拔尖人才培养模式下的工程图学教学研究

2014-07-09姜文锐

图学学报 2014年3期

姜文锐，宫娜

（哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨 150001）

随着社会的发展，科技的进步，高等教育需要深化改革和创新精神，需要注重培养在各个领域有强烈社会责任感与进取心，具有出众的学术才能和独特的人格魅力，能够独立创造性地进行科学研究的高素质拔尖创新人才[1-2]。这要求我们积极创建自由探索和勇于创新的教学科研环境，设计符合拔尖人才特色的课程培养方案与教学方法[3]。工程图学作为工程界的语言，是一门非常重要的专业技术基础课，对学生设计、创新能力以及技术交流能力的培养具有指导意义[4]。传统的工程图学课程注重教师的教授环节，以讲课为主辅助大量习题作业，耗费学时较多，学生负担较重，教学效果并不理想。为适应拔尖人才的培养模式，充分认识工程制图在创新型人才培养中的重要作用，我校广泛借鉴国内外同类课程的成功经验，建立新的工程制图课程体系，实现以学生为本的自主型交互式工程图学教学改革。其中，为满足日益密切的国际学术交流活动，采用中英双语教学模式，使学生能够逐步实现工程图学的国际互认；设置基于构型创新设计实验课，使学生能够更快、更扎实地掌握制图的基础知识，减少了授课学时，减轻了学生负担；并且，开展了以创新机械设计为主的自主型交互式机械制图实验课，充分发挥学生的主观能动性与创造性，使制图基础课程与设计专业课程有机结合，取得了很好的效果。

1 工程图学中英双语教学模式的探讨与实践

工程图学作为工程界的语言，在日益广泛的国际学术交流活动中起到很重要的作用[5]。开展工程图学中英双语教学可以使得学生在掌握课程知识的同时，了解国外该学科的基本情况及发展方向，满足高等教育国际化的需求，对创新型拔尖人才的培养具有很重要的意义。因此，我校挑选出一批能力强、基础好的学生，成立了英才班，并配备具有很强专业知识与英语能力的教师，开展工程图学中英双语教学。通过连续在三届英才班学生中的试点，总结出一定的教学经验与方法。

首先，编写适合拔尖人才的中英双语工程图学教材，使学生在有限的教学学时内能完全掌握各国制图标准，比较性学习各国工程描述方法，能完整、有机地将不同的标准融合在一门课程之中。教材内容信息表达方式生动多样化，除了常见的图表外，还有正误对比图、产品真实照片图、三维造型计算机截图等，可以提高学生的学习兴趣。教材包含的信息量尽量丰富。在保证基础知识内容丰满的前提下，强调工程图学与机械设计、机械原理等学科的交叉，注重学科的前沿性，使理论与实践充分结合，不但对培养学生的自学能力很有帮助，而且也便于教师的备课和开展教学。

第二，双语教学应该以掌握课程知识为主要目的，以英语学习为辅，分清主次，不能将其变成一门语言课。因此，在教学过程中，应把精力更多地放在专业知识的学习上，辅助专业术语的英文表述，将中英文有机结合。为了提高教学效果，教师在上课前充分的进行备课与教学设计，认真制作双语教学课件。在授课前，将上课所用到的专业术语翻译成英文，要求学生记住这些专业词汇。授课时，对于比较容易理解的基础内容采用全英文讲解，重点介绍专业词汇的英文表达方法。对于重点、难点内容采用中英文双语讲解，侧重学生理解课程内容，掌握知识。课后以英文形式布置作业，以便学生进一步掌握专业术语的使用。

第三，在双语教学的过程中，要充分利用实物模型和三维造型计算机软件等辅助教学手段，制作新颖、有趣的CAI课件，采用适当的激励措施，调动起学生的学习积极性与兴趣，使学生能够更加主动地接受知识。教师与学生建立平等的、合作的、互信的、和谐的师生关系，建立一个思维开放、课堂活跃、积极向上的教学环境，开展互动式教学，实现老师与学生互动、学生与学生互动的新型授课模式。落实以学生为本的教学理念，发挥学生的创造性，提高工程图学的学习效率。

