宾州州立大学工程图学课程教学方法启发

田 劼，王红尧，WU Xin-li，BUSKIRK Gracevan

(1. 中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院，北京 100083；2. 美国宾州州立大学工学院，宾夕法尼亚州 16802)

随着先进制造技术、机器人及人工智能、计算机辅助技术的不断发展，工程图学课程如何更好的确定内涵和外延？更有效地培养学生的空间想象能力和形象思维能力，以满足工程教育专业认证培养质量的要求，更好地满足新时代的毕业要求等问题备受关注[1-4]。

不少专家学者借鉴了发达国家的教学模式，进行了教学改革相关研究。舒宏等[5]论述了中日两国制图教材及教学的异同点，提出了应从机械类人才培养总体最优的角度，建设包括机械制图教材在内的机械制图课程。王迎和罗云霞[6]介绍了英国机械制图课程成绩评定的多样性、综合性和设计性。通过对比分析指出，我国机械制图课程的考试方法在成绩评定中，应以学生的实践能力、创新能力和综合能力的培养程度，作为主要考核目标。曹素红[7]基于中德合作项目“IHK技术制图师”方向，“技术制图”课程整体教学框架采取“理论教学与实训教学”相结合的设计方式。

国外各高校的工程图学教育注重教学内容与设计思维的结合，从专业人才培养的需求出发，强调实践性和时效性，强调成果导向教育[8]。刘晶[9]介绍了纽约大学机械专业和航空专业图学课程的主要教学内容、教学特点及课程的优缺点。朱科钤等[10]介绍了普渡大学印第安纳波利斯分校工程图学课程的教学模式。张彦娥等[11]对中美工程制图及CAD系列课程的教学目标、课程内容和学生对课程评价进行了比较。

宾夕法尼亚州州立大学，是美国第一所建立工业工程学系的大学，也是美国最大的十所公立研究型大学之一。其工程科学的教学和科研能力走在世界前列，尤其是工程图学作为其重点课程之一，为学校培养了诸多的杰出工程师。本文作者以访问学者身份赴宾州州立大学(PSU)交流一年，观摩了工学院(SEDTAPP)(College of Engineering-the School of Engineering Design, Technology, and Professional Programs)工程图学课程EDSGN100，包括课堂旁听、辅导作业和上机实验、平时测验及期末考试、项目设计等诸多教学环节，并与学院的相关教授、助教、学生进行了大量交流，借此对美国的工程图学教育进行较为全面的了解并受到了深刻的启发和思考。基于此，提出了工程图学教学改革方法探索研究，为国内相关课程教学提供借鉴和参考。主要集中在重塑教学内容，以零件图作为思维导图开展模块化主题式教学；制作三维虚拟教具及视频，强化学生读图能力；以三维设计为导向的延展实践教学应用，这些是与其他研究不同的较为具体的研究思路。

1 国际背景下工程图学教学模式对比研究

1.1 教学内容—重视三维构形，关注细节

EDSGN100工程图学被评为全美示范课程。主讲教师吴新利教授已有二十多年的授课经验。有40名大一新生选择了这门课程。该课程一周授课3次，历时15周，共90学时。分别在3个功能教室完成分组讨论、理论学习和上机实践。有2位助教，协助学生答疑和上机实践。助教在电脑上用进度条长短表征学生每一个部分的完成情况。

吴教授在第一堂课重点阐述了课程的重要性，整个架构体系，每堂课程应覆盖的知识点，考核模式等。且课前均发放课上和课后的练习作业，统一采用特制的方格纸。

(1) 重视三维构形。相比国内授课的教学内容，该课程更强调三维形体的重要性，深入探讨正交视图、尺寸标注、轴测投影等内容。课程内容进行了精心的安排，围绕着机械工程设计开展理论、软件应用、小组协同设计等多方面的训练。

课程讲解没有具体的教材，有利于教师根据科技发展的要求随时调整教学内容，与时俱进，充满时代感。开篇直接讲解正交投影、三视图的绘制。教师通过图1中的胶片投影展示借助玻璃容器观测三维实体，引出6个视图之间的三等关系，并阐明ISO国标标准和ANSI国标的差别。随后的每个主题便围绕三维实体的绘制逐渐深入讲解，从基础的绘图比例、圆弧切线、尺寸标注到轴测图的表达。在理论课上教师会详细剖析案例的绘图步骤，和学生同步绘制三视图，再加上课后大量的练习，整体学习效果明显。

图1 胶片投影展示通过玻璃容器观察三维实体Fig. 1 3D solids film projection shows through glass containers

