以工程需求为导向的工程制图测绘实践教学模式探索

唐乐为 熊德红 黄星梅 张爱军 谌霖霖

[摘 要]面向新工科建设和“六卓越一拔尖”计划2.0要求，工程基础课教育工作者需要探索构建新工科人才培养的教学新模式。为了培养具有新工科背景下的工科创新人才，以工程需求为导向初步探索工程制图测绘实践教学新模式，构建以数字化设计为主线的工程制图测绘教学课程新体系。以学生工程素质和创新设计能力的发展为测绘课程教学设计的出发点，强调并突出探究性和个性化创新思维能力的培养。该测绘实践教学新模式为其他院校工程制图实践课程建设提供了思路与参照，对新工科其他专业实践课程建设具有一定的参考意义。

[关键词]工程教育;新工科;工程制图测绘;工程实践教学

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2020）11-0091-04

一、概述

高等学校新工科建设的主要任务是培养工科创新人才[1]。工程基础课程作为基本载体，对工科人才创新能力的培养具有不可替代的作用。近年来，教育部积极推进各高校新工科建设，开展关于工程教育改革的五项新内容（新理念、新结构、新模式、新质量和新体系）建设[2]，全面探索中国工程教育新模式，培养具有工程素养和创新能力的人才，实现制造强国发展和建设的战略目标。不同于传统的工科教育，新工科建设要求高等学校工科课程新体系立足于国家战略需求，加强校企交流合作，明确市场产业需求，以适应未来工科教育的发展。因此，新工科课程建设呈现如下三个特点：1.产业需求导向代替学科导向的课程教学，产教融合为产业发展培养创新高端人才[3];2.专业交叉融合取代单一专业学习，多学院通力合作共同培育创新人才[4];3.从适应企业服务过渡到引领国际化创新技术研究和开发[5-6]。面对新工科的实践课程建设[7]，探索并构建以数字化设计为主线的工程制图测绘课程新体系，以学生工程素质和创新设计能力的发展为教学设计的出发点，强调高校本科生探究性和个性化创新思维能力的培养。该课程体系旨在为其他院校工程制图实践课程建设提供思路与参照，对新工科其他专业实践课程建设具有一定的参考意义。

二、工程制图实践教学新模式

工程制图可以认为是以图形系统（包括工程图形中的点、线、面和立体等几何元素）为载体，用以表达工程对象客体属性信息的基础学科[8]。工程制图作为本科生的第一门工程基础课程，通过教授工程图学知识，培养本科生工程图学理论的应用能力，促进本科生工程图学思维的产生和发展。工程制图实践教学目标在于从产品装配体测绘操作、数字化产品建模和参数化设计等方面进一步加深和拓宽学生在工程制图、机械数字化设计、互换性与检测技术、工程材料等课程中所学的基本知识，结合产业需求提出的机械产品设计具体问题，培养学生用学科专业理论知识解决工程实际问题的能力，探索一种以数字化产品设计为目标的工程制图实践教学新模式。

（一）工程制图实践教学体系

工程制图实践教学的总体设计需要从教学内容、教学方法、时间安排和能力评价四个方面进行综合思考。基于新工科要求，工程制图实践教学体系的构建如图1所示。教学内容包括图学知识理论讲解、产业工程概念导入、专业知识综合运用和团队协作能力培养。图学知识理论学习阶段主要集中在本科一年级期间，通过绘图作业和集中讨论课加深和拓展画法几何、投影理论及国家标准的学习。基于教学课题组实践经验，在本科一年级适当引入产业工程理念和产品构型设计相关教学内容，这对后续机械类专业课程的学习会起到一定的促进作用。工程图学实践教学体系第二步，即学生处于大一下学期时，建议结合机械制图中零件和装配体内容，导入相应的工程概念。要求学生具有读懂工程零件图的能力，通过工程材料选择和零件构型分析，完成产品实物数字化模型的创建和再创作。在工程图学零件图和装配图讲解时，需要教师适当增加产品结构设计和功能原理分析，同时加强学生对制造工艺流程的认识和理解。在综合运用专业知识的基础上，团队协同合作能力的培养对本科生从学生到工程师的转变起到重要的支撑作用。测绘实践课程设计教学开设在机械类专业本科二年级，通过产品的参数化建模和结构优化设计，培养具有一定专业设计能力的机械类创新人才。

