“知行联动”线上线下深度融合的课程建设研究——以“工程图学”为例

孙士龙，黄海林，吴佩年

（1.哈尔滨工业大学〔深圳〕 机电工程与自动化学院，广东 深圳 518055；2.哈尔滨工业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

一、研究背景与意义

随着科学技术的飞速发展，粤港澳大湾区的高端装备制造业技术要求越来越高，对工程图学人才的需求也越来越大，如手机屏幕的缺陷检测设备、半导体晶圆的封装设备、新能源汽车的电池生产制造等生产线建立都需要新的机械加工设备，各种零部件的生产制造离不开精准的工程图学人才，面向高端装备的工程图学人才存在大量缺口［1-2］。“工程图学”属于工科类专业基础课，是一门基础性、技术性和实践性很强的课程，也是培养新工科思维的重要启蒙课［3］。“工程图学”是大部分工科类本科生的专业必修基础课程，是学生从高中到大学阶段过渡接触的第一门基础课，学生普遍反映该课程难度较大。该课程教学面临多方面挑战：首先，学生还没有从高中的学习习惯中转换过来，还不懂得如何学习；其次，本课程涉及较多空间的概念，教师需要建立比较直观的空间构形概念，而学生则需要建立形象思维和空间想象能力，这给教学带来了难度；再者，本课程是一门实践性非常强的课程，必须有实践教学环节才能使得学生有更深刻的理解。此外，本课程还面临学时压缩与教学内容较多的矛盾。

课程建设是培养人才体系的重要承载，在信息化与新工科的教育背景下，“工程图学”课程必须紧跟时代步伐，大力改革课程授课体系，使得教学内容、教学方法及评价体系与新的人才培养目标相一致［4］。在哈尔滨工业大学（深圳）自2016年招收第一届本科生以来，现已在工程图学教育方面进行了3轮课程教学改革与实践，包括课程体系、教学内容、教学模式以及教学方法等，取得了一些成果，也遇到了一些问题。本课程教学坚持以实践为导向，通过科创项目贯穿课程设计，教学过程采用线上教学+线上测评+线下教学+线下实践的“四位一体”模式进行全方位教学。线上教学选取生动形象、短小精悍的视频，通过生动形象的动画展示的形式讲解零部件的空间构形与投影关系，打破传统课程教学时间和空间的限制，使得学生可以快速把握要领，并提高空间想象能力。课程通过与广州某软件股份有限公司合作，开发工程制图在线测评系统，学生在学习相应的知识点后，可以方便快捷地进行课后绘图练习与测评。通过在线测评软件，提供大量立体的图形案例与习题库，一方面，可以实时检验学生的学习效果；另一方面，可以大幅减少教师批改作业的工作量。这些都可以有效解决学时少与学习内容多之间的矛盾，也可以打破学习时间与空间的限制。课程线下教学注重现场板书作图，通过现场作图讲解画图技巧，方便学生理解与接受，并且最后通过科创项目的形式让学生设计科创作品，学生通过SolidWorks和AutoCAD表达自己的创新思想，取得了较好的效果。

关于线上线下深度融合“工程图学”课程建设，很多学者已经展开了相关研究。2020年初以来，加快了线上线下融合式教学方式的发展。“工程图学”课程线上线下混合式教学的发展经历了几个阶段：（1）线下理论+线下手绘；（2）线下理论+线上上机；（3）线上理论+线上上机。王静秋［5］开展了基于布鲁姆教育目标分类学的混合式教学设计，以“工程图学”课程为例，实现了“课前自主预习—课中知识内化—课后巩固提高”的“三位一体”混合式教学设计。宋健［6］则分析了在“工程图学”课程混合式教学的各大重要环节的现实可行性和时效性，并对如何引进现代信息技术进行了探讨。张红霞等［7］则从线上资源建设、混合式教学方案设计、学时及内容分配、课程知识体系重构和线上线下过程性评估展开了线上线下“工程图学”课程建设的探索。张雁等［8］则从“MOOC+SPOC+教学环节+研讨实践”展开了线上线下混合式教学改革，该教研组的“工程图学”课程也连续被评为省级精品课。课程思政也是本课程建设的重要组成部分，关于“工程图学”课程思政建设，已经有很多学者展开了研究。例如，刘晓潺等［9］提出了一种“现代工程图学”课程思政的挖掘方法，从名人轶事、行业实践、时事热点以及文化传承等多方面深度挖掘思政元素。吴炳辉等［10］则从爱国主义、诚信、责任意识、创新意识和工匠精神等方面进行了“工程图学”课程思政的探讨。杨放琼等［11］从立德树人、价值塑造、能力培养三个方面深入挖掘思政元素，精心设计教学环节，引入驱动项目，并打造翻转课堂，培养了学生的创新设计能力和综合素质。

