新工科工程教育模式下的机械制图案例教学研究

张立峰，周蕊，丁宁，吴军，苏砚文

（中国民航大学 航空工程学院，天津）

一 引言

《机械制图》是高等教育中机械类、近机械类重要的技术基础课程。在课程的教学过程中必须注重基础理论的严谨性和实践性。注重制图理论与工程实践的紧密结合，从而在教学过程中培养学生掌握科学的制图方法，并增强工程运用和实践创新意识。当前机械制图教学过程中，单一的教学模式不能适应高校的课程改革，传统的制图教学方法和技术亟待改革与创新[1-3]。

新工科工程教育是当前高等教育改革的重要方向[4-6]。工程教育为制图教学带来新的挑战，同时也为高校制图教学工作提出了更高的要求。在教学过程中，如何将机械制图的理论知识与工程图纸紧密结合，同时不断深入探索教学中机械制图、识图与工程运用能力的培养是广大教育工作者关注的重要议题[7,8]。总体而言，工程教育改革下的机械制图教学，不仅要解决教材书本中的知识点传授问题，更重要的是让学生能够深入理解并运用机械识图与制图，能够在工程实践中熟练应用这一门工程语言，并注重与其它工程技术的融合。

案例教学方法是在实际教学过程中，通过精选代表性的教学案例，将知识点的讲述、分析、讨论融合在案例的学习中[9-11]。当前，信息技术高速发展，将信息技术融入机械制图课程的案例教学突显其重要的技术优势[12]。比如通过信息技术融合案例教学，可以实现学生课前、课中、课后对教学知识点的重演，避免了传统填鸭式的教学模式。由于采用丰富的技术手段，制图教学中可以形成立体化教案，更利于学生对知识点的掌握，形成以学生为主体、教师为主导的先进课堂。

案例教学法在经管及文科类课程中具有广泛应用，教学中好的案例可以极大激发学生的积极性，深化对知识点的掌握，增强学生的知识运用能力，因此探索案例教学在理工类课程中的应用具有重要意义。《机械制图》课程知识点较为分散，但课程具有一定的工程实际背景，这就为信息技术支撑下的案例教学提供了可能性[13-15]。本文以课程教学中的零件图为例，通过精选教学案例，探索将信息技术应用于案例教学，提升课堂效率和教学效果，形成信息技术支撑下的先进教学模式。

二 传统机械制图教学的反思

社会发展需要高校课程紧跟时代步伐，一门课程要在理论、技术和方法等方面适应社会需求，并引领行业发展。制图课程要使学生建立重要且有用的意识，重要和有用的课程无疑会吸引学生的兴趣。机械制图教学改革的第一步，也是关键，就是要厘清传统制图教学中存在的问题。制图课程是高校工科的一门由来已久且课程内容相对固化的课程，课程模式受传统教学方式影响较大，而这无疑对工程教育的学生能力培养是不利的。当前国际社会，高校的工程教育与社会产业发展紧密联系、并相互支撑，国家之间的综合国力的竞争愈加激烈。因此，制图课程的内容和改革要符合学生发展的本质需求，符合社会发展的实际需求。学生的本质需求是能够掌握理论和技能，为个人职业发展做好基础，从而立足社会，服务社会发展。 基于此，传统机械制图教学有以下不足之处：

传统机械制图教学重在教，轻于学。制图教学经历数十年的发展，课堂教学模式主要以教师的教为主，而这种传统的一言堂“填鸭式”教学，无疑会造成学生主动学习意识、主动学习能力的损伤。同时也会导致学生学习积极性和课程兴趣的丧失。历年来的制图教学发现，由于学生不感兴趣，上课“玩手机”，考试不及格现象频现。

传统机械制图的教学重在理论传授，忽视了学生的主动意识。传统制图课程突出机械画法的标准性、唯一性，形体分析及线面分析的顺序性。学生在课程教学中完全是被动的、接受性的学习方式，很难主动去思考。机械制图从空间想象到形体分析，再到工程图纸实践运用的每一个阶段和层次都需要学生主动思考。探究隐藏在机械制图画法表达、工程图纸下的技术实质。如果仅仅停留在作业题、试卷分数很难实现工程教育的能力培养。

