“画法几何与机械制图”课程改革与实践*

陈俊君 ，徐 冰 ，刘振国 ，高红斌 ，刘 垚

（1.山西大学自动化与软件学院，山西 太原 030031；2.山西大学电力与建筑学院，山西 太原 030031）

“画法几何与机械制图”是机械类专业学生必修的一门专业基础课程[1-2]，是学生入校后接触到的第一门工程应用类课程，在机械工程专业课程中处于十分重要的地位[3-4]。该课程的特点是理论严谨、逻辑性强，植根于丰富、直接的工程应用背景，其目标是使学生掌握运用工程图样来理解、表达和设计机械产品的理论和方法，培养学生从三维空间到二维平面，再从二维平面到三维空间的想象力和几何形体的构思能力，同时增强学生创造性构型、设计的能力以及使用尺规作图、徒手绘图的能力。

1 “画法几何与机械制图”课程教学中存在的主要问题

1.1 理论灌输现象严重

传统的“画法几何与机械制图”课程由于知识点多、学习任务重，存在重视理论教学，忽视理论联系实际的问题。过多理论知识的讲授使该课程变得很枯燥，学生刚开始接触这门课程时对立体空间构型原理不太理解，随着学习内容的增加，对该课程的学习积极性会下降，甚至可能出现抵触的心理，进而对该课程的后续学习产生负面影响。

1.2 学生的主观能动性较差

“画法几何与机械制图”课程教学以教师为主导[5]，课堂教学的大部分时间是由教师引导学生进行学习，学生学习过程中的主动性、积极性不高，学习氛围不热烈，教师和学生的课堂互动较少，理论联系实际的环节不多。这容易导致学生缺乏独立思考和自主学习的能力，老师讲授哪些知识就吸收哪些知识，课外学习拓展的内容很有限，这些都不利于开拓学生的创新思维和培养学生的探索精神。

1.3 实践教学环节相对薄弱

为了不断优化教学效果，老师们集思广益，在课堂上进行了一定的改进，如采用木制实物模型、应用计算机软件进行绘图、对零部件进行实物测绘等，这些方法在一定程度上能够增强学生对知识点的感性认识，提高学生对该课程的学习效果。但同时也存在着明显的缺陷和不足：传统的木制模型一般造型比较陈旧、携带起来不方便、数量和种类不多，而且很多具体结构与教材上的并不一致；计算机绘图大多侧重于二维平面图形的绘制，与三维建模的结合较少，不能很好地满足现代教学的需求。因此，结合课程的特点增加教学过程中的实践环节是很有必要的。

1.4 教学模式缺少思政元素

为了践行好立德树人的原则，把思想政治工作贯穿教育教学全过程[6-7]，破解思政课程与其他课程特别是专业课程之间“两张皮”的问题[8-9]，课程思政工作在多个省市的若干高校进行了试点，课堂教学效果比较显著。鉴于此，在“画法几何与机械制图”课程中可以参照相关试点高校的成功经验，把课程思政灵活引入到教学过程中进行消化吸收再创新。传统教学模式下的思想政治课是由该课程的任教老师将思想观念、价值观点、道德理念、社会责任、法治观念等内容直接传递给学生，讲解过程较为枯燥，学生接收较为被动。“画法几何与机械制图”课程作为高等院校中机械类专业学生的必修课，学时相对比较宽裕，在该课程的实践教学中能够结合思政元素的知识点较多，因而可以尝试将课程思政内容充分融入整个教学过程之中，使该课程的教学形式不断丰富，提高学生对“画法几何与机械制图”课程的学习热情，同时将课程思政内容自然而然地传递给学生，努力为国家和社会培养德才兼备的高素质专业技术人才。