二、主要研究内容

本课程经过多年的教学改革与教学实践，也进行了深入的教学研究，通过线上线下深度融合，理论教学与实践教学充分关联，并且鼓励学生参加制图相关学科竞赛，形成了“多位一体”的课程体系，包括以下几点。

1.分解教学内容，优化教学设计。将教学内容进行模块化组织，在模块内将知识点进行分解细化，目的是保证教学设计时教学内容完整、重点突出、详略得当。

2.细化课件制作，分解图形展示。将原授课件进行拆分和简化，保证每个知识点对应的视频长度为10分钟左右，将录制视频所用的PPT页数控制在10页左右，尽量在录制视频PPT中突出最重要的文字、图形和动画，其他辅助说明内容由录制视频教师口头进行介绍。

3.制定拍摄提纲，编写拍摄脚本。将录制视频的语言写入脚本，尽可能保证录制视频的语言逻辑合理、简练流畅，避免出现口头禅和口语化，脚本中要突出重要知识点，次要知识点或基础知识介绍尽量少占用拍摄时长。

4.重制考核评价标准，量化制图识图能力。根据授课过程中出现的教学反馈重新分配任务，把手工绘图与计算机绘图的考核占比进行重新分配调整，且形式不再拘泥于课后作业的形式，而是通过具体的、与时代接轨的现代制造业零部件，如手机制造过程中封装件的设计，激发学生兴趣与行业产业思考，将学与用、教与考结合起来。

5.制订线上授课方案，录制在线课程视频。可以使用录屏软件录制，考虑到学生学习的注意力，录制的每段视频时间应控制在5～15分钟，另外，视频中出现的文字、动画、图形等内容不宜过多，转换速度不宜过快，否则会影响学生学习效果。

三、线上线下深度融合“工程图学”课程建设板块设计

“知行联动”式线上线下深度融合的“工程图学”课程建设研究主要分为四个板块（见图1）：（1）线上授课；（2）线上测评；（3）线下授课；（4）线下实践。线上授课的主要平台是雨课堂、腾讯会议及腾讯课堂，授课内容主要为画法几何与机械制图的知识点梳理，理论知识讲解以及重点和难点分析。线上测评系统则是利用软件开发出“工程图学”课程的在线测评系统，方便学生课后进行线上评估自己的知识掌握水平。线下授课则是通过教室黑板板书的方式，给学生以直观的尺规作图法作图感官，同时结合模型道具的演示，从形体上给予更形象更具体的二维、三维思维训练和指导。线下实践则是指通过指导学生参加图学竞赛、科创项目的方式，让学生在参加比赛和项目的过程中，加深对绘图知识的理解，熟练掌握绘图软件的使用和操作。

图1 线上线下深度融合“工程图学”课程建设板块设计

四、主要解决的教学问题及应用的教学方法

目前，在“工程图学”教学过程中，结合学校各工科专业培养人才目标方式不同，各专业的授课内容侧重点不同，我校在“工程图学”教学过程中主要存在以下几个问题。

1.课程内容乏味，图形与文字难以理解。在授课过程中，虽然任课教师已经对知识点进行了细致的讲解，包括图形和文字说明。但是在学生习题集作业中发现，学生对知识点的运用还存在一定问题，并不能做到举一反三，同样知识点换一种表达方式，可能就不会分析。另外，课程内容乏味，比如减速器这一零件，在“工程图学”教学中已经存在几十年，并没有对其进行更新。现代工学工厂中，比如手机的加工制造，有很新颖的模具，如能引入教学中，将大大提高学生的学习兴趣。

2.课时缩减与授课内容较多相矛盾。在教育部为学生减负，缩减学时的大背景下，如果不能及时对教学内容进行调整，那么教师只能加快授课速度，减少学生互动，造成“填鸭式”教学。这无疑不利于学生对知识点的理解和掌握，同时也会弱化学生在“工程图学”课程中重点培养的空间思维想象能力。

