基于“金课”的《工程制图与CAD》 “三维—二维”融合式教学模式改革探究

孙 朗

(中南民族大学 化学与材料科学学院，湖北 武汉 430074)

一、问题提出

在《中国制造2025》的目标之下，国家对全面提升中国制造业发展质量和水平方面做出了诸多重大战略部署。[1]在这一背景下，作为工程界的语言，《工程制图与CAD》这门课程的重要性日益凸显。与其他课程不同，作为一门本科生对工程技术知识的入门课程，同时也作为一门具有较强实践性质的课程，教师不仅要传授工程制图的基础理论知识、绘图原则及相关规定，也要从实践角度对学生在工程图样的绘制方法方面提出更高的要求，并以此为学生将来的工作奠定坚实的基础。另外，这门课程不仅利于全方位地训练学生读图与绘图的基本技能，更能对学生的空间思维能力进行锻炼，从而也为学生其他相关学科的学习奠定了一定的基础。因此，《工程制图与CAD》课程一直是我国高等学校理工学科各个专业极其重要的一门学科基础必修课程。

目前，伴随着CAD技术的日新月异，《工程制图与CAD》课程中所关注的重点也不断更新，从之前对于几何作图以及工程图样的绘制到当下对CAD绘图能力培养的注重，该课程紧跟科学技术的进步不断发展。当下，随着三维技术的不断发展，设计模式已经可以完全脱离二维表达而直接借助三维模型，三维CAD软件不仅减少了设计工作的复杂程度，更重要的是为人们提供了一个辅助思维设计的空间。借助三维CAD技术，可以把复杂制品的全部信息完整而直观地可视化，并在其中通过虚拟仿真技术对零件表面过渡、空间几何布局以及零件直接的干涉等在二维中很难具体设计和思考的部分进行精准考察。结合CAM技术，产品的设计和制造过程发生了巨大变革，这为工程制图课程指明了新的发展方向。[2]

笔者近十年来一直在从事非机械专业的工程制图课程的教学，在教学过程中发现，借助当前的CAD软件三维建模可以有效地帮助学生厘清复杂的投影问题，并可以结合三维建模更好地增强学生的读图能力。笔者认为，在二维绘图的基础上，通过增加三维建模的锻炼，不仅可以更好地帮助学生融会贯通所学的知识，更可以激发学生的学习兴趣，增加学习动力。因此，笔者在三维CAD 视阈下，对非机械专业《工程制图与CAD》课程开展三维CAD技术与工程制图课程“三维—二维”融合式教学，并基于结合“金课”“两性一度”的标准，对《工程制图与CAD》“金课”的打造进行了相关探索。

二、《工程制图与CAD》课程传统教学模式检视

当下随着国家对本科教育的不断重视，“淘汰水课，打造金课”已经成为高校各个层面的共识。《工程制图与CAD》课程本身由于其广泛的应用范围与日常生活紧密的联系以及在课程学习过程中对学生空间思维能力的锻炼，完全可以根据“两性一度”将其打造成为“金课”。为了去“水”存“金”，我们首先需要对当前教学过程中存在的问题进行讨论与检视。

1．课程体系：理论与实践的割裂

随着三维技术的发展，当前《工程制图与CAD》课程体系显然已经无法满足现在的技术发展。目前《工程制图与CAD》课程体系一般分为两个部分，即绘图的基础知识以及基础的上机训练，如图1所示。很明显，当前的课程体系将整个课程割裂成理论与实践两大块，这并不能有效地实现基础理论与基础训练之间的融合式互动。就笔者对实际上课情况的观察了解发现，由于上机实训模块与理论基础模块的割裂，很多同学在上机实训过程中往往不知道如何去应用课上所学内容，或在绘制过程中仅仅认为其只是对之前课堂知识的复习，因此，基础知识与上机训练并没有形成良性的互动，教学效果并不让人满意。在当前教学体系中，虽然三视图以及零件图的绘制是对基础知识的应用，但实际上也并没有能够将两者进行充分的串联。因此，我们需要探索如何建立一种能够使基础知识与上机实践有机结合的课程体系。