（二）测绘实践任务与要求

要求每位学生按照指导教师的总体要求和小组分配的产品装配件设计任务，制定任务截点时间表，以小组为单位（每组4—5名学生）独立完成测绘实践课程各个环节的学习。在实践课程答辩前，要求以小组为单位提交一套完整的测绘草图、一套完整的二维工程零件图及装配图、完整的产品三维装配体模型及测绘实践报告。

测绘实践教学过程着重培养学生的动手能力、合作能力、协调能力和解决工程实际问题的创新能力。要求学生从机械产品设计者的角度出发，将工程软件应用与机械設计专业知识、工程技术规范和国家标准的应用紧密结合，要让学生认识到此实践课程设计是运用先进三维信息（数字孪生）技术进行产品设计。这个过程不仅仅要完成绘图、建模和编程的训练，更重要的是实践一种先进的数字化产品设计工程实践模式。

（三）测绘实践教学设计

测绘实践教学设计是教师为实现测绘实践课程目标、完成教学任务，对教学内容进行系统规划和组织的过程。目前，该实践课程共32学时，记2学分，课程时间安排在本科二年级暑假学期，为期两周。根据课程内容和能力评价的要求，测绘实践教学设计分为5个环节，如图2所示。下面以桌虎钳（图3）为例进行测绘实践课程教学设计介绍。

1.产品装配体测绘

课程教学设计第一步产品装配体测绘包含以下四项内容。

（1）绘制装配示意图

绘制装配示意图前，学生通过分组讨论分析产品工作原理、结构功能、装配关系和主要的性能参数。指导教师讲解拆装工具的安全使用要求，旨在让学生了解合理正确使用工具的必要性。督促学生查找产品相关专业手册，采用类比的方法确定产品型号和主要性能参数，完成桌虎钳的装配示意图。

（2）绘制零件草图

分析装配体各零件类型是否为标准件，确定设计基准和视图表达方法。对于标准件，要求学生熟练掌握查阅机械设计标准手册、确定标准件类型的方法。对于非标准零件，培养学生的产品二次设计能力，着重考查学生对于零件材料、粗糙度和几何公差等技术要求的理解和设计。同时，通过绘制零件草图，加深学生对机械加工制造方法和互换性等课程知识点的理解。

（3）量注尺寸

零件量取的尺寸一般采用尺寸优先数。配合尺寸一般只在配合两零件中的一个零件量取。对于一些重要尺寸（比如最小轴径），量取后需要通过理论计算进行强度和刚度校核。另外，零件上已有标准化的结构尺寸（比如退刀槽和燕尾槽）需要查阅有关标准确定。

（4）确定并标注有关技术要求

学生需要查阅工程材料教材和机械设计手册，确定零件技术要求和材料类型。

完成零件草图绘制后，由具有相同装配体的不同小组学生完成产品零件草图互审，初步培养学生作为工程师的审图能力。

2.数字化建模

从装配体零部件的基准（设计、工艺、测量、加工、装配等基准）入手，分析各个零部件的合理建模方法及过程，分析基准、草图平面和建模步骤等的内联关系，学会更好地利用草图平面表达产品基准等设计概念，使结构建模过程更为合理。分析1—2个典型零件结构和主要加工制造工艺，讨论采用不同三维数字化建模方法的合理性和零件的尺寸标注。确定相关零件尺寸相关性，进一步修改草图，具体分析步骤如下。