3.考核评价方式单一，软件与手绘考核不均衡。期末考试至今仍然停留在手绘或纸质形式，对于AutoCAD和SolidWorks等软件操作能力的考核方式较少，存在考核不全面的问题。在实践教学中也发现，虽然有些学生手绘考试成绩不理想，但在专业制图软件中表现出较高的制图、识图专业技能。

在教学方法上实行案例式教学与模块化教学。（1）案例式教学。通过一个复杂零件图案例拆分，讲授点线面知识、视图知识、组合体以及装配体知识，将理论引入实践，并结合教学模型、课件与动画，培养学生的空间想象能力。（2）模块化教学。以新工科思维的创新能力培养为目标，将“工程图学”课程进行拆分并重新组合，分为六大模块：图学基础、投影理论、机构表达、计算机绘图、工程图样、综合创新机构。这六大模块循序渐进、互相依托，最终提高学生的工程制图创新能力，培养具备新工科思维的图学人才。

五、创新点

1.思政创新。引入课程思政激发学生民族自豪感的“思政+历史”授课理念。本课程通过工程图学的发展历程增强学生的民族自豪感，然后引入制图国家标准的概念。工程图纸是工程界的通用语言，是工程实践中的重要技术文件之一，主要用于技术交流和指导生产。本课程首先从图学的发展历程入手，对学生开展爱国主义教育，增强其民族自豪感。我国是世界文明古国之一，在工程图学方面有着悠久历史。远在战国时期我国人民就已运用设计图（有确定的绘图比例、酷似用正投影法画出的建筑规划平面图）来指导工程建设，距今已有2 400多年的历史。自秦汉起，我国已出现图样的史料记载，并能根据图样建筑宫室。宋代李诫（仲明）所著《营造法式》一书，总结了我国历史上的建筑技术成就。全书36卷，其中有6卷是图样（包括平面图、轴测图、透视图）。这是一部闻名世界的建筑图样巨著，图上运用投影法表达了复杂的建筑结构。随着生产技术的不断发展，农业、交通、军事等器械日趋复杂和完善，图样的形式和内容也日益接近现代工程图样，如清代程大位所著《算法统筹》一书的插图中，有丈量步车的装配图和零件图。新中国成立后，工程图学得到前所未有的发展。1959年国家科学技术委员会颁布了第一个国家标准《机械制图》，随后又颁布了国家标准《建筑制图》，使全国工程图样标准得到了统一，标志着我国工程图学进入了一个崭新的阶段。随着科学技术的发展和工业水平的提高，技术标准不断修改和完善，我国先后颁布了一系列《技术制图》与《机械制图》的新标准。“工程图学”教学内容及模式与对应的思政教学方法如表1所示。

表1 “工程图学”教学内容及模式与对应的思政教学方法

2.联动创新。以赛促学，引入科创项目+课程设计进行引导式识图教学。该课程教学坚持以实践为导向，通过科创项目贯穿课程设计，教学过程采用线上教学+线上测评+线下教学+线下实践的模式进行全方位教学。线上教学通过生动形象、短小精悍的视频，以及生动形象的动画展示的形式讲解零部件的空间构形与投影关系，打破传统课程教学时间和空间的限制，使得学生可以快速把握要领，提高空间想象能力。线上测评通过建立测评题库，实现机评习题，摆脱手工绘图作业批改任课教师负担重的问题。线下实践通过指导学生参加全国先进成图技术大赛，以赛促学，加深学生对工程图学的理解，以及对工程图学计算机绘图技能的掌握。

3.融合创新。校企共建优势互补，课程通过与广州某软件股份有限公司合作，开发“工程图学”在线测评系统（见图2）。学生在学习相应的知识点后，可以方便快捷地进行课后绘图练习与测评。通在线测评软件，提供大量立体的图形案例与习题库，一方面，可以实时检验学生的学习效果；另一方面可以大幅减少教师批改作业的工作量。这些都可以有效解决学时少与学习内容多之间的矛盾，还可以打破学习时间与空间的限制。课程线下教学注重现场板书作图，通过现场作图讲解画图技巧，方便学生的理解与接受，并且最后通过科创项目的形式让学生设计科创作品，学生通过SolidWorks和AutoCAD表达自己的创新思想，达到了较好的效果。课程根据授课内容全方位融合思政教育，目前取得了较好的教学效果。

图2 “工程图学”在线测评系统框架结构