课赛合一的工程制图系列课程创新教学模式探索

汤晓燕 云忠

[摘 要]结合当代社会发展对创新型人才培养的最新需求，阐述图学教学的重要性，借鉴国内外工程制图教学模式，探索一种教学与竞赛相互融合、教学相长的教学新体系。以全国大学生图学竞赛、创新大赛的要求，开展以“学生自主学习、能力训练”为核心的创新教学改革，强化构型设计、零部件表达、计算机二维成图、三维建模、创新设计的实践训练，探讨全过程多元考核评价方法，激发学生学习潜能，提升学生绘图读图、交流合作、归纳总结、分析解决问题、三维建模、设计创新的能力。

[关键词]课赛合一;图学竞赛;工程制图系列课程;教学模式

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2020）12-0050-03

随着经济全球化的迅猛发展，“一带一路”国际合作的推广、“中国制造2025”战略的全面实施[1]，国家对高素质、创新型、应用型人才的需求不断增加，因此提高高等工程教育质量对于做好人才培养、人才储备工作起着至关重要的作用。

工程制图系列课程是工科院校各专业必修的主干技术基础课，它研究绘制和阅读工程图样的原理和方法，在工程科学的人才培养体系中占有重要地位。其目的是培养绘制与阅读机械图样的能力，对三维形状与相关位置的空间逻辑思维与形象思维的能力，以及利用计算机绘图与建模能力。此外，在教学过程中还会有意识地培养学生的自学能力、分析问题、解决问题等工程实践能力，小组合作、设计创新能力，以及认真负责的工作态度和严谨细致的工作作风。

一、国内外工程制图教育现状分析

国外的工程制图教育比较注重内容与设计相融合、案例与实际相结合、教学目标与企业需求相结合，已基本完成了向数值化的转变。比如美国加州大学圣地亚哥分校的MAE3课程[2]就将图学、设计、计算机技术融为一体，要求学生在学习制图基本原理、三视图、轴测图、剖视图、零件图、装配图等基本知识的同时，用计算机软件Invents做三维实体造型来表达设计思想，用AutoCAD准确绘图工程图。用实际工程案例，如时钟、自行车或机器人，开展实践教学，要求学生通过小组合作徒手绘制零部件草图，共同完成满足特定功用要求的产品设计，并在实验工厂、基地制造出产品雏形，最后开展小组答辩、演示成果。

国内大多数高等院校的工程图学课程教学改革虽然在理论与实践相结合、增强实践训练方面开展了许多工作，但就如何与国际工程教育接轨、如何达成学习成果的研究并不多。以下是国内工程图学课程教学改革的探索例子，比如汕头大学工学院在顾佩华教授的带领下开展教学改革，于2014年成为了首个中国高校CDIO（Conceive、Design、 Implement、 Operate）成员[3]。燕山大学随后开展了“基于CDIO的工程图学教育改革探索”。2015年，常州大学聘请美国教授面向“过程装备与控制工程”专业的学生，开展“工程制图与CAD课程”的短期授课，并深入分析外教的教学内容、手段、授课特点、实践组织形式以改革常州大学现阶段图学教学。另外，吉林大学谷艳华老师开展了“工程图学在线教学实践”;哈尔滨工业大学唐艳丽等老师借鉴先进图学技术竞赛的理念设置创新实验课，开展图学拔尖人才培养，取得一定成效[4]。

当前国内与图学类课程对接，最具影响规模的“国家级”赛事是“高教杯”全国大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛。该赛事从2008年至2019年7月共举办了11届，参赛学校由最初的51个发展到331个，参赛团队由58个发展到541个。比赛考查学生的绘图、读图、产品表达能力，以及运用CAD软件（AutoCAD， Solidworks， Pro/E等）解决工程问题的能力。比赛包括尺规作图和产品信息建模两部分。尺规作图竞赛要求参赛者结合题目已知条件，在规定的90分钟时间内正确绘制出零件图。产品信息建模比赛时间为180分钟，要求选手运用CAD软件完成大概3道试题，包括计算机二维绘图、零件三维建模、部件三维装配或回答相关问题。

全国大学生机械创新设计大赛也是一个与工程制图、机械设计课程紧密对接的很具影响规模的“国家级”赛事，考查参赛学生的创新设计、工程实践能力，其获奖作品能充分展示我国高等院校机械学科的教学改革成果和大学生机械创新设计的成果，积极推动课程教学、机械产品研究、设计与生产的结合[5]。

