基于创新性构型设计的工程图学教学体系研究

熊志勇， 罗志成， 陈锦昌， 姜立军， 邓学雄， 刘 林， 陈炽坤

（华南理工大学设计学院，广东 广州 510006）

创新是一个民族进步的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力。胡锦涛同志在十七大报告中首次把“提高自主创新能力、建设创新型国家”，确立为“国家发展战略的核心，提高综合国力的关键”，提出到2020年要将我国建设成为创新型国家。这就对高校特别是高水平研究型工科大学培养具有高素质创造性的工程技术人才提出了新的任务和要求。培养大学生的创新意识和创新思维能力已成为高等教育改革的重要内容，它也是工程图学教育中的关键问题。工程图学课程作为工科院校的一门量大面广的技术基础课，其主要任务是培养学生工程图学素质。工程图学课程中创新思维方式的培养是学生工程图学素质教育的核心[1]，而形体的构型设计是工程图学思维方式培养的重要方法。

在教育部工程图学教学指导委员会最新修订的“本科工程图学课程教学基本要求”中，明确提出了将“创造性构型设计能力的培养”作为工程图学课程教学任务和5个基础之一，通过工程图学课程学习培养学生的创新能力和工程意识。新的教学理念对工程图学课程体系、教学内容改革、教学方法和教材建设提出了新的任务和要求。如何在新的教学理念下应用现代化教学手段,培养学生形体构型设计创新思维能力是工程图学课程教学改革的一个热点问题[2-4]。

我们依托国家级工程制图教学团队建设、国家级建筑制图精品课程建设和广东省教学研究项目“培养创新能力的工程图学新体系的研究”，提出以构型设计为主线培养学生创新思维能力的工程图学新体系的研究，旨在探索与实践工程图学课程以构型设计为主线的课程体系构建、教学内容和教学方法的改革以及与之配套的教材建设，从而培养学生的创新思维能力。该研究为工程图学课程教学改革指明了新的方向，其成果将为我国高校在新的教学理念下，培养学生形体构型设计创新思维能力提供重要参考价值的教学实践和有效途径。

1 国内外工程图学教研情况

一些先进工业国家的工程制图课程中，传统的画法几何内容及制图技能的培训所占的学时逐渐减少，取而代之的是加强了徒手草图、三维建模和培养学生创新思维的教学内容[5-13]。例如，弗吉尼亚洲立大学工程技术学院的教学大纲中，有关二维和三维工程图学课程的安排为：画轴测图、用绘图软件画二维图、用SolidWorks生成零件实体模型、由实体模型生成二维图形等；澳汀德州大学工程设计制图课在低年级开设，将实体建模作为该课程的核心，每周教学环节包括：讲课，手绘草图，计算机绘图等3个环节；加州大学圣迭哥分校工程图学课程教学中[14]，注重培养学生解决实际工程问题的能力和动手能力，实践教学和课堂教学紧密结合，课堂教学内容围绕实践教学项目逐步展开；路易斯安那州立大学则在图学教育中引入角色扮演、脑力风暴和问题解决方法学，提高了学生设计创新产品的能力。上述这些学校的教学内容都蕴涵着构型设计的思想。

我国工程制图课程教学改革主要经历了两个阶段：一是早期基本上沿用前苏联模式，以二维视图作为形体表达的主要形式；二是 20世纪90年代，随着计算机技术的发展逐步深入，将计算机绘图技术引入到工程制图的课程当中，并逐步引人三维设计的手段来改革工程制图的课程体系和教学内容[15-17]。

然而，计算机绘图的引入仅仅是对绘图工具的改变，其对工程制图课程体系、教学内容的改变只是侧重点上的变化，而不是根本的改革，也难以提高学生设计创新问题的解决能力。为此，新的工程制图课程体系应该注重培养形体构型设计创新思维能力，让学生在了解现代工业生产与设计的基本知识的基础上，能够通过三维参数化特征造型软件进行初步的构型创新设计工作。

近年来，国内一些高校对构型设计在工程图学课程中的应用进行了一定的探索和研究。清华大学王涛[18]从机械设计方法学角度建立了一种面向计算机实现的仿生构形设计方法，并从功能面、零件和机构3个层次给予阐述；燕山大学赵炳利等[19]阐述了组合体构形设计在现代图学教育中的重要作用，并说明了在制图教学中实施组合体构形设计的方法及考评办法；江南大学蔡小华[20]从培养学生的工程设计意识和创新能力的角度提出用动态思维方法培养学生的空间构形能力开展了研究。但如何有效地培养学生的创造性构型设计能力、如何开展构型设计训练，目前还没有形成一个完整的教学体系，也没有一本以构型设计为主线的，着重培养学生创新能力的工程图学教材。

为解决上述问题，以陈锦昌为首席教授的工程制图国家级教学团队在全国率先开展了以构型设计为主线的工程图学课程新体系的研究[3]。

2 教学改革目标

现代工程图学教育的基本出发点是培养、启发人的创造才能。构型设计教育是一种关于创造的教育。形体的构型设计是创造性设计的重要表达形式，也是培养学生创新能力和工程素质的关键。基于创新性构型设计的工程图学教学改革目标是：构建适合培养学生创造性构型设计能力和创新能力的课程体系以及与之相适应的教学方法和教学评价体系。

构型设计作为空间想象和创造性思维训练的重要载体对培养学生创新思维能力具有重要作用。在教学改革过程中，要以构型设计为主线，突出培养学生创新思维能力的基于创新性构型设计的工程图学新课程体系；以此为基础，在教学实践中采用基于任务驱动教学法培养学生创造性问题的解决能力。

