职业能力导向的工程图学课程教学创新设计

丁 颂,张照焓,窦传蕊,巢陈思

(长春师范大学工程学院,吉林 长春 130032)

创新驱动发展,实施“中国制造2025”,让中国从制造大国迈向制造强国行列,对新工科专业尤其是机械工程专业大学生职业能力的培养提出了更高的要求[1]。为主动应对新一轮科技革命和产业变革的挑战,服务国家战略和区域发展需求,推动新工科建设再深化、再拓展、再突破、再出发,2014年起,教育部组织企业支持高校开展产学合作协同育人项目。政府搭台、企业支持、高校对接、共建共管共享,推进行业人才进校园、企业需求进课堂,深化高校和企业联合培养机制,积极探索形成中国特色、世界水平的工程教育体系,建设工程教育强国[2-3]。以新理念、新标准、新模式、新方法、新技术、新文化为特征的新经济模式下,传统产业转型升级,新兴产业将成为主导产业。智能制造中不断涌现出复杂工程问题,对新工科工程教育尤其是机械工程教育培养适应未来新兴产业和新经济需要的实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才提出了更高的要求。工程图学是机械工程专业的基础课程,学生所学的技术技能贯穿整个职业生命周期。面向新工科建设,亟须匹配适用有效的课堂教学方法。

1 工程图学课程教学现状

中国高等工程教育从1895年起步阶段开始,可划分为起步、重构、调整、扩张、创新五个阶段,工程教育课程的发展划分为小规模通用型工程教育、小规模急需专业型工程教育、重基础科学教育、通识教育与基础科学教育并重、回归工程教育五个阶段[4]。2013年末,中国工程教育进入创新阶段,强化分类培养和分类指导,作为机械工程专业全生命周期基础课程的工程图学,问题逐渐凸显。

1.1 教学内容陈旧

工程图学是机械类专业的机械基础类课程。经过工程教育百年的深耕和几代制图人的不断打磨、优化,工程图学课程中的每个案例都非常典型。案例中充分展现了点、线、面、体、常用件、标准件及装配的基本理论知识,符合我国工程教育扩张阶段实情,为国家培养了一大批工程人才。2013年,教育部和中国工程院印发《卓越工程师教育培养计划通用标准》[5],标志着我国工程教育进入创新阶段。经济建设与社会的飞速发展,要求工程教育与时俱进。然而,工程图学课程中的案例对新产业发展带来的新结构、新工艺和新知识的更新滞后,严重影响工程教育培养与复杂工程问题解决的有效衔接。

1.2 教学方法僵化

以机械工程专业为例,工程图学课程一般包括画法几何、机械制图、计算机二维绘图、计算机三维绘图、机械制图课程设计等五部分。其中,画法几何、机械制图部分实行理论教学,在多媒体教室进行;计算机二维绘图、计算机三维绘图部分实行计算机技能操作,在计算机室进行;机械制图课程设计部分实行实践测绘,即在实验室对齿轮油泵、减速器等装配体的零部件进行测绘,在绘图室进行。通过MOOC、SPOC、微课等信息化教学手段,开展翻转课堂,课堂教学效果获得显著提升。但教学实践显示,信息化手段过度使用会导致“课堂灌输”转为“视频灌输”,重理论传授而轻实践创新探究,无法达到生生、师生充分互动,无法实现深层次的技能训练。

1.3 教学评价单一

工程图学课程中的画法几何、机械制图理论环节将习题、绘图作为学生课后作业,教师对作业进行批阅,在课上讲解难点、易错点,将课后作业完成情况、听课及回答问题表现作为20%～30%的平时成绩计入总成绩,其余成绩通过期末试卷进行考核。计算机二维绘图、计算机三维绘图环节将计算机绘图练习作为课后作业,最后一次课要求学生完成一项计算机绘图任务,教师根据学生的完成质量进行赋分。机械制图课程设计环节要求学生通过拆装实验室齿轮油泵、减速器等装配体,对零部件进行测量,查阅标准件,绘制非标件零件图和装配体的装配图。教师对学生的图纸进行批阅,答辩时根据提问常规问题、图中错误判断学生对知识的掌握情况,为学生赋予五级制成绩。在工程教育扩张阶段,该方法能有效地评价学生对理论知识的掌握情况。但是随着学生获取信息途径的多元化,教师对学生进行单向的评价方式会不知不觉走入同质化泥潭,无法适应工程教育创新阶段的多样性和个性化人才培养需求。