最后，由于欧美、日本等发达国家的工程图学采用“第三角投影”，而我国采用的是“第一角投影”，学生很难接受国外图纸的表述方式，这对学生进行国际学术交流活动十分不利。为了解决这一矛盾，我们对双语教学的内容进行了新的设计。采用以“第一角投影”为主，“第三角投影”为辅，二者对照性讲解的方法，使学生不但能够加深对投影理论的理解，也能够使其适应国外图样的画法。此外，世界各国的工程图学教学均以贯彻“国标”为己任，各国制图标准的不同直接导致了工程制图教学内容上的巨大差异，在新课程中将增加国标、美标、欧标等标准的学习环节，通过工程图学双语教学可以实现工程图学的国际互认。

2 基于构型创新设计的工程图学实验课开展

画法几何是工程图学的基础知识，包括国家标准的一般规定、投影方法、立体投影、组合体画图与读图等内容，是该课程的难点与重点，在传统的课程体系中占有重要地位。教师在授课过程中往往要耗费大量精力与学时来讲解这部分内容，课后还需要学生完成较多的习题作业来巩固这些知识。这不但导致学生负担过重、降低学习兴趣，而且不利于创新能力的培养，教学效果不理想。因此，我校在英才班工程图学课程改革过程中开展基于构型创新设计的工程图学实验课，着重培养学生的空间思维能力、工程意识和创新思维能力。

在实验课开展之前，学生要有一定的知识与技能储备。首先，需用传统教学学时的一半时间讲解制图的基础知识，着重概念与基本作图方法的讲解。要求学生能够掌握各种立体投影的画法、截交线和相贯线的基本作图方法、组合体的画图与读图方法等知识。其次，由于构型设计的主要目标之一是培养学生的空间立体思维能力，实验要在solidworks软件平台上进行，所以要使学生掌握这种三维建模软件的使用方法。

构型设计是创新性设计的一种表达形式，是培养学生工程制图能力的关键，更是培养学生的工程思维的关键[6]。因此不能简单的为了构型而构型，要设置一定的评价标准与约束。首先，构型设计的出发点之一是提高学生学习工程图学的兴趣，加深对制图基础知识的掌握。教师在设计实验课内容的时候就要充分考虑构型的约束条件，尽量通过构型的设计使学生巩固基础知识，加深理解。例如，在实验课中，要求学生的构型满足以下条件：所构型必须由4个以上的基本形体按照叠加和切割的组合方式组合；所构型必须含有平面立体与曲面立体相交、两曲面立体相交的情况；所构型必须含有孔和槽的结构；绘出所构型的三维立体图与二维投影图。通过这项构型设计，既训练了组合体画图与读图又加深了对截交线与相贯线等难点的理解。第二，通过构型设计培养学生的工程意识与创新思维。虽然构形设计有别于其他的专业性功能设计，不能把实现某一特定功能作为其评价指标，但是应该尽量鼓励学生发挥创造性思维、师法自然、将设计与生活相结合，使之所构型能够满足一些应用，具有简单的实际用途，为专业课的学习打下一定的基础。由于学生并不具备相关的工艺知识，设计的结构可能会出现无法加工或者加工成本高等问题。这时要求教师进行相关的辅导，使学生通过构型设计对工程实际情况有初步的了解。最后，我们所进行的构型设计还要满足一定的美学要求。在完成构型设计之后，组织学生一起讨论各自的设计结果，其中可以引入一些美学元素，例如所构型的各基本形体的布局与比例、结合方式、稳定些与协调性等，使学生将来能够成为一名有一定审美能力的工程师。

我校对连续三届英才班共75名学生开展构型创新设计实验课试点，经统计共完成设计方案81个，均符合设计要求。其中58种构型能够实现一定的实际功能，具有独特的创新之处，充分锻炼了学生的创造性思维能力，使之萌芽了一定的工程意识。如图1所示，为学生构型创新设计的典型三维立体图示例。通过三维立体图以及二维投影图的绘制，不但使学生建立了空间思维，而且加深了对制图基础知识的掌握。经测验发现，学生在进行组合体“二补三”读图时，处理截交线、相贯线等细节问题的能力明显提高。

