以工程制图课程的改革提升学生的工程素质

肖扬　祝效华

[摘要]工程制图是工科专业学生重要的技术基础课程之一，目的是要培养学生的工程设计表达能力、空间思维能力、阅读和理解设计思想的能力，并在此基础上形成综合的工程素养，为其成为工程师打下良好的基础。西南石油大学在本科教学质量工程建设中以工程制图基础课程教学改革为抓手，立足课程群优化，从教学内容设计、教学方法、教学模式等方面进行了系列改革和探索，培养和提高学生工程素质的成果逐渐显现。

[关键词]工程素质；工程制图课程；教学改革；教学方法

[中图分类号]G642.0 [文献标识码]A [文章编号]1005-4634（2016）04-0075-05

0 引言

工程制图课程一直是工科各专业学生重要的了技术基础课之一。现代科技的发展对学生提出知识结构和素质的综合化的要求。工程制图课程既是工科学生的必修技术基础课，也成为一些非工科学生的必修课或选修课。西南石油大学开设的工程制图基础（Ⅱ）课程，涵盖了几乎校内各非机类工科专业，包括石油工程、化学工程、材料工程、电子与信息工程、自动化、通信、应用物理等。近几年，每届修课学生达2000余人，占每年新生的半数左右，成为除高等数学、外语和计算机基础外，广受欢迎的技术基础课之一。因此，这门课程的建设和教学质量的好坏直接影响学校培养的学生的质量。然而，一方面该课程修课人数、专业众多，需求量大面广，在培养学生创造性思维能力、精神品格和工程素质方面的作用其他课程难以替代；另一方面受课时局限，如何通过有限的课程教学量，提升学生工程素质、提高教学质量和效率一直是，也是教师们课程改革一直关注的问题。

1 工程素质的核心是工程能力的培养

1.1 工程素质的三要素——工程知识、工程能力和工程精神

高等工程教育的首要目标就是培养工程素质——工程技术人员必备的内在品质和素养。工程素质是学生从事工程实践活动中各种知识、能力、情感、品格等素质的综合，科学性、系统性、复杂性、集成性、社会性和创新性是现代工程活动的特点，它要求工程技术人才要有较高的专业水平、科学全面的工程素质及结构。科学全面的工程素质结构由工程知识、工程能力和工程精神3个部分组成，是工程素质及其组成要素相互联系、相互作用的方式。

1.2 应用型、创新型人才关键在于特殊工程能力的培养

工程能力是学生运用理论知识与实践经验以解决实际工程问题的能力。工程能力包括一般工程能力和特殊工程能力2个层面。一般工程能力指学习能力、实际操作能力、独立分析和解决实际问题能力、人际交往能力、语言文字表达能力、外语和计算机应用能力等，也是学生将来胜任工程工作所必备的基本能力；特殊工程能力则指学生将来从事某项具体工程工作所必备的能力。工程的实施实质是从抽象设计到具体实现的过程，具体涉及工程理论研究、工程调研、规划设计、产品制造（工程建造）、管理营销等诸多领域和环节。因此，特殊工程能力相对于不同的工程领域与环节，又分别体现为研（开）发能力、设计能力、系统思维能力、协同管理能力等。

高等工程教育区别于其它领域的高等教育，在于其培养目标的特殊性——培养学生综合运用科学理论和技术手段解决实际工程问题的能力，定位应用型、创新型人才培养。现代工程涉及多学科交叉、技术因素与非技术因素的融合，综合性、集成性特点日益凸显，需要综合考虑政治的、经济的、文化的、伦理的、环境的、审美的等诸多因素。所以，相对一般工程能力，系统思维能力、创新创业能力等特殊工程能力对工科大学生的培养质量而言更为关键。

1.3 工程制图教学实现了工程知识、工程能力与工程精神的融合

现代工程制图是高等院校工科相关专业教学计划中必不可少的、入学后接受工程教育的第一门技术基础课程。内容包括图示、图解空间几何问题、绘制和閱读工程图样原理和方法以及基本的工程素养的培养等。目的是通过培养学生表达三维物体形状结构能力以及工程设计实践能力，来培养和提升其空间思维与空间想象能力，掌握工程界的技术语言工程图的相关知识。