此外每周安排有SolidWorks的主题训练，学生通过软件引导，逐步完成最终的图形绘制学习，进一步推进了三维实体空间想象力的训练。

这种重视三维构形的内容设置是美国工程图学教学的精髓。图学理论中离散孤立的知识点被精心地串联起来，学生的思维也很自然地从三维形体设计发散到表达方式的正确选择、尺寸的合理标注以及零件加工的精度等方面。同时，三维绘图软件被恰到好处地融合在教学中，成为快速、便捷地表达设计思维的辅助工具。真正实现传授设计规范“图纸”的目的，而非只传授学生绘制“图形”。

(2) 关注难点和细节。虽然不同于国内授课重视基础理论知识点，但授课教师很注重难点和细节。如强调虚线的画法：若虚线为粗实线的延长线时，虚线在连接处应留有空隙。图2右上角为图形的轴测图。学生在教师的引导下，通过对比图形占的方格数，能够按比例快速绘制出顶视图、主视图和侧视图。因美国国家标准ANSI与国内标准ISO体系不同，所以3个视图略有差别。通过实例的训练，学生既能在脑海中将轴测立体图形转换为平面三视图，也能理解虚线的正确画法。

图2 三视图及虚线画法的训练Fig. 2 Three-view and dashed-line painting

对难点组合体部分。教师会引导学生详细分析形体，看视图抓特征，分解形体对投影，最终在脑海里构思出整体构形。并且会举一反三，将同组的图形放在一起强化训练，使学生能真切理解知识的运用。如图3所示。2组视图层次较多，顶视图完全一样，主视图也很像，但空间形体却绝然不同。突破口就是分解形体抓视图特征。以第1组为例，教师将主视图按照封闭线框及特征分解为4部分。顶视图根据长方形分解为3部分。然后将顶视图与主视图比对，如：4对应位置Ⅰ吗？如果对，则4在最前端且高度最高，4之后的图形都不可见，则1，2，3所指图形均为虚线，与主视图不符；4对应位置Ⅲ吗？如果对，则4在最后端，4之前的部分均可见，则主视图3对应的图线不应是虚线……，如此通过“工程语言”与图形反复对话，直到正确对应。

图3 2组组合形体视图分析Fig. 3 Analysis of two sets of combined views

1.2 教学实践——立足项目设计，理论与实践有机融合

在美国大学，尤其是研究型大学的工程图学教学中，多包含项目设计的训练内容。EDSGN100课程也不例外。学生从第二周开始，就进入了分组项目设计阶段，40名新生共分为8个小组(每组5名)，并贯穿整个学期。要求学生在设计过程中自上而下，完成设计目标的确定、设计任务的分解、功能性分析、经济性分析、结构性设计等等。针对各个设计环节，教授均提出非常明确的要求，并给与有效的指导和必要的考核。

例如：教师要求设计一个折叠购物车，设计要求：①是运输日用品和其他材料的理想选择；②紧密折叠，便于存放；③材料成本不得超过50美元；④重量应为100磅。以第6小组为例，小组成员通过仔细分析项目要求，采用头脑风暴等方法选定设计方案；通过三维软件SolidWorks对购物车局部及整体进行建模，如图4所示；然后在工作室制作出实体模型，如图5所示；最后撰写完成项目报告并答辩。项目报告包括完整的问题陈述、任务说明、客户需求评估、甘特图、设计方法、工作图、模型、工程分析、费用分析、结论、参考资料、致谢。小组成员任务分工见表1。

图4 购物车车轮及整体结构三维建模Fig. 4 3D modeling of shopping cart wheels and overall structure

图5 实验室购物车模型制作Fig. 5 Laboratory shopping cart modeling

表1 任务分工Table 1 Division of tasks

此外，该学院很多设计项目都是由公司赞助的。在每学期末举行大型的机械设计项目展示会。每个系优选的项目模型参加展示及评选，很多研究都已申报专利并进一步产品化。

这些产、学、研、用的项目都极大的激发了学生的学习和创新热情，整个设计过程中，学生团队是实施的主体。通过一系列的教学实践，学生能够融合串联工程图学课上各知识点及专业课理论知识，并将三维软件有效的应用到项目设计实施中去。

1.3 教学手段——胶片投影、多媒体、白板“三位一体”

教学手段利用胶片投影仪、多媒体、板书 “三位一体”教学媒介全方位阐述。徒手绘图与计算机绘图“双管齐下”，将知识点有效的融汇到图样中。教师会选部分案例，利用胶片投影仪详细剖析绘图思路和步骤。