图1《工程制图与CAD》课程传统教学体系

2．教学方法：先进性和互动性不足

从教学方法上来说，本门课程主要通过基础概念和原理的学习，在理解和掌握这些概念和原理的基础上，掌握绘图和读图能力，进而培养学生空间想象力，这正是后续理论和方法学习的基础，而当前仅仅通过课堂PPT授课并不利于培养目标的达成。“金课”要求“教学形式呈现先进性和互动性”，以达到“创新性”的目标，因此，为了将《工程制图与CAD》打造成为“金课”，我们不仅需要构建新的教学体系，同时，也需要在教学方法上进行改进。我们认为，这需要结合当前技术进步，对课堂教学进行突破，改进“满堂灌”的教学形式，有效地运用当前三维建模技术发展以及新的教学手段，提高学生在教学活动中的参与度，从而构建良好的教学情境。

3．考核方式：过于片面单一

从考核方式上来讲，“金课”对课程的培养目标和教学效果提出了更为明确和更高的要求，我们也需要相应地通过合理的评价体系对学生的学习成果和老师的教学效果进行评价。当前，本门课程的考核方式主要是采用闭卷考试的方法，这种过于单一的考核方式，并不能全面地、真实地对学生的实际学习成果进行客观而科学的考核，更无法反映学生灵活运用相关知识和理论的能力，难以对学生解决复杂问题的综合能力和高阶思维能力进行评价。

总体而言，我们在课程实践过程中发现，目前在高校非机械专业的《工程制图与CAD》教学活动与 “金课”“两性一度”的标准仍差距较大，这导致了部分学生对于该课程兴趣不大、学习主动性较低的情况，因此在“去水存金”方面，该课程仍期待更多的改进。

三、《工程制图与CAD》课程“三维—二维”融合式教学改革路径探索

自从2018年教育部高等教育司吴岩司长深入阐述了中国“金课”的建设要求和目标，教育部以及各高校都在积极推动国家级“金课”以及地方级“金课”的建设。课堂教学是整个教学体系的根本所在，因此，我们需要基于“两性一度”的“金课”标准，从教学体系、教学方法以及考核方式三个方面对《工程制图与CAD》课程教学进行改进。具体而言，通过建立“三维—二维”融合式的教学体系，并结合新的教学体系，改进教学方法并改良考核方式，从而“去水存金”，这不仅有利于更好地完成知识的传播过程，更能提高学生的学习兴趣以及学习主动性，并锻炼学生解决问题的能力。

1. 构建“三维—二维”融合式的教学体系

当前关于三维CAD技术在教学中的应用已经有了大量的研究成果，并详细地讨论了其在工程制图课程中的应用。[3,4]我们认为，把三维技术融入《工程制图与CAD》教学之中，不仅是需要在课堂讲解时借助三维技术进行演示，为了更好地发挥三维CAD技术在教学中的重要性，还需要对整个课程体系进行改进。由于《工程制图与CAD》课程分为理论和上机两个部分，而且理论部分的内容较多且过于零散，因此学生在学习过程中，无法准确地把握整个课程的知识体系，更无法灵活地应用课上所学的知识。因此，必须将整个《工程制图与CAD》课程的知识点融为一个有机的整体，此时我们需要选择一个能够将整个工程制图与CAD课程进行连接的交点，这就是三维建模。

三维技术在当今社会有着广泛应用，尤其是基于三维技术的CAD设计对相关产业的发展有着巨大的推进作用。结合国家产业升级的目标，我们也需要对《工程制图与CAD》的课程体系进行相应的调整，从而让学生能够掌握前沿技术。“创新性”是当前“金课”的重要标志之一，这要求教师能够将当前科技发展的前沿技术融入我们的课堂教学。具体来讲，为了达成课程的培养目标，即绘图及读图能力的锻炼，结合当前技术进步和发展趋势，三维绘图技术在课程中的重要性将不断凸显。在当下《工程制图与CAD》的课程体系当中，因受到相关技术的限制，三维绘图并没有被明确作为学习内容的重要组成部分。因此，在新的课程体系设计中，我们希望通过明确三维CAD技术的地位，凸显三维建模技术在现今工程制图领域中的巨大作用，并提高学生对三维CAD技术的掌握程度。需要注意的是，这并不意味着将三维建模与工程制图课程相互割裂，我们既要强调二维视图在表达零件尺寸大小和技术要求方面的优势，也不能忽视三维建模作为零件在零件表达及仿真方面的重要作用。并且通过二者的结合，还可以促进教学过程，如借助三维形体的建模过程，帮助学生更为直观而深刻地理解投影知识，并以此极大地激发学生的学习兴趣。因此，我们建立了如下新的“三维—二维”融合式教学体系，如图2所示。