2 相关概念厘定

2.1 职业能力

职业能力是个体从事某种职业活动的多种能力的综合,直接影响职业活动效率和职业心理特征,可分为一般职业能力、专业能力和职业综合能力。一般职业能力主要包含一般的学习能力、语言运用能力、人际交往能力、团队协作能力、对环境的适应能力、良好的心理承受能力等。专业能力主要指从事某一职业的专业能力。在求职过程中,招聘方最关注的就是求职者是否具备胜任岗位工作的专业能力。例如,应聘机械工程师岗位,招聘方最看重的是学生是否具备独立绘图识图能力。职业综合能力主要包括运用工具、外语、计算机等跨职业的专业能力,收集、筛选信息及独立决策的能力,人际交往、团队沟通的社会能力,诚实守信、爱岗敬业的个人素养等。

2.2 对分课堂

对分课堂的核心理念是一半课堂时间教师讲授,一半课堂时间学生讨论,讲授与讨论时间错开。考核方法强调过程性评价,关注学生个性化需求。在教师讲授时间内,教师介绍知识框架、基本概念,着重讲授重点难点及前沿技术,单向讲授,不组织讨论,不覆盖细节。学生讨论时间与教师讲授时间错开一周,学生选择自己最合适的时间去理解、吸收教师讲授的内容。讨论环节,学生以小组为单位,互相答疑、互相提问、互相启发。对于疑难问题,全班讨论,教师引导总结。同一教学内容,经过教师讲授、课后学习、分组讨论三个过程,以过程评价为引导,不断强化学生学习的自觉性、积极性、独立性,使学生对知识、技能的理解程度逐步加深。

2.3 “引—讲—练—评”教学模型

“引—讲—练—评”教学模型由“引”(内容引入)、“讲”(精讲留白)、“练”(零件测绘)、“评”(三次点评)四个教学环节构成。模型在理念上强调学生“学到了多少”“掌握了多少”“内化了多少”,教学目标明确清晰,符合中国工程教育创新阶段人才培养需求。教学方法上要求学生主动讨论式学习,并通过过程评价对学生的学习信息实时反馈,有利于学生及时调整学习方法和学习态度。教师及时调整后续教学环节,促进教学目标的顺利达成。

3 “引—讲—练—评”教学设计

“引—讲—练—评”教学设计遵循学生中心(SC)宗旨,按照成果导向(OBE)要求,坚持持续改进(CQI)机制的原则,利用对分课堂、形成性评价,开展“引—讲—练—评”教学实践,如图1所示。

3.1 “引”——内容引入

通过引入环节让学生快速了解课堂主题,激发学生学习兴趣。将课程教学团队教师主持和参与的国家自然科学基金项目、吉林省科技发展计划项目、企业技术攻关项目,以及教师指导的大学生创新创业训练计划项目中的新技术、新思想作为引入案例,使大学生通过科研创新成果洞见前沿,通过创新创业成果感受创新。在引入机械工程领域最新发展动态和前沿技术的同时,讲好科研创新的中国故事,激发学生的求知欲。例如在讲授零件图的技术要求时,带领学生观看《大国重器》关于中国镜面加工技术突破的视频,结合“风云卫星掠入射镜正样的研制开发”项目,提出如下问题:为提高掠入射镜的面形精度和表面粗糙度值,如何设计加工用装夹模具?模具工程图上标注的技术要求作用是什么?这些问题高度契合零件图上的技术要求,能够激发学生探究科学的好奇心和内生动力。