教师通过胶片同时展示三维立体图和平面三视图，剖析立体每次截切后对应的三视图绘制思路。如图6所示，在长方体的基础上，先左右斜截切+底部凹型槽截切(对应红色标示)，再进行垂直+斜切到底(对应绿色标示)。学生精准地紧跟教师的绘制步骤脚踏实地的去实践。一方面教师亲自绘制图样，可以有效把握讲解的节奏，传授重要的知识点，且能得到学生的反馈，清晰解答学生疑惑的问题；另一方面学生在与教师的同步绘图中，有足够的思考时间，能及时提出问题，分析解决问题。在教与学的良性互动中，学生不断加强空间三维实体与二维三视图之间的转换理解。另外教师可利用胶片的特点，灵活延展不同实例，加深学生对同类知识点的深入思考。

对于不能用二维清晰表达的图样(图7)，教师会采用多媒体及绘图软件，协助学生进行空间形体的想象，并映射到二维图形中，完成“图纸”到“形体”的多次转换训练。

图7 利用多媒体协助学生理解二维图样Fig. 7 Use multimedia to help students understand two-dimensional drawing

此外对于重要的概念及总结，教师也会利用白板进行解释。

教师灵活运用“三位一体”的教学模式不仅保留了传统教学的课堂互动性，又充分发挥了多媒体的形象化和高效性，极大地帮助学生构建空间观念，实现“体”与“形”的接轨，更能加深学生的理解。

2 国内教学方法改革探索与实践

通过对比国际化工程图学教学模式，结合国内授课特点，深入思索，进行如下教学方法改革实践。

2.1 模块化教学内容编排

目前国内多数高校工程图学课程的教学内容，依旧是从最基础的基本知识与基本技能入手，逐步讲授形体几何要素-点线面的投影、基本形体的三视图及尺寸标注，组合体的构造及三视图，机件常用表达方法，零件图，装配图等。如果学时充裕，该种模式由易入难，类似“搭积木”的模式，最终系统化完成零件图、装配图的读图及绘图的学习。

但为了加快建设一流本科教育，促进人才培养质量显著提升，国家对学生的素质有更高的要求，同时学时大幅缩减。这种“细而全”的授课模式不一定能达到预期的效果，或出现“头重脚轻”，分配给零件图、装配图的学时很少，无法有效达到课程的授课目的；或出现“囫囵吞枣”，学生无法及时理解消化知识点的问题。教与学的效果都受到一定的影响。为此，尝试对教学内容进行模块化的编排，重新制订完善培养方案，突显时代特征。

以《工程制图B》为例，授课对象为近机类本科生，共48理论学时。将原有教学内容重新排列组合，删减基础的形体几何要素-点线面的投影，以装配图作为引导，由零件图作为课程开展的思维导图，拆解各知识要点，以专题的形式逐一攻破。实践由全局到局部，再综合的讲授模式，多角度培养学生空间想象能力和形象思维能力。

因轴套类零件使用非常广泛，所以选择带有轴套类的装配图入手，拆分出轴套类零件。如图8所示。

零件图里涵盖了工程制图的所有知识点，就像一个“宝库”，由其分解各主题，进行深入讲解。学生在学习的过程中，首先认知了整体的装配图、零件图的构形表征。再逐一专题学习包括正投影法三视图的投影规律，组合体(曲面体相贯)，剖视图、断面图及向视图等机件表达方式，尺寸标注等。由具体应用实例带动课程内容的专题展开，目的性明确，效果会更好。

图8 轴套类零件图涉及的知识点Fig. 8 The knowledge points involved in the parts diagram

2.2 利用三维虚拟教具，强化读图能力

通过多年的教学实践，真切感受到学生在刚开始学习时，兴趣浓厚。但随着内容的深入，尤其在学习截割体及组合体后，理解难度加大，部分同学不能在第一时间跟上讲授的步伐，直接影响授课效果。究其原因是学生脑海中积累的三维形体库存较少，虽然书中绘制有立体轴测图形，但学生依旧很难在头脑中构建出对应的三维形体。纵观传统教学，教师会展示一些实体教具，增强学生的视觉感官，促进理解，但因不同课时所需教具类别不同，且不能照顾到所有同学，效果受限。而目前盛行的多媒体课件，重心在精美的动画制作，不在三维实体的细节展示，效果依旧未达到预期。因此尝试结合传统与现代教学媒体的优势，利用SolidWorks制作所有例题、习题、及课外拓展的三维虚拟教具视频动画(图9)，可以实现不同角度尤其是三视图的展示。将其提前发给学生预习，这样在课堂讲授时，教师和学生可以有针对性的对难点进行研讨。通过实践，学生三维形体库储备得到提升，在教学相互匹配的基础上，授课质量大幅提升，也促进了学习的积极性。