图2三维视域下以“三维形体为核心，以四大模块为基石”的新的课程体系

根据《工程制图与CAD》课程的特点，建立以三维建模为核心，以绘图基础、专业图、三维建模和三维专业建模为支柱的模块化的教学体系，从而明确知识结构，提升教学效果。从图2可以看到，该课程分为两大部分，即基础理论和基础训练，这两部分又分别包括以下四个模块：绘图基础模块、专业图模块、三维建模模块和三维专业建模模块四大部分。绘图基础模块主要包括制图的基本知识、点线面投影、截交线、组合体三视图等；专业图模块主要包括机械图样的表示方法、零件图的绘制要求和读识零件图的方法等；三维建模模块在对三视图以及零件图的读图基础上进行三维建模，从而培养学生的综合读图、绘图、三维建模能力以及空间想象能力；三维专业建模模块可以根据不同专业设定不同的绘图重点，如对于化工专业可以注重管道的绘制，高分子专业可以偏重模具零件的绘制等等。由此可见，新的教学体系中的四个模块并非是相互独立的，而是相互交叉，互相促进，共同服务于课程的教学目标。需要指出的，三维建模在这里既是我们课程的目标之一，又是将整个课程内容串联的纽带，需要行之有效的教学方法进行配合，从而使其发挥应有的作用。

2.创新“主动建构式”的教学方法

对于教学方法的改进可以借助建构主义教学理论来实现，培养学生独立处理问题的能力，能够综合应用三维建模与制图技术，处理较为复杂的问题，即金课的“高阶性”要求。建构主义认为，教学过程中，不仅需要获得知识，更要注重创造性地运用相关知识，因此，在教学过程中需要充分发挥学生的主体性和自主性，更多从学生的角度出发开展课堂教学。[5]那么回归到我们所关注的《工程制图与CAD》课程的教学，也需要根据学生的学习需求，在课堂教学过程中充分发挥三维模型的直观、动态的特点，借着模型展示，提高学生的学习兴趣，巩固基础知识的掌握，培养学生的空间思维能力和读图能力。为了锻炼学生处理实际问题的能力，还可以采用任务驱动的教学方法，即在课程学习过程中, 通过教师的指导, 让学生以三维模型建立为中心, 在自身对问题的好奇心的驱动下, 主动地借用学习资源，自主研究探索，从而完成各项学习任务。具体而言，一方面可以将不同难度的三维模型给学生，让学生借着三维模型完成相应模型的三视图的绘制；另一方面，也可以将三视图发给学生，让其完成三维模型的建立，从而加深其对投影知识的理解并锻炼三视图的绘图能力，进而培养学生灵活运用课上所学知识的能力、绘图和读图的能力以及独立工作能力，并以此调动学生的学习主动性，使其愿意主动地加强课后的自主学习，并锻炼他们解决问题尤其是复杂问题的能力。

其次，建构主义学习理论还认为，“协作学习”对知识意义的建构发挥着关键性的作用，它强调师生之间、学生之间的协作交流以及学生和教学内容、教学媒体之间的相互作用。教师在教学过程中除了要树立以学生为教学主体、以教师为主导的科学教育理念，实现从“被动传输式”的教学模式向“主动建构式”教学模式的转变。更为重要的是，要基于三维模型建立合适的多媒体课件，尤其是将三维模型与课程知识点相结合，如在投影的讲解过程中，可以改变不同的视角，使学生对平行投影法建立较为直观的认识，从而将三维建模的原理、方法、技能和工程制图的知识形成有机结合，提高学生的学习效率。另外，教师还可以通过对学生分组，布置较为复杂的建模作业，各组根据零件图协作完成建模，从而锻炼学生的团队协作能力，并最终达成“具有探究性和个性化”的学习效果。

