质量的第一关键。另外，船体结构形式复杂，应用性和功能性较强，涉及的具体信息众多。随着信息化和智能制造在船舶行业的推进，船体制图已实现计算机化。然而，当前多数相关高校针对船体制图课程的教学主要是课堂讲授，加上学生基础个体差异很大，空间思维表达能力较差，造成教师难教学，学生难学习，课程结束后学生难以达到本质性的学习成果：(1)精确熟练掌握制图语言；(2)可自主完成船体图纸的绘制；(3)通过计算机自主绘制船体相关图纸。如何在船体制图课程的教学中使得学生达到本质性学习成果的目的，是“新工科”背景下的挑战。

2 船体制图课程的教学模式现状分析

当前，已经有不少船舶与海洋工程专业的教学工作者对船体制图课程的教学改革进行了探讨和研究。李永正等对教学方法上采用多模式、教学手段上采用课件与模型库相结合、考核方式上重视平时成绩等方面对船体制图课程教学改革进行了探索，同时结合教学实践以及问卷调查等方法对教学改革的效果进行评价和总结，改革效果显著[6]。谢玲玲对船体制图的教学方法改革进行了探讨，提出了培养学生学习兴趣、教学内容通俗化和课程重点是提高教学效果的有限模式；提出了利用现代化教学手段是提高船体制图教学效果的有效措施；对于工程实践结合紧密的制图课程教学改革进行了探讨，提出了一系列积极有效的措施[7]。张涤非针对船体结构内容多、图多、不易表达的特点，运用相关计算机软件将船体结构、船体制图、计算机绘图三门课程的主干内容进行了重组，制成了船体结构与计算机制图多媒体教学课件[8]。笔者曾提出了利用智能手机等移动终端的智能交互式课堂教学模式，并研究将其在船体制图课程上进行应用[9]。现有针对船体制图课程教学模式的研究多集中在教学手段以及教学方法的改变上，多是针对船体结构形式复杂、类型众多、图纸表达烦琐、学生三维思维困难、不易掌握的特点，主张采用多种手段祈求能够给学生一个直观的认识，使得学生易于掌握知识点。但是，本质上都是让学生更易于达到原本应该达到的学习成果(船体制图的识读与绘制)，而无法达到“新工科”所要求达成的6项本质性学习成果。

因此，在船体制图课程的教学改革上，不应是单纯的方法和手段上的改革，而应是教学指导思想改变后的改革，主要体现在三个方面：一是教学思想要转到语言上来；二是教学目的要转到能力上来；三是教学内容要转到应用上来。

3 船体制图课程教学的过程控制及问题导向

问题导向学习(PBL，Problem-based learning)是针对问题解决过程所进行的学习。与传统讲授为主的课堂教学相比，更加注重学生获取知识的过程，因此理论上更容易完成“新工科”对课程教学学生学习成果的要求。而如何能够有效地达到要求，就在于课程的教学过程以及导向问题的设计。并且研究已经表明，在所实施的问题导向学习中，设计的问题并非总是有效的。无效的问题不仅会影响到学生获得足够的领域知识，也会影响到学生问题解决能力以及高阶思维能力的发展。

美国北达科他州大学洪暐博士于2006年就面向问题导向学习提出了问题设计的3C3R模型。3C3R问题设计模型由两类成分所组成：核心成分和过程成分(如图2所示)。核心成分包括内容、情境和联系(content, context and connection)，用以支持内容/概念学习；过程成分包括探究、推理和反思(researching, reasoning and reflecting)，关注学习者的认知学习过程用以支持问题解决技能和自我导向学习中的认识过程。围绕3C3R问题设计模型洪暐博士提出了9个设计步骤：第一步，设定目的和目标；第二步，进行内容/任务分析；第三步，分析和描述情境；第四步，选择和生成PBL问题；第五步，进行PBL问题可用性分析；第六步，进行对应性分析；第七步，进行校准过程；第八步，构建反思成分；第九步，检验3C3R成分间的相互支持关系[10]。9个设计步骤既强调了问题的静态特征(内容、情境和联系)，又强调了问题的动态特征(探究、推理和反思)。

图2 3C3R问题设计模型[10]

船体制图课程的教学内容主要是船体制图的有关规定、型线图、总布置图、结构节点、中横剖面图、基本结构图、肋骨型线图与外板展开图等，其中船体制图的有关规定既独立成章，又贯穿于其他每一类制图的学习中，下文以型线图为例说明采用3C3R模型进行船体制图课程教学过程控制与问题导向设计的过程。

型线图的学习内容主要包括型线图的概念和组成、三视图之间的关系、各个型线和尺寸标注的意义、型值表的意义，并掌握型线图的绘制步骤和方法，主要包含了三视图、尺寸标注以及绘制步骤和方法三部分。结合“新工科”提出的要求，型线图教学的目标应是使得学生通过型线图的学习掌握型线的表达方法，脑海中能够自由地在船体实际型线与型线图之间转换。基于这一目标，教学过程中给学生设定的情境为型线的船体放样过程。生成的PBL问题主要有：(1)船舶外形为什么是光顺的；(2)船首/尾外形以及沿长度方向变化的特点；(3)船外形沿高度方向变化的特点；(4)船舶型线图为什么必须采用标高投影的方式；(5)型线图上的线条依据船舶外形可以分为几类；(6)为什么必须有型值表；(7)如果你是放样人员，你希望看到什么样的船舶型线图。

结合上述给出的PBL问题，在教学过程中，教师需要借助影像资料以及三维效果图等形象化的教学手段将船舶外形、型线放样过程等具体化，然后依次将PBL的问题抛给学生，要求学生思考，不论对错允许学生说出自己的看法，在具体的过程中给出合理的评价以及正确的引导。例如，针对问题(3)，引导学生思考自己认为可以有几种类型的高度外形变化(如图3所示)，进而提出不同的高度外形变化会导致什么样的船舶性能(并指出哪一类性能)，学生经过探究、推理确定高度外形特点后引出问题(4)、问题(5)，激发学生反思，引出问题(6)和问题(7)。

图3 船舶型线高度特点

结合船体制图课程内容和目的，合理设计问题导向的问题，并在教学过程中通过引导学生探究、推理以及反思以使学生达到“新工科”的学习成果要求。而问题的设计也是在控制过程中教师和学生共同动态地完成的。

4 结语

“新工科”建设对船舶与海洋工程专业人才的培养提出了新的要求，从而引发相关课程教学的改革。本文针对具有典型性的船舶与海洋工程专业基础必修课程船体制图，分析了目前船体制图课程的教学现状，并结合新工科提出的新的要求分析了以讲授为主的课堂教学模式存在的不足。最后采用3C3R问题设计模型，针对存在的不足提出了船体制图课程教学的过程控制方法及问题导向。