图9 三维虚拟教具示例Fig. 9 3D virtual examples

2.3 延展实践教学应用

要想真正掌握工程图学的精髓，单依赖课堂授课是远远不够的，必须要进行拓展实践应用。学生只有在独立运用知识点解决问题的过程中，才能感悟掌握。

国外比较重视学生的动手实践环节，多数课程都配套有相关联的实验设备和场所，有完善的实验室使用管理制度。对比国内教学，实践环节还有待进一步完善提升。因此在现有教学条件下，可以借鉴国外项目设计的理念，通过专业综合设计版块，强化学生的实践。近年来，尝试引导学生通过SolidWorks软件虚拟设计机械构件，行星齿轮等。再通过3D打印各零件，装配出最终的机件，图10是学生设计的转动手柄，共包含有9个零件。打印的实体件要满足设计要求，且能实现机构的运动。

图10 3D打印转动手柄Fig. 10 3D print rotation handle

虽然最终的机构件由3D打印机完成，但整个实践过程依旧给了学生自由发挥的空间。学生不再是被动的纯知识输入体，而是主动创新设计的实施者。从初始的解读文字性的设计要求，再到转换成电脑里的“零件图纸”工程语言，最终完成零件的打印、装配。整个过程学生全程参与，不仅体悟到如何运用工程图学的知识分析问题和解决问题，还能掌握三维软件的使用。相信学生的收获是非常大的。在此也建议在未来的工程图学考核环节改革中，应加大学生动手能力、创新能力和综合能力的考核环节。以使学生的能力和素质得到全面的培养和提高。

2.4 教学改革实践成效分析

作者从2016年就开始尝试工程图学的改革，2017年在课堂上融入了部分三维建模的理念，学生反响较好，学习成绩有一定的提高。表2为16，17级测控和材料专业(授课难度一致)学生的成绩对比。可以看出学生出勤率、考试优秀率、平均分均有所提高，不及格率降低。

表2 两届学生的成绩对比Table 2 Scores comparison of two grades students

2018年全程参与了宾州州立大学工程图学的授课，2019年即以材料2班作为试点进行了具体的三维设计的教改实践，增加了三维虚拟教具的使用，加入了课堂研讨及综合设计板块。图11为教改实践成效对比。可以看出材料2班学生课堂回答问题积极参与率高，作业、随堂测验、综合设计、卷面等优秀率都高于1班，且无不及格。

图11 教改实践成效对比Fig. 11 Effectiveness comparison of the education reform practice

通过教学模式的探索实践，教师深切感受到，学生的设计能力、三维建模及读图能力都有大幅提高，激发了教与学的积极性，焕发课堂生机活力。

3 结 论

通过深刻透彻的接触宾州州立大学工程图学课程EDSGN100的教育理念，从教学内容、实践、手段等多个方面，探讨了课程教学特色，重新审视国内教学现状，对工程图学教改尤其是机械设计的应用具有如下借鉴价值，建议国内的教师学者能够结合实际环境，有效开展教学。

(1) 强调三维教学，突破教学章节的限制，而不是面面俱到灌授。课程内容体系构建合理，授课内容“少而精”。建议国内工程图学教育工作者能适当淡化传统内容中的图解法，突出三维实体在未来设计中的地位。

(2) 将图学教学内容与设计思维相结合，强调与工程实际紧密结合，强化学生的表达技能训练和主观能动学习，强调实践性教学。在团队项目设计实践中，学生主观能动性强，自主参与到项目设计中，有效融合基础理论知识，软件辅助绘图。既加强了工程图学语言交流，又加强了团队协作。此外可考虑将教学和实操紧密结合，将课堂教学适当移动到工程机械装备制造厂车间现场教学，以增强对工程机械结构感性认知和实践能力。

(3) 教学手段中不全依赖多媒体课件，而是综合灵活运用三维软件、多媒体和板书的教学模式。徒手绘图与计算机绘图“双管齐下”，教师的言传身教强化学生规范化、标准化的徒手绘图意识。因此国内图学教师需重新评估传统的教学手段，尝试在传统和现代化教学媒介中寻找两者的平衡点，以获得最佳效果。

(4) 建议国内的工程图学考试改革中，不仅要考核学生基本理论知识的掌握情况，更应该将学生动手能力以及创新能力列为成绩评定的重要指标。多元化评估机制可以提高学生的综合能力，激发学生的潜能。这样才能与时俱进，培养新一代应用型创新人才。

总之，作为图学教育工作者，应适应当前时代发展趋势，转变原有的教育教学理念。从工程出发，以人为本，在高校与企业间发挥桥梁作用，促进产、学、研、用有效结合。努力培养造就新一代应用型的“双一流”创新人才。