图1 构型创新设计的典型三维立体图

3 自主型交互式机械设计制图实验课开展

零件图与装配图的画法一直是工程图学的重点与难点，也是学习机械设计专业课程的必备基础。在传统的工程图学教学过程中，这部分内容主要依靠教师理论讲解，配合简单机械零部件的测绘，学生在学习的过程中往往只知其然，不知其所以然。在教师的反复指导下，参考例图，也只是勉强地把机器或零件表达出来，而不明白某些细节处为什么这样设计，为什么要如此表达，甚至无法独立完成结构复杂的机器的装配图绘制。究其原因是因授课方式的理论与实践联系不紧密，不注重工程图学与机械原理、机械设计等学科的交叉结合造成的。这不利于培养学生的创新性思维与动手能力，不利于提高学生团队合作素质。为了解决这个问题，我们尝试对英才班工程图学课程中“零件图与装配图绘制”这部分内容的授课方式进行一定的改革，开展自主型交互式机械设计制图实验课。

首先，教师用一部分课时讲解零件图与装配图绘制的基本知识与方法，通过对一些简单结构的机器零部件进行测绘，使学生对这部分知识初步理解。与此同时，每周安排学生到金工厂参观实践，结合授课的理论知识，现场学习相应零部件的加工工艺与流程，从而使学生直观地掌握各种零部件的结构形式与加工、工作原理。此时再与所学的理论知识相联系印证，进一步明确零部件的画法与表达方式。

其次，哈尔滨工业大学拥有国家级的机械设计创新实验基地，具有多种机器实物供学生拆装实验。在此实验平台上，可开展自主型交互式机械设计制图实验课，进行复杂机器的拆装及装配图绘制。所谓“自主型”是指将学生分成若干实验小组，每组5～7人，在实验过程中，教师不主动参与实验规划与进程安排，完全由学生自己独立设计拆装实验流程，选择测绘的表达方式，从而提高学生独自发现问题、解决问题的能力，加强动手实践能力的培养。而“交互式”是指在实验的过程中，每名学生分别承担一部分零部件的测绘，之后进行汇总，再由学生小组集体讨论各零部件的结构、功能，分析机器的传动路线、装配干线以及工作原理，最终完成装配图的绘制。通过这种方法充分训练学生的团队合作意识。

最后，通过实验课的开展，将机械设计与工程图学有机地结合起来，不能单单为了表达而绘图，应注重工程意识的培养，使学生初步明白机械设计的思路与方法，为后续课程的学习奠定基础。并且，应注意锻炼学生的创新思维，要求学生在测绘机器的过程中，尝试对机器某些零部件的结构进行创新改进。教师结合专业知识对学生的创新方案进行分析、评定。需要注意的是，即使对于一些不符合实际的异想天开式的创意，也应予以鼓励，从而提高学生的创新积极性。如图2所示，为学生完成的齿轮泵装配图示例。

图2 齿轮泵装配图

4 过程化、分段式成绩考核方法

随着教育改革的深入，对工程图学课程的考试方法也进行一定的改进，以适应拔尖人才的培养。不再以一张期末考试试卷决定学生的课程成绩，充分参考学生在课程学习过程中的表现，结合每一阶段实验课的实验结果，实施新的过程化、分段式成绩考核方案。其中工程图学的基础知识内容采用笔试考核方法，占总成绩的50%，平时的习题作业占总成绩的10%，构型创新设计工程图学实验课的成绩占总成绩的10%，自主型交互式机械设计制图实验课的成绩占总成绩的30%。

对于实验课的成绩评定，采用教师打分与学生互评相结合的方法，力求公平公正。教师从专业的角度对实验结果进行评分，对于学生在实验过程中的创新性工作适当加分。学生互评应依据实验过程中个人分工的完成情况进行，对于实验各阶段起到主导作用的部分学生予以加分，鼓励其学习积极性。