3.2 “讲”——精讲留白

本环节运用对分课堂教学模式,每次课2学时,其中,1学时用于教师精讲留白,1学时用于学生研讨、互评等。在精讲留白环节,教师单向传授,不组织讨论、不提问,学生以听讲为主。教师通过前沿案例引入,吸引学生的注意力,重点讲授课堂内容知识框架、标准件图表使用方法、学习资源检索、归纳整理方法、知识点在后续课程应用情况、知识技能在工作岗位上需求达到的标准等。学生课后根据教师的讲解,利用视频、课件、网络学习资源等开展自主学习,学习具体知识点内容,理解知识、技能的具体应用,总结归纳学习过程中存在的问题。在学生研讨、互评环节,教师观察记录学生研讨情况,在下一节对分课堂中,教师针对学生知识运用情况进行教学内容调整,酌情强化学生掌握效果不佳和理解有困难的知识点。

3.3 “练”——零件测绘

本环节在课后完成。学生根据自己预约的时间安排进入全天开放制图室进行练习。练习过程分三个阶段:第一阶段,测绘实验室常规教学模型。学生完成零部件测量、工程图绘制后,与标准图纸对比,理解知识,查缺补漏。第二阶段,测绘近三年从企业收集的不合格零部件。学生根据零部件模型,查阅机械设计手册等相关资料,还原模型,绘制正确的工程图。第三阶段,教师指导学生参与创新项目,研讨零部件样机、三维模型等,拓展学生的零部件工程图表达思路。三个阶段逐级递进,提升学生的绘图、识图能力。

3.4 “评”——三次点评

本环节分为组内互评、组间互评、教师点评。组内互评在课前完成,小组成员对图纸进行互审、互问,完成对工程图表达的规范性和知识点的理解、运用。组间互评分为两部分——组间互审和组间问答,在对分课堂第一学时进行,教师进行观看、引导、记录。教师点评在组间互评结束后进行,教师选有代表性的1～2组图纸,从图纸规范性、问题针对性、回答准确性、表达流畅性等方面进行点评,肯定优点,指出不足和改进方向。每张图纸需要通过三次审核:第一次为组内审核,审核人将问题逐条描述并签名,然后返回绘图人修改,由绘图人逐条回复,对有歧义的地方进行小组讨论;第二次为组间审核,审核人将问题逐条描述并签名,然后返回绘图人修改,由绘图人逐条回复,对有歧义的地方进行班级讨论;第三次为教师审核,教师根据前两次审核情况,查看绘图人的修改情况和组内审核人、组间审核人的审核意见,分别给绘图人、第一次审核人、第二次审核人赋分。

4 “引—讲—练—评”教学设计案例

4.1 设计案例

基于理实一体化课堂,结合教师科研、企业技术攻关、学生创新成果的案例资源,综合工程图学课程特点,开展基于职业能力导向的工程图学“引—讲—练—评”教学设计。表1呈现了以“支架类零件画法与技术要求标注”为例进行的教学设计实践过程。

表1 “支架类零件画法与技术要求标注”教学设计实践过程

4.2 形成性评价考核

遵循学生中心、成果导向和持续改进的原则,采用形成性评价模式,全过程考核五类零部件的测绘,其中轴套类零件占10%,轮盘类零件占10%,支架类零件占20%,箱体类零件占20%,装配体占40%。对每类零部件图进行三个阶段测绘,每个阶段分别占比该零件图的60%、20%、20%。三次点评中,每张图纸分值分配占比为:绘图人80%、组内审查人10%、组间审查人10%。

5 结语

长春师范大学工程学院对基于职业能力导向的工程图学课程教学设计进行了10年的探索与实践。2017年,“现代工程图学”获批吉林省首批校企合作开发立项建设课程,初步形成了“引—讲—练—评”教学模式。该培养模式解决了以往教学内容陈旧、教学方法僵化、教学评价单一的弊端,学生参与度更高,实践技能培养更全面,理论知识和实践技能有机融合效果更好。通过“引—讲—练—评”教学模式培养的学生,近5年在全国大学生机械创新大赛、“中国互联网+”大学生创新创业大赛、全国大学生机械产品数字化设计大赛等国家级赛场上获奖30余项,在《机械》《现代机械》《机械工程与自动化》等期刊上发表学术论文70余篇,申请国家专利20余项。毕业生就业单位和研究生导师的反馈显示,通过“引—讲—练—评”教学模式培养的学生具有良好的表达能力和较全面的工程设计能力,具有较强的适应新环境的能力。