“高教杯”图学大赛、机械创新设计大赛为各类高校参赛学生展示其图学理论、成图技术水平、创新能力搭建了平台，也为图学教育工作者提供了互相学习交流的机会，不仅能提高学生的图学学习兴趣，激发其创新潜能，也能引导教师不断提升教学科研能力，优化制图系列课程的课程体系、教学资源、教学模式，在高等院校培养强能力、高素质的创新型人才中起引领和推动作用。

二、课赛合一的工程制图系列课程新体系

我们立足于中南大学可视化教学云平台，构建了工程制图系列课程的“网络化、数字化、个性化、终身化”的教学体系，提出并贯彻以信息化教学为平台，以设计为线，以学生自主學习、能力训练为核心，以提升学习成果达成度为目标的教学理念来开展制图系列课程的日常教学与训练工作[6-7]。

工程制图系列课程新体系如图1所示，采取“先简单后复杂，从模仿到改进再到创新”的逐步推进的思维训练方式，其设计路线为“设计思维培养—组合体设计—零部件设计—机械产品改进设计—创新产品的设计”，并给出了教学新体系中各门图学课程、教学各部分知识点与拟开展的对应学科竞赛之间的关系。教学中组织开展虚实结合的课内实验、综合设计与创新实践，能更好地实现课程教学与创新型应用型人才培养的对接，全方位地推动图学教育走上新台阶。

三、以“学生自主学习、能力训练”为核心的教学改革

教学内容参考往届全国大学生先进成图技术、三维建模大赛、机械创新设计大赛的项目作调整，充实相关知识点内容并强化相关技能的训练。同时完善网络教学资源，建设虚实结合的实验实践训练模块;结合往届全国大学生图学竞赛、创新大赛内容，建设“比赛案例训练”模块。

教师精心准备，做好教学设计安排，借助多媒体课件、动画、视频等手段，采用讨论、翻转课堂、案例分析、项目驱动等方式开展线上线下混合式教学。制图系列课程根据机械类、近机械类、非机械类专业的毕业要求，采取层层推进的教学模式，具体教学安排如下文所述。

（一）工程图学（I）、工程制图基础B共有48学时，面向非机械类、近机械类、机械类本科生一年级，侧重培养学生的工程意识以及自主学习、构型设计、投影制图能力

（1）通过课前导学、课堂讨论、课后复习与拓展训练等环节来培养学习兴趣和工程意识。

（2）增加构型设计原则、方法及应用的相关知识。开展比如已知一个投影、两个投影求解多个第三投影，通过几个相同形体组合构型并作图，积木拼图与构型，模型制作比赛等多种形式的训练，培养构型设计能力。

（3）结合现有教学、实验模型以及正在建设的虚拟模型信息库，开展尺规绘图和计算机绘图训练，培养投影制图能力。

（4）通过专题讨论、小组汇报培养学生的综合表达、归纳总结能力。专题讨论要求学生平时多观察生活，找到与图学知识点相关的结构、形状、实际物件来作介绍，或介绍图学历史、CAD技术等。

（二）工程图学（II）共有32学时，面向近机械类、机械类本科一年级学生，侧重培养学生绘制、阅读工程图的能力以及分析解决工程问题的能力

（1）通过模型测绘、工程图读图析错训练、计算机绘图训练来培养画图读图能力。

（2）补充实用性和综合性的内容，以实际机械产品、工程案例的结构为研究对象，分析其表达方法、尺寸标注、技术要求等相关问题。

（3）虚实结合的零部件测绘训练采用案例教学方式，以功能器件（比如千斤顶、球形阀、机用虎钳、镜头架）为研究对象，加强对学习过程的指导与监督，引导学生发现错误、努力分析并解决问题，最终能灵活运用计算机绘图软件进行产品的零部件结构设计、三维造型，并正确完成其工程图。

（4）课外专题讨论内容来源于生活，自主选题，比如机械手表、自行车、手枪、门锁、机械玩具的工作原理分析等。学期后阶段组织开展二维成图大赛。

（三）机械产品测绘与三维设计共有32学时，面向机械类本科二年级学生，侧重培养学生分析解决工程问题、改进机械产品设计的能力

采用项目驱动教学的方式，开展对典型机械产品（齿轮油泵、减速器、球形阀等）作改进的专题讨论，布置产品改进设计任务。例如：以阀门设计为主题，要求学生查找相关资料，读懂相关图纸，讨论手压式、螺旋拧紧式、液压式、不同阀瓣、不同外形、不同材料等不同种类的机械阀，探讨其优缺点，自主设计一款实用、环保、新型的阀类产品，开展改进前后产品的零部件三维建模、二维工程图绘图训练，撰写“×××机械阀的改进分析报告”。学期后阶段鼓励学生参加三维建模大赛。