（1）分析指出装配体的各装配主线及其作用，分析各个零部件的装配基准、接合面和运动副的类型等。

（2）对各个零部件之间的装配关系、装配配合公差以及零部件之间的连接、紧固和密封方法进行说明。

（3）指出组成运动副的各个零件之间的运动约束关系。

（4）建立装配体三维数字化装配模型，如图4所示。利用三维数字化装配模型检测零部件之间的潜在干涉，完善修改测绘草图和二维零件工程图。

基于产品装配体数字化模型，分析运动部件的仿真需求。

（1）分析主运动及其实现方法。

（2）指出不同的建模方法（如草图平面、基准的处理等）与仿真分析的关系，理解CAD与CAE两种技术的相互依存关系。

（3）从装配体工作性能分析的角度指出需要进行哪些仿真分析，并尽可能指出仿真分析用的方法和软件系统。

3.零件参数化设计

引入Open Grip 等编程语言，让学生尝试使用程序语言进行三维模型的设计与绘制，提高学生的产品二次开发及编程的能力，具体实施流程如下。

（1）分析需要参数化设计的零部件结构，确定参数及其输入方式、建模方法等，绘制程序设计框图。

（2）根据确定的建模方法和流程，设计主程序以及子程序结构。

（3）针对参数特点和输入方式，设计用户交互式界面，根据规定的参数范围，设计程序的纠错功能。

（4）按照程序书写规范（如主词和辅词一律大写，变量小写;根据程序结构采用缩进方式编程;适当进行标注，增强程序的可读性等）完成程序编码及调试，输出设计结果。

4.测绘实践报告

此部分极其重要但又经常为工科学生所忽略。工科学生往往将重点放在规范化设计及图纸绘制，而忽视报告撰写的重要性。此环节重在提高学生报告撰写的能力，提高学生文档编排的能力，让学生明白“既要做好，更要展示好”的重要性。

5.实践课程答辩

（1）答辩PPT的制作。此部分是整个课程设计中非常重要的环节，培养学生PPT的展示能力，让学生尽可能展示工作亮点，这有利于提高学生的表达能力。

（2）答辩材料的完整性。答辩前需学生使用档案袋封装好一套完整图纸、测绘实践设计说明书一份以及电子文档光盘一份，以培养学生材料整理的规范能力。

（3）其他组对答辩组提问。其他组对答辩组进行提问，答辩组进行解答，这将作为评价体系内容之一。对非答辩组的学生来说，这有利于他们进行思考，积极参与讨论;对答辩组的学生来说，这可以增强他们答辩过程的临时应变能力，有助于提高他们的表达能力。

（4）答辩材料修改。依据答辩教师及学生的意见，对答辩材料进行修改。此环节有利于学生对答辩材料中存在的错误进行更加深刻的了解，有助于学生综合实践能力的提升。

（5）组内匿名互评。通过此环节，进一步培养学生积极主动思考的能力，对组内成员工作进行合理评价，同时这也提高了组内学生的责任感。

（四）测绘实践综合能力评定

实践课程评价体系由9个部分组成，如表1所示。草图测绘、装配图、UG建模、CAD装配图、UG参数化设计均有教师现场批改，成绩占比均为5%。CAD零件图和课程报告采用课后批改，成绩占比分别为5%和10%。着重强调课程报告内容与格式的书写，为后续专业课程设计报告的规范撰写奠定坚实的基础。答辩环节由任课教师主持，答辩学生在完成课程设计展示后，需要回答教师和其他学生的提问。教师综合学生设计展示和回答问题的表现给出相应的答辩分数。组内评分实行阶梯差异化评分，按1、0.8、0.6、0.4记录成绩。最终，结合以上9个方面的内容，完成学生课程总体评价。

三、总结

在工程制图测绘实践教学过程中，工程概念始终贯穿于其中，旨在打造坚实的机械专业金课基础。通过导入工程标准化概念，在产品装配测绘和数字化建模装配过程中，增强本科生对于工程材料、热处理、互换性技术和加工工艺对尺寸要求等工程内容的理解和应用。在零件参数化设计教学中，培养学生创新设计思维和工程软件开发能力。

工程制图实践教学体系从教学内容、教学形式、时间安排和能力评价四个方面，为高等院校工程制图课程建设提供了新思路。特别是工程制图測绘实践教学课程给出了教学设计过程安排，对我国新工科基础实践课程安排和创新设计人才培养进行了初步探索，具有借鉴和参考意义。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 胡弼成.高等教育学[M].长沙：湖南师范大学出版社，2015：161-167.

[2] 教育部高等教育司.关于开展新工科研究与实践的通知（教高司函〔2017〕6号）[R].2017.

[3] 施晓秋，徐赢颖.工程教育认证与产教融合共同驱动的人才培养体系建设[J].高等工程教育研究，2019（2）：33-39.

[4] 姚威，胡顺顺，储昭卫.基于设计综合体学习（DBAL）的创新设计人才培养路径研究[J].高等工程教育研究，2019（2）：73-78.

[5] 冯军，路胜利.借鉴德国经验构建“六化”本科应用型人才培养模式[J].高等工程教育研究，2019（2）：129-133.

[6] 刘敬，刘衍聪.OBE-CDIO理念下工业设计专业课程实践教学体系构建[J].图学学报，2019，40（2）：416-421.

[7] 黄志高，林应斌，陈水源，等.“一体两创三应用”新能源工科实践体系的构建与实践[J].中国大学教学，2018（7）：72-76.

[8] 毛昕.工程图学教学思想与方法[M].北京：清华大学出版社，2016：5-6.

[责任编辑：陈 明]