3 教学改革内容

3.1 教学体系的构建

学生创造性构型设计能力培养中突出的是学生三维形体的造型能力，这是学生创新能力培养的重要形式之一。这一能力在基于构型设计的工程图学课程中是通过不同教学内容中多种构型设计训练、基于实例的创新设计理论方法训练及计算机三维建模方式来完成的。工程图学课程新教学体系如图1所示。

本文提出以构型设计为主线突出创新思维培养的工程图学课程的改革是培养学生创新能力的一种对策，从而构建出以构型设计为主线的工程图学课程的新体系。基于创新性构型设计的工程图学课程体系包括五大部分：图学基础与投影理论、构型表达、计算机构型基础、机械工程图样和创新构型综合。

该课程体系减少了传统的画法几何及制图技能的培训内容，加强了徒手草图、三维建模、构型创新设计和培养学生创新思维的教学内容。这一新体系将有效地培养学生的工程图学思维能力，提高学生的工程图学素质。

图1 基于创新性构型设计的工程图学课程教学体系

3.2 教学评价

教学评价是发挥评价的教育功能的有效手段,其评价指标和方法对教学过程和教学活动起着导向、激励和质量监控的作用。因此，构建符合素质教育要求、适合培养学生创造性构型设计的能力和创新能力、具有教学改革特点的教学评价体系具有重要意义。我们注重建立“学习结果与学习过程并重的评价机制”的基本理念，实现评价目标多元化，评价手段多样化、形成性过程评价和学生个体纵向评价并举、定性评价和定量评价结合。

创新能力培养是在构型设计创新思维反复训练中逐步提高的。我们在教学活动中采用基于任务驱动的教学方法，充分调动学生的学习积极性，激发了他们的求知欲望以及分析问题、解决问题的能力。由于学生个体智力和非智力因素的差异性，他们对教学内容的理解和掌握程度会有所差异，这就要求我们根据学生学习具有个体差异性的实际情况，建立了教学活动的自我矫正系统。

教学过程评价我们借鉴布卢姆(Benjamin S·Bloom)的教学评价理论，该理论从评价功能角度将教育评价分为3类：诊断性评价、形成性评价和总结性评价。我们在教学过程中，教育评价不再延用过去依据期末测试成绩进行等级划分或选拔评价，而是注重形成性过程评价，来适应并培养每个学生的创新思维能力。教学评价基本过程如图2所示。

图2 教学评价基本过程

由于注重形成性评价，及时反馈与矫正，也注重心理因素的重大作用，充分体现了教学过程的积累效应和期待效应。通过诊断性评价、单元（课时）形成性评价和阶段终结性评价以及它们之间的相互转化，使教学自始至终形成了一个“闭合的螺旋式”教学自我反馈矫正系统，为学生创设一种激励性评价机制，这有利于激发学生的潜能和培养学生的形体构型设计创新思维能力。

4 教学改革实践

在教学改革实践中，构型设计的教学贯穿在工程制图课程教学的各个教学环节中，突出造型创新设计的教学与训练，并与构型创新辅助工具集和计算机三维建模与表达相结合，体现创新性构型设计的特点。为保证教学改革的顺利实施，我们从教学资源建设、教学方法与教学过程设计、教学评价等多方面进行改革和完善。

4.1 教学资源建设

通过前期教学研究实践，我们构建了突出学生创新思维能力培养的以构型设计为主线的工程图学课程具有特色的新体系；编制基于构型设计创新思维培养的工程图学课程讲义和教学大纲；开发了部分创新设计理论方法工具集，用于辅助学生创造性构型方案生成。目前，本教学团队在陈锦昌教授的倡议和大力支持下，正着手根据已有材料编写出版基于构型设计创新思维培养的工程图学课程教材；同时，继续开发构型创新辅助工具集辅助学生构思创意方案，进一步完善课程教学资源，如网络课程、模型库等的建设，提供丰富的素材给教师用于课堂教学，有效地提高教学效率和教学质量。

4.2 教学实践

工程图学课程新体系中突出创新思维培养，构型设计训练是构型设计教学中的一个重要环节。在教学中我们精心制定每一知识结构的构型设计目标，并设定一定的约束条件，使构型设计随着制图课程的展开与深入，为学生所掌握，达到培养学生创造性构型设计能力和创新能力的目标。

我们以中青年教师为主体，2008年在非机械类专业（生物医学、材料化学和金属材料等）工程制图教学中引入了任务驱动教学法讲授产品创新方法和构型设计思想，以课程设计的方式让学生以小组为单位设计创新产品，并以各种方式呈现个人创新构思，其他学生以脑力风暴方式提出建议和意见，任课教师最后点评设计方案。教学过程中，我们注重形成性评价，及时反馈与矫正，通过诊断性评价、单元（课时）形成性评价和阶段终结性评价以及它们之间的相互转化，培养每个学生的创新思维能力。通过这种教学模式提高了学生主动学习的积极性、培养了他们的创新思维能力，并产生了一批可申请专利的创意方案，目前该教学实践仍在进一步推广，期望能为其他工科院校工程图学教学改革提供参考与借鉴。

5 结束语

这一新的基于创新性构型设计的工程图学课程体系以培养学生创新思维能力为目标，打破了长期以来传统工程制图课程以二维绘图设计为主的课程体系。在课程的内容体系上结合当前工程制图的教学改革成果，突出“以构型设计为主线”，引入三维CAD和基于实例的创新设计理论方法的内容，并采用基于任务驱动的教学方法和适合培养学生创造性构型设计的能力和创新能力教学评价体系，能很好的培养学生的形体构型设计创新思维能力。

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