2 融入课程思政的“画法几何与机械制图”课程改革措施

在教学过程中，应将思政内容尽可能自然地融入“画法几何与机械制图”课程的教学之中。课前，针对不同章节内容挖掘其在教学过程中所涉及的思政元素。例如：画大图实践课程需要同学们查找机械制图相关标准及绘图规范，在画图过程中应该要求严格按照机械制图国家标准正确绘制图样，不能因麻烦、烦琐而节省步骤。逐步培养同学们的工作意识，在后续的学习及将来工作过程中养成兢兢业业、认真细致的良好习惯。同时具有良好的职业道德，能够做到遵纪守法，形成精益求精的工匠精神。在学习制图标准的过程中，让大家体会到标准的制定是国家科技实力的体现，谁制定了标准，谁就掌握了科技竞争的主动权，不断提高学生的爱国主义情怀。通过在“画法几何与机械制图”课程中融入课程思政元素，一方面能够提高学生的语言组织和表达能力，潜移默化地增强学生的学习热情；另一方面采用分组讨论学习的方式，培养学生的团队合作精神，不断加深其对本课程和本专业的认识与了解，从而明确今后努力的目标。在课程思政实践过程中，综合教学方式、教学内容、教学改革等方面的特点，通过各类生动的案例将“画法几何与机械制图”中的知识点与思政元素紧密结合，使学生在学习专业知识点的同时能够更加深刻地学习到思政知识，这既能丰富本课程的教学内容，吸引大家积极学习课程所蕴含的专业知识，又能把思政知识自然而然地教授给学生，培养同学们高尚的道德品质，达到立德树人的目的，为社会培养高素质的专业技术人才。针对“画法几何与机械制图”课程教学中存在的主要问题，本文将课程思政融入教学过程之中，在不断提高学生学习兴趣的同时，使学生感受到自身肩负的责任，具体采取的改革措施如下。

2.1 理论与实践相结合，提高学生的主观能动性

传统的教学过程中学生一般使用CAD软件绘制二维平面图形，对于简单的实体，这种表达方式能够满足同学们对形体结构的理解；当实体结构较为复杂时，二维图形的表达方式显得比较抽象，制约了学生的空间构型能力，当老师对立体结构进行讲解时，学生很难甚至无法想象出完整的空间几何体。为了激发学生的学习热情，老师可以引入大国重器部分的内容，如我国探月探火的飞行器，都是由一张一张二维图纸经过加工制造生产组装出来的。接下来，老师可以引入三维UG NX软件，根据二维图形创建三维空间实体模型，直观地展示给学生。通过UG NX软件创建模型库，制作方便，建成后内容更丰富，当课程教学目标和教学内容调整变化时，只需在软件中对模型结构进行修改和调整即可。与常规的木制模型库比较，虚拟三维模型库种类多，不需要购买，也不用实际的物理储藏空间，管理方便，既提高了教学质量，又降低了教学成本。

与此同时，采用UG NX软件创建的三维实体模型能够以多种材质形式展示，在观察模型的过程中，通过鼠标就能够方便地对模型进行转动、平移和缩放，就像观察实物一样具有直观的立体感。对于内部结构较复杂的实体可以应用软件方便地实现全剖、半剖、旋转剖、阶梯剖等剖切方式，清晰地展示出形体的内部结构，使读图过程变得十分具体、生动。虚拟模型具有很好的适用性，当培养目标和教学内容改变时，在软件中对模型进行针对性的修改即可，根据不同的教学内容使用不同的虚拟模型，使教学过程目标更加明确，同时还可以配合较难的例题及课后习题去设计模型。

利用UG NX软件，可以实现“画法几何与机械制图”课程的实时化、动态化教学，理论教学与三维建模相结合的方式，可以有效提高教学质量，软件具有的强大功能也让同学们耳目一新，使得课堂教学难度降低，学生的学习兴趣得到提升，为学生的发展提供了更多动力。