传统机械制图教学重在教学知识点的吸收，忽视了课程的工程实践和工程能力培养。以轴类零件为例，传统制图教学可以使学生掌握轴类零件的画法、断面图的表示，尺寸标注等基本知识点，考试环节学生也可以对这些知识点较好地吸收。但是，学生进入后续期末课程设计和工作岗位的时候发现，对于零件图仅仅是停留在考试层面，零件图纸怎样画，图纸中的技术要求制定仍是学生的短板。因此，在教学过程中，要突出实践环节。通过具体的零件测绘，使学生锻炼测量与形体分析的能力。通过零件的加工工艺探讨性学习，激发学生对机械工艺的兴趣和熟悉度，并掌握一定的制图工艺常识。通过案例中的小组讨论，加深学生对零件技术要求的理解，使学生彻底掌握零件图中技术要求的制定规则，理解零件设计中的不唯一性、经济性、精密性等的多种工程需求。

传统的机械制图重在手工绘图，忽视了计算机辅助绘图的重要性。机械制图教学经历几十年的发展，诚然，手工绘图具有举足轻重的地位，也是学生必备的一种能力。但是，当前社会和行业发展对计算机绘图能力的需求与日俱增。机械绘图软件如：AutoCAD、CAXA、Solidworks、UG、ProE均是当前机械行业中的主流设计和绘图软件。学生只有提前熟悉并熟练运用相关绘图软件才能适应就业需求和行业的发展趋势。因此，在制图教学中增加计算机绘图比例，在实践中增强学生的机械设计意识、机械绘图能力、思考解决问题的综合创新能力势在必行。

三 机械制图教学案例的设计

《机械制图》知识点分布较分散，同时由于零件图的复杂与多样化造成学生学习过程中兴趣不高，知识点掌握不理想等现象。因此，通过教学案例融合知识点，以机械结构设计为线索，知识点传授为脉络，工程能力培养为目标具有可行性。值得注意的是，提升学生对制图课程的兴趣并且能较好完成教学目标，关键是教学内容要设计好。优化后的机械制图课程内容必须要与学生的内在本质需求相关联。教学中要注意将制图课程的理论内容部分“活化”和“实化”。可以通过小组讨论加深学生对制图中的形体分析、表达方法的理解，从而灵活实现知识点的主动学习，而不是被动吸收。此外，可以通过工程样例、应用实例的调研式问题，激发学生主动学习，通过动手调研，利用网络和多种信息技术深化对教学中抽象概念的理解。

以机械制图教学中的轴类零件为例，图1为典型轴类零件图，结合轴类零件实例分析知识点分布。其中轴类零件的表达方法、尺寸标注、技术要求较为典型，是制图教学中的重要模块。熟练掌握轴类零件的表达方法，零件图的组成，对于增强高校学生的机械制图水平，提升国家机械标准的运用能力，提高机械专业的工程实践能力具有重要意义。教学案例的选择至关重要，一个良好的案例，既要涵盖关键的教学知识点，同时也要紧密贴合工程实践。既要使学生能够有条理、有层次理解知识点，同时也能在此基础上进行工程应用扩展，并在课时操作上具有可行性。

图1 典型的轴类零件图

四 教学知识点拆解与模块化

以工程运用能力为目标，必须要将制图教学中的知识点进行拆解和模块化。基于认知规律优化后的教学内容更利于学生对知识点的掌握。教学中，以案例为载体，通过案例的讲解和实施逐步渗透教学知识点。同时，注意在每一步的实施环节中融入先进的教学手段。仍以教学中的轴类零件为例，教学中可以将多种信息技术融合高校机械制图课堂。这种方法具有显著的技术优势，实际应用中可以节省教师的讲述时间，利用多种技术形成生动形象的制图课堂，并且能够激发学生的主动学习能力。实际应用中，教师负责精选案例、案例讲解、优化和拓展案例，从而使教学案例能够更全面和科学的覆盖教学知识点。以轴类零件为例，将图1的零件图进行剖析，进而将知识点拆解并归类。案例中轴类零件图同时涵盖了断面图、表达方法、尺寸基准、尺寸标注、表面粗糙度、形位公差、极限与配合、标准件与常用件、机械加工方法等知识点，如图2所示。此案例教学中不仅让学生熟练掌握轴类零件的表达方法、零件的技术要求和功能，同时可以让学生熟悉典型零件的机械加工方法，形成“形体分析-机械制图-加工检测”的一体化知识体系。与此同时，深化和巩固零件图技术要求的知识点内涵，使学生深入形象地掌握技术符号的科学本质，从而提升课程学习积极性和工程思维。