定期组织院级、校级的小竞赛，在网上公布竞赛排名成绩，培养学生的竞争意识，逐步形成“你追我赶”的良好学习氛围。

（四）工程图学综合设计与创新实践共有2周，面向机械类本科二年级学生，侧重培养学生交流合作、归纳总结、分析解决问题、设计创新的能力

前期举例介绍各类创新设计方法，学生通过观看往届优秀作品、大赛获奖作品以及开展小组讨论来激发创新设计灵感。布置开放式选题“×××创新产品设计”大作业，可参考近年全国机械创新设计大赛内容来选题，学生小组合作完成创新产品的三维实体建模和完整的零部件工程图，撰写设计报告并展示创新设计作品，完成答辩。课程设计结束后，组织开展院级、校级创新设计大赛，层层选拔、不断改进，再推优参加全国大学生竞赛。

四、工程制图系列课程的全过程多元考核评价方法

考核评价应重视对学生学习过程和学习结果的考核，工程制图系列课程多元考核体系如图2所示。

考核主要针对学生的绘图读图、交流合作、归纳总结、分析解决问题、三维建模、设计创新等八种能力进行基于“学习成果达成度”的综合性评价，其中，平时作业、构型训练、计算机软件（AutoCAD 和 SolidWorks）上机训练、零部件测绘训练等部分，考查学生对课堂基本知识的掌握程度以及对CAD 使用的熟练程度。评价学生的课堂答问、讨论参与度可调动学生学习积极性和主动性。做创新设计大作业可培养小组团队协作精神。

为鼓励学生积极参赛，将学科竞赛成绩作为课程成绩的加分奖励项。开展校级二维成图大赛（尺规绘图）、三维建模大赛、机械创新设计大赛，表彰获奖学生，激发学生的学习潜能，同时选拔优秀学生加强训练并参加全国大学生竞赛，竞赛获奖的学生在继续深造、保送读研方面都给予优先考虑。

课题组教师定期研讨，对改革进展情况进行及时总结和反馈，不断调整，逐步完善，并通过教改论文、工作汇报等形式将教学改革与实践成果进行推广，扩大受益面和影响力。

五、结束语

在全国高校大力开展创新教育的大背景下，中南大学图学教学团队以“学生自主学习、能力训练”为核心，参考往届全国大学生成图技术、三维建模大赛以及机械创新设计大赛的要求，研究课程教学与竞赛融合的图学教学创新体系，从线上线下资源建设、虚实结合的实验设计、各种形式的实践训练、全过程多元考核评价等方面努力，以赛助学、以赛助教，构建能力培养的学习环境，助力学生八大能力的养成，取得了一定的成效。改革实践证明该培养目标、训练形式以及实施办法可行有效。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 周济.智能制造：“中国制造2025”的主攻方向[J]. 中国机械工程，2015（17）：2273-2284.

[2] 毛文武.美国加州大学圣迭哥分校工程图学课程教学研究[J].工程图学学报，2007（5）：172-177.

[3] 顾佩华，胡文龙，林鹏，等. 基于“学习产出”（OBE）的工程教育模式：汕头大学的实践与探索[J]. 高等工程教育研究，2014（1）：27-37.

[4] 唐艳丽，罗云霞，何蕊.基于先进图学竞赛的图学拔尖人才培养探索[J]. 机械设计，2018（S2）：14-16.

[5] 蔡晓君，刘湘晨，窦艳涛.基于CDIO 理念的机械创新设计大赛的组织与实施[J]. 大学教育，2017（7）：35-37.

[6] 朱琳， 寇小希， 胡国田， 等. 基于三维设计的制图类课程改革与实践[J]. 教育教学论坛， 2017 （38）： 120-121.

[7] 丁乔，张孟玫，李茂盛，等. 以学生为中心的机械制图混合式教学模式研究与实践[J]. 图学学报， 2018（2）： 362-366.

[責任编辑：庞丹丹]