2.2 翻转课堂，充分调动学生的学习积极性

传统的“画法几何与机械制图”课堂教学，教师往往在课上讲解大量知识点，同学们跟随老师的思路进行学习，每位同学学到的知识都是相同的，对于基础好的同学来说，统一接收到的学习内容存在一定的局限性，不能充分调动大家自主思考、主动解决问题的积极性。通过改进和优化“翻转式课堂”的教学方法，老师在课前给学生布置好下一次“画法几何与机械制图”实践课的学习内容，学生课下围绕该实践内容进行探索式、启发式学习，能够获取更多的专业知识。例如，学生可以带着问题去网上查找资料，或通过图书馆查阅专业书籍资料，跟同专业同学进行讨论，咨询相关老师等方式来完成自己的实践学习。同学们不但要自己理解掌握相关知识，还要向老师平时备课看齐，细致认真地准备需要讲解的专业知识，这样同学们会把在课堂上讲清楚知识点的压力转化为学习的动力，对各个知识点进行深入学习和理解，同时提高自己的语言表达能力和逻辑思维能力。在课堂上，鼓励学生将自己的实践学习内容进行讲解，把自己获取的知识分享给其他同学，老师作为听众在倾听的过程中可以就一些新颖性、创新性强的知识与同学们进行讨论式学习，对学生存在的问题进行解答，师生互动共同学习相关实践课的内容。采用翻转课堂的教学模式，能使同学们体会到老师平时备课的辛苦和勇于探索、勇于创新的职业精神，也能够对学生的学习产生潜移默化的影响，促使他们认真学习专业知识。采用翻转课堂的教学模式，能够增强学生独立思考、探索学习的能力，同时也能够增强学生学习主体的意识，从被动的“要我学”变成主动的“我要学”。

2.3 增设实践教学环节，培养学生的工匠精神

实践教学对于学习“画法几何与机械制图”课程有重要的积极作用，通过参观模型室、制作模型，加强学生对图形结构投影的理解。由于学生刚开始对二维图形到三维实体和三维实体到二维图形相互转换的理解构思能力较弱，需要比较直观地用模型去展示，可以安排学生去学校的模型室参观学习，同时创新性地安排同学们自选材料动手制作模型。考虑到成本和实用性，可以选用比较简单的材料来制作模型，如采用积木、纸壳、软泥、塑料等，有条件的情况下可以购买设备、材料等进行3D打印。实际教学中，可以在同学们学习完点、线、面的投影，开始接触实体的投影表达时，在“画法几何与机械制图”课上让学生用积木或软泥制作一些简单的实体模型，并尝试将实体的三面投影按照投影原理绘制出来，从而体会三维实体和二维投影的对应关系，在这个过程中也能让同学们体会到“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”的道理，在实践中才能更好地理解投影理论。在学习组合体的投影时，根据组合体的不同类型，可让同学们用积木构造叠加式组合体，用软泥构造切割式组合体，并绘制出自己制作的模型的三面投影，采用这种边制作模型边画图的学习方式，可以充分调动大家的学习积极性，促进同学们主动思考，更加深刻地理解实体造型和投影表达，提高大家的看图和绘图能力。在画投影图的过程中，叮嘱学生遵守《技术制图》和《机械制图》等国家标准的有关规定，遵守职业道德，遵纪守法，画投影图时也要精益求精，培养工匠精神。

高校一般都建有工程训练中心，“画法几何与机械制图”课中可以适当安排学生在工训中心进行参观实践。通过理论和实践结合，让同学们对知识的理解更加深刻。比如教授“画法几何与机械制图”理论知识时，可安排学生去工程训练中心参观千斤顶、齿轮油泵等装配体或者动手实际拆装一下机械零件，这种参观或者实操都优于纯理论知识的讲授，从而提高学生的空间想象力，同时让学生体会到如此复杂重要的机械产品都是由本课程中所学的图纸加工制造出来的，提高学生的自豪感和荣誉感。

