新工科背景下融合现代信息技术的工程图学教学模式探索

李炳强 叶福民 吴巨龙 刘金锋 康超

摘要：本文针对新工科背景下融合现代信息技术的工程图学教学模式进行了探索，阐述了传统工程图学课程在人才培养中存在的问题；融合多种现代信息技术，提出以工程项目信息驱动的教学模式，并在此基础上，融入云计算以及增强现实的信息技术，提高学生空间思维能力以及实践创新能力，使学生能够具备解决复杂实际工程问题的能力，完善新工科背景下的工程专业人才培养。

关键词：工程图学，教学模式，信息技术

中图分类号：G642.0  文献标识码：A

伴随着“互联网+”“中国制造2025”等国家重大战略实施过程，教育部下发了《开展新工科研究与实践的通知》，并先后启动诸多新工科研究项目与实践课题。为了提高学生的跨学科融合协作性、沟通协调能力以及创新创业能力，传统的人才培养模式面临着巨大的挑战，顺应时代潮流开展工程教育改革已是迫在眉睫[1-2]。

工程图学是研究工程产品设计思想的信息表达、交流和传递的科学。它是工程学科的基础，在工程教学体系中起着极其重要的基础性作用。在课程开始时，基于投影原理，通过视觉思维建立三维模型和图样之间的关系。同时，根据工程标准和规范表达工程设计思想，最终使学生具备绘制和解释零件图的能力。工程图学课程的教学以解决工程实际应用问题为目标，以设计能力以及表达能力为教学核心，以二维工程图纸为研究对象，使得学生能够做到用图纸表达设计思维，同时也能看懂复杂工程图纸，具备“读图”和“绘图”的能力。

工程图学以机械图形作为对象，是机械工程专业的基础课程。通过图样表达工程设计思想与结构实体，兼具理论性与实践性，是高等院校工科专业的必修课，重点培养学生的三维思维能力与图形表达能力，特点鲜明，涵盖知识面广[3]。该课程对传统工科的改进升级和发展壮大提供强劲的基础保障。因此，如何面向工程图学课程创新教育理念，改进教育方式方法，使其更好地满足社会生产科研发展需求，是新工科背景下教学改革的重要研究课题。

近些年基于人工智能（AI）的现代信息技术迅速崛起，不断涌现出机器学习、数据挖掘、物联网云计算、增强现实（AR）等新技术，并与现代工业快速深入融合发展，驱动着工业设计及制造领域网格化、智能化方向迈进[1-2，4]。基于此，本文阐述了工程图学课程目前存在的问题，将现代信息技术与工程图学教学深度融合，探索了融合现代信息技术的工程图学教学新模式。

1 工程图学教学中存在的问题

1.1 学时少

在现今的教学模式中，更注重综合知识的培养，学生所学课程以及需要掌握的知识点日益增多。由于工程图学课时分配较少，学生对该课程的知识点研究不足，更无法专注于解决工程问题。可以说，该学科设置的课程长度都被严重缩短了。许多人没有理解工程图学教育的具体含义，无视其实际工作，认为它仅仅是绘图，学习内容有限，导致该科目的课时严重减少，在如此捉襟见肘的学习时间内，学生研究不足，无法掌握大量的知识焦点。

1.2 讲授内容减少

由于工程图学课时被大大缩减，因此，教师在教学过程中所讲授的内容势必减少。许多较为重要、需要详细讲授的内容均被压缩，使学生的知识掌握难以形成体系，也就不具备解决复杂工程问题的能力。教师更多地将注意力集中于画法等基础理论教学，导致学生对课程内容缺乏深层意义的理解，没有更多精力学好该门课程的全部重要内容。在走上工作岗位后，所学的内容偏少，无法满足工作需要，学生需要进一步丰富知识储备来应对工程问题。