最后，建构主义强调对学习环境的设计，认为在学习过程中，教师要为学习者提供各种资源(包括各种类型的教学媒体和教学资料)，鼓励学习者的主动探索并完成意义的建构，从而达到学习目标。随着移动互联网技术的发展，它在当前的课程教学中的应用范围越来越广。借着基于移动互联网技术建立的智慧课堂，教师可以与学生实时沟通，并对学生的问题给予及时的反馈，从而摆脱课堂45分钟的桎梏，更为便捷地对学生进行指导。尤其是当下，课程学时普遍压缩，教师不仅需要对课堂45分钟的教学进行更为精确巧妙的设计，更要对学生课前及课后的自主学习给予引导，如对于CAD基础命令、标准零件的绘制以及三维建模等方面的学习，不仅需要大量的时间演示，还需要学生课后花费大量时间进行练习。这些内容很难在面对面45分钟的课堂教学过程中实现。因此，可以将相关视频和文档借助智慧课堂直接发布给每位学生，并可以同时通过布置相关作业和对学生作业完成情况的检查，掌握学生的学习情况。如在介绍和演示三维建模命令的使用方法时，可以首先将如拉伸、旋转、扫掠、园角、倒角、阵列等命令的讲解视频发给学生，在课堂上将演示内容与课堂所讲投影原理相结合，加深学生对投影原理的理解，课后还可以借助作业以及测验等手段对学生掌握程度进行考核，并通过网上交流进一步帮助学生巩固相关知识，从而使得整个“教学形式呈现先进性和互动性”。

3．推行具有“学业挑战度”的考核方式

在经典测量理论中，虽然测量误差估计的不精确性和笼统性无法精确地反映学生对课程的掌握程度，但对于高等院校的专业课程而言，这仍是一种对学生学习情况有效的考核方式。根据吴岩司长在第十一届“中国大学教学论坛”上提出“金课”需要“挑战度”的观点，笔者认为，虽然考试在当前高校的专业教学中仍占据着不可替代的角色，但对学生更应该采用多样化和过程化的考核方式。通过具有一定难度的考核方式，不仅对学生的知识的掌握程度进行度量，并通过考核以促进学生的学习动力。具体而言，在考核过程中可摒弃闭卷笔试的考核方式，采用平时成绩及过程性评价占 50 %，期末上机考试评价占50 %的考试体系。在过程考核中，一方面，可根据课程进度，借助云课堂、雨课堂等网络教学手段，以作业和随堂考察的形式考核学生对知识点的掌握情况；另一方面，还可以让学生根据三维模型绘制其相应的三视图，从而加深学生对投影相关知识的理解，并锻炼其绘图能力；此外，可以通过三视图让学生完成三维建模，锻炼学生的读图能力和三维建模能力。为了培养学生独立创新的能力，根据学生的专业特点，分组大作业的形式完成与专业相关的比较复杂的三维建模，考察学生团队协作以及处理复杂问题的能力。

四、结语

当前三维建模在工程技术中应用愈发广泛，为了培养能够熟练运用三维建模的非机械专业毕业生，我们根据“金课”标准对《工程制图与CAD》课程的教学体系、教学方法以及考核方式的改革进行了探索。基于模块化教学理论，我们建立了以三维建模为纽带，各个知识模块有机结合的三维视域下《工程制图与CAD》课程的教学体系。同时，基于建构主义理论和任务驱动的教学方法，我们凸显学生在教学过程中的中心角色，建立一个由课堂教学、课外学习和实践三大课堂构成的知识掌握与能力素质培养相结合的“三维—二维”融合式《工程制图与CAD》课堂，这不仅能够帮助学生加深对相关知识的理解，培养其实践能力，为其未来的工作奠定扎实的基础，更是为《工程制图与CAD》“金课”的打造做出的新探索。