五 信息技术下的知识点教学方法

信息技术可为高校教学提供有利的技术支撑，同时也为教学方法的改革带来了挑战。利用信息技术形成立体化教案，可大幅度提升教学效果和课堂效率。以本文中的轴类零件图为例需要将知识点拆解归类，并按逻辑顺序讲解。

其中第一环节为零件图表达方法，此环节对轴类零件的表达方法进行总结归类，并重点讲解断面图的画法及注意事项。此部分同时涉及到标准件键槽和螺纹孔的画法，将知识点强化，深化学生对已学知识的掌握。

第二环节为零件图的尺寸标注及尺寸基准，此部分注意尺寸链的概念及与实际加工的结合。案例中，如键槽、螺纹孔、导角的加工及砂轮越程槽的实际功能等。此部分展开实践环节，学生利用二维绘图绘制此轴的零件图，并利用三维绘图软件立体还原此零件的三维立体模型。

图2 轴类零件知识点分布示意图

第三环节，零件图的技术要求，典型表面的粗糙度及零件的功能用途。此部分涉及到不同精度表面的具体功能。如案例中的高精度的加工表面为轴承的配合表面，中等精度的表面为齿轮配合表面等。课堂讲解过程中可结合机械装配工艺，深化学生对配合与公差的理解。通过设置开放式的问题，启发学生对“结构-功能”的工程认知。

第四环节，零件的加工与检测方法。此部分，以案例的不同加工表面，从刀具、机床、加工工艺等方面，对加工方法进行讲述，同时结合学生课前视频教案的预习情况进行讨论与总结，提炼零件加工与检测的关键知识点，使学生真正了解零件技术要求的科学本质，提高课堂效率。

第五环节，零件图总结。此部分对知识点分布情况进行溯源，采用雨课堂技术，通过讨论和提问形式深化学生对知识点的掌握和工程运用。

六 制图教学中的工程实践能力培养

新工科工程教育模式下的机械制图教学要注重工程实践能力的培养。这就要求，在教学过程中，不仅要注重教学知识点的传授，同时要注意学生工程实践能力的培养。具体而言，可以从课程内容和教学方式两方面培养和提升学生的工程素养和工程实践能力。在教学内容方面，教师可以将教学知识点渗透到典型机械案例的教学中，以案例为引线贯穿整个教学环节。此外，以工程实践能力培养为目标，锻炼学生在案例教学中的工程意识、工程思维、工程能力。同时促使学生能够主动学习，主动探讨、思考、解决工程问题，并在案例实践中理解机械与电气、力学、数学等诸多学科的工程融合。

在教学方法方面，教师可以通过开放式的工程设计实例，促使学生主动学习思考，掌握设计软件，提高机械制图水平。此外，教师可以通过学校的工程实训中心、校办工厂等开展机械加工现场的教学，促进工学结合，在加工和检测现场使学生增强工程认识、工程意识、工程思维和工程实践能力。

七 结论

针对传统机械制图教学中的单向知识点传递、学生主动性不高、工程运用能力不足的问题，本文探索新工科工程教育模式下的机械制图教学改革方法。本文采用案例教学方案，以机械制图中的轴类零件作为实例，探索教学过程中的信息技术教学手段，将教学案例进行知识点归类与拆分，形成信息技术支持下的多维教学，增强学生的学习积极性。促进学生在案例学习的过程中形成完整和稳定的知识框架，同时提升学生的工程实践与综合知识运用能力。