1.3 忽视手工绘图能力

在现阶段的教育中，受到国家教育调控方针的影响，学生更加注重学习高精尖技术，将更多精力应用于理论知识的学习，而动手能力则较差。很多学生更加注重计算机绘图的能力，认为手工绘图已经被时代抛弃，这种现象会导致传统徒手绘图以及尺规绘图技能更多地被边缘化，无法满足现场绘图的工程需求。学生错误地低估了手工绘图的重要性，认为只有计算机绘图才能符合行业发展所需。在工程现场绘图以及测绘组合中，许多工作均要采用尺规繪图甚至徒手绘图，而消极看待手工绘图的想法就会导致此类能力的缺乏，没有在日常的课程中有意识地锻炼自己的手绘能力，无法满足工作需求。

1.4空间思维能力培养缺乏

在传统工程图学课程的教学过程中，教师引导学生逐步构建模型，比如形体分析法，对复杂空间结构开展形体分解，审视视图，抓取特征，运用投影技术还原出基本体，再综合构造整体。通常会配以实物模型或多媒体课件，帮助学生在脑海中构建二维投影视图与三维结构的映射。当完成相关理论知识的学习后，会开展徒手绘图以及零部件/装配体的测绘等实践。但课下没有供参考的实物模型，也不存在培养空间思维能力的有效方法，学生的三维想象能力及抽象思维能力难以得到开发，导致看图困难、学习效果差。在知识传递过程中，还是保持着灌输的教学方法，无法激发学生的主观能动性和学习热情，缺乏空间思维能力的培养[5]。

1.5实践创新能力不足

受到传统“灌输”式教育方法的限制，工程图学课程在教学过程中还存在着轻实践、重理论的弊端，实践课时少且实践资源缺乏，无法实现学生创新能力以及团队配合精神的培养，使得相关理论知识与工程实践脱节，无法紧密结合，学生不具备完善的工程意识和创新能力，更缺少解决复杂实际工程问题的综合能力和素质。许多刚毕业的学生难以看懂复杂的工程图纸，更无法面向工程问题实现创新设计。总结原因，工程图学教学过程中，学生处在被动学习状态，无法实现较高的主动参与度，也就无法培养出优秀的思维创新和设计创新能力。因此，如何打破工程图学传统的教育模式，建立新工科背景下融合现代信息技术的新型培养模式，对培养高素质创新型人才具备深远的意义。

2 融合现代信息技术的工程图学教学模式

面向工程图学教学中存在的不足，结合多种现代信息技术，本部分提出了工程图学教学的新模式。

2.1 工程项目信息驱动的创新能力培养

高等教育心理学中有这样的观点，当学生所学习的新知识与已有的知识或工作经验具备联系时，学生才能够更好地理解并掌握新知识。学生都是由高中參加统一高考而入学，通常并不具备工程经验，工程图学课程是学生进入高校学习的首批工科基础课之一，课程讲授的内容与学生已有的生活知识和经验联系很少，因此，有必要开展更为有效的教学引领工作，使得学生的学习能够与工程实际更为紧密相连，这样学生才能够扎实掌握知识并具备解决复杂工程问题的能力。工程项目信息驱动的教学模式是实现这种教学思想的重要方式方法。在课堂开始前，教师通过布置与当堂课中所学知识点密切相关的工程案例及信息，并提供给学生解决该工程问题的关键知识点和实施方案，化被动为主动，引导学生自主思考，通过主动学习和实践，得到解决该工程问题的最优计算和实施方案，培养学生的工程意识和创新能力。

以激发学生创造性为中心，将工程项目意识贯穿教学全过程，从项目最初的2D草绘设计，到最终完整的3D建模及装配，表达相互融合渗透，引导和培养学生的创新意识和创新思维，开发和训练学生的创新设计能力，实现创新能力的提升。对学生的作品开展综合性评价，使学生了解改进设计的方向和措施，完成教学目标的同时，大幅度提高学生的创新能力。