为了激发学生对“画法几何与机械制图”课的学习兴趣，为社会培养更多优秀的机械学科专业人才，要求学生认真学习UG NX软件、CAD软件等制图工具。一方面，鼓励学生积极参加西门子GO PLM项目计划，报名参加UG NX认证考试，获得相关证书后可到西门子（中国）有限公司上海分公司实习或者就业。另一方面，积极鼓励学生报名参加“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，通过比赛来提高学生各方面的综合素质，促进机械制图教学工作。同学们也可以通过不断练习CAD操作技巧，报名参加CAD相关的认证考试，不断提高自己的制图绘图水平。通过对制图软件的学习，学生也切实获得了相应的技能，能够提升学生对自己的认同感和对专业的热爱程度，激发学生学好知识本领、为祖国机械工业发展贡献力量的热情。

3 “画法几何与机械制图”课程教学改革效果

在课程思政背景下，将三维数字化技术、翻转课堂、实践教学等相结合，不断激发学生的使命担当和学习热情，引导学生怀着实现中国制造业强国的远大理想进行“画法几何与机械制图”课程的学习，从“要我学”变成“我要学”，学习效果能够得到很大提升。与此同时，在翻转课堂和实践教学环节，同学们也展现出了很好的团队合作精神、创新意识、大局意识等。下文以两个典型案例对教学改革成果进行展示。

3.1 采用UG NX软件建模，补全立体的侧面投影

在使用马巧英等老师的工程制图课程资源时[10]，发现了一道补全立体侧面投影题，如图1所示，本题的重点和难点是如何正确补齐相贯线。经过分析，发现立体是由水平和竖直放置的两个半圆柱体相贯而成，同时在实体上沿水平和竖直方向还挖切掉了两个直径相同的圆柱通孔。如图2所示，认真看图后，除了箭头所指的那条线外，大部分同学能够将其余线条补齐，在老师将图2中的答案公布后，很多同学依然很费解，不知道这条线到底来自哪里，也不明白为什么实体中会出现这条线。通过UG NX软件对该立体进行建模，三维模型图如图3所示。通过观察该立体的UG模型，线条来源十分清晰，学生很快便能理解，很好地提升了授课效果。

图1 补全立体侧面投影题

图2 立体的侧面投影

图3 立体的三维模型图

3.2 引导学生发挥主观能动性，自主选择实操素材

随着我国科学技术的飞速发展，中国自主研制了C919大飞机、“玉兔号”月球车、“天问一号”火星探测器等大国重器，这些复杂机械产品的制造过程也都是从一张张机械图纸的绘制开始的，受此激发，学生的学习热情高涨。因此，在教学过程中创新性设计了创意大图比赛，让学生充分发挥自己的主观能动性，自选生活中关注到的机械产品，画出其三面投影，对其结构进行表达。同学们根据自己周围感兴趣的实物，选取了诸如小汽车、手榴弹、马桶、坦克、镂空多面体等物体进行形体表达，按照投影要求，选取了合适的视图数量和表达方法，并邀请其他同学看自己画出的二维图形去想象想要表达的三维实体的结构特征，既提高了自己绘制二维图纸的能力，又提高了同学的三维构图能力，一举两得。

4 结论

“画法几何与机械制图”课程的教学过程中存在的主要问题表现为：理论灌输现象严重、学生学习主观能动性较差、实践教学环节相对薄弱、教学模式缺少思政元素。针对上述问题，课题组在教学实践过程中，尝试将课程思政和三维软件建模相结合，融入本课程的教学之中，提高学生在“画法几何与机械制图”课程中的主观能动性；采用翻转课堂，积极调动学生的学习主动性；增设实践教学环节，增强学生的工程意识。从实际的教学改革效果来看，在课程思政背景下，学生的责任意识、担当意识、工匠精神都得到了进一步的增强，认识到了学好“画法几何与机械制图”这门课程，对我国制造业强国的实现意义重大；课程采用三维软件建模，不仅提升了学生对复杂二维图形的空间想象能力，还进一步增强了学生学好这门课的信心。