如图1所示，将2D工程图与3D建模的交互性贯穿于所有阶段，充分挖掘学生的潜能，提高积极性。在学习理论知识的同时，培养学生的创新设计理念，给学生展示创新设计作品的舞台。例如将相贯线的绘制教学与瞩目的西气东输项目相结合，锻炼学生解决实际工程问题的创新能力。可以设计讨论小组实现工程项目及教学难点的攻克，也可增添学科竞赛的方式激发和培养学生的学习热情和创新能力。

2.2 融合云计算的工程图学教学模式

根据云环境下工程图学课程建设特点，建立工程图学私有云计算管理服务平台，如图2所示，建设丰富的网络教学资源，贯穿工程图学课程的方方面面。

教师在工程图学云计算平台发布教学任务，依据学生对知识点的掌握情况，动态设计每次课的教学内容。课前，教师发布教学任务后，要求学生观看教学视频，预习教学内容。通过工程图学云计算平台，学生能够做到学习有的放矢，自主学习，并参与在线提问和测试等环节，开展网络讨论和互动等。教师可在工程图学云计算平台检查学生的学习情况，跟踪分析学习进度，对学生进行提问和抽查，并计入平时成绩中。

教师通过工程图学云计算平台讲评绘图步骤和过程，将相关理论的学习与工程图学绘图实践紧密结合，保障学生最大程度地参与教学与实践。下课前检查学生理论与绘图实践的质量，指出学生学习的薄弱环节，亦可作为平时成绩。课后结合网上自主学习内容以及课堂实践绘图及建模，总结问题，为下一次课程教学内容做好准备。根据学生对知识点的掌握情况，调整授课计划，布置对应知识点的作业，拓展学生知识面，提升学生的创新能力和学习能力。

2.3 融合增强现实的工程图学教学模式

近年来，虚拟现实技术（VR）和增强现实技术（AR）的迅速攫取，为工程图学课程的教学改革提供强有力的技术支持。增强现实技术，是由虚拟现实发展而来的新兴技术。将虚拟模型以及交互信息叠加，并与真实模型相融合，在工程图学教学过程中，会使学生获得超越现实的图形体验，激发学生的主观能动性，培养创新意识和解决复杂工程问题的能力。

融合增强现实的工程图学教学模式如图3所示。学生可参与构建并丰富模型库，每个模型都具备相互关联的检索信息和装配引导信息，应用数据挖掘技术可灵活开展特征信息的描述和提取。装配训练中运用机器学习和图像识别技术实现位姿求解和装配状态检测。应用机器视觉技术，通过佩戴头戴显示器，学生可自由穿梭于2D或3D信息场景及现实场景，让学生更多地参与进工程项目中，使得被动学习成为主动实战，促进信息的交互融合，激发学生的空间想象能力和创新能力，提高学生应用理论知识解决复杂工程问题的能力。

结语

工程图学的教学新模式探索如何以学生为中心，以工程需求背景为导向，融合现代智能信息技术，打破传统教学模式的弊端，提高学生的空间思维能力和和实践创新能力，培养出具有解决复杂实际工程问题能力的顶尖人才，为行业高水平发展提供保障。

参考文献：

[1]陆鸣.培养智能制造专业技术人才，推动装备制造业提质升级[J].智能制造，2022（01）：41-42.

[2]郭永春，梁艳峰，杨忠，等.“中国制造2025”背景下，高校“智造材料”创新人才培养体系的建立[J].高教学刊，2021（11）：60-63.

[3]栾英艳，王迎，何蕊.新工科背景下工程图学课程改革研究[J].图学学报，2020，41（1）：164-168.

[4]赵昕玥，何再兴，刘振宇，等.基于增强现实的工程图学装配引导沉浸式教学实验平台设计[J].实验技术与管理， 2022， 39（3）：195-199.

[5]汤晓燕，云忠.“思政引领、成果导向、课赛合一、虚实结合”的工程图学系列课程改革与实践[J].高教学刊，2023（15）：110-114.

作者简介：李炳强（1986—  ），男，博士，讲师。