工程制图在培养学生工程精神方面有其特殊的地位，是其他课程不可代替的。首先，从内容上来讲，在这门课里系统的介绍了工程图绘制的理论与方法，培养学生绘制和阅读工程图样的能力、计算机绘图能力以及空间想象力，使学生能够利用工程图这一工程师的语言进行工作和交流。从这个角度上来说，它与数学、外语具有同样重要的作用，都是人们进行交流的一种工具。其次，从时间上来讲，它是学生接触的第一门技术基础课。在这门课里要培养学生严谨的工作态度和工作作风、为后续专业课和工作打基础。对于非机类学生来讲，还有普及机械工程及机械设计基础知识的目的，让他们初步建立解决工程实际问题的方法，以技术的观点、工程师的观点来看待问题和解决问题，是学生实现从高中纯科学理论知识的学习到大学的专业教育过渡，最终成为具有工程技术实践知识、能处理工程问题的工程师的重要桥梁。第三，从课程群的角度，工程制图也是机械设计与制造类课程群的基础，它的教学效果和教学质量直接关系着课程群其他课程的质量，对培养具有工程能力和创新能力的工程人才具有十分重要的意义。

2 工程素质培养引导的工程制图基础课程改革

2.1 课程体系改革立足于行业发展需求

2010年，教育部工程图学教学指导委员会重新修订了《普通高等院校工程图学课程教学基本要求》。新版《要求》强调厚基础、重实践；内容聚焦三部分——图示理论、图示基本知识、图示基本技能；目标在于培养徒手绘图、尺规绘图及计算机绘图能力，掌握创新构型原则方法；将工业产品设计理念、工程制图最新标准、创新构型设计等新知识纳入教学体系，来实现学生工程意识、工程文化素质以及创新设计思维的综合培养。

基于以上课程改革需求的变化，教师对课程体系进行了系统的整合：修订培养方案，教学模式转向培养学生学习和创造能力为主；优化课程体系，把学生工程素质培养作为课程重点；在教学中实现理论与实践教学、知识传授与工程实践、能力提高与素质培养3融合，形成以学生工程素质培养为首要目标的课程体系。

2.2 以系统设计实现课程群优化

系统与优化是工程制图课程改革需要考量的两个维度。系统性主要源于图学教育的基础性。从历史的角度看，文字、数字、图形都是人类表达思想、交流知识的工具。图学也因此与数学、文学一样，成为共同支撑科学和工程发展的学科。联合国对信息时代文盲的新定义是——不会读图、不会使用计算机。浙江大学陆国栋教授认为，图学教育的地位如同数理化、外语、计算机一样，共同担负培养学生基本素质的重任，属于学校教育的公共基础平台，其设计与改革要兼顾学校通识教育的系统性需求。优化则是因工程图学课程的授课对象不同而在课程定位上所体现的差异性。工程图学课程面临3类需求：第一类是大学本科非工科类学生，工程图学主要定位在培养学生的图形素养；第二类是对大学非机械类工科学生，设置工程图学的目的是培养学生的图形与工程素质；第三类是对大学本科机械类学生，因为工程图学与机械设计制造关系密切，其设计与改革必须关注机械类课程群的整体性与发展性。例如，在标准件常用件部分就可以适当介绍一些零件设计知识；而在零件图、装配图部分，就可以结合零件的工艺结构和装配合理性介绍机械加工与装配的知识。这样可以使得课程的知识点更丰富，同时加强学生后续学习在知识上的连贯性与整体性。

2.3 教学内容的设计体现分类指导、各有侧重的原则

所谓分类指导，指教师通过有限的课时教学，针对各专业的不同需求，对各专业学生课程内容上作知识区分。学生进入大学前，对于现实生活中司空见惯的大量的机器是怎么设计和制造出来的，在这个过程中要考虑哪些问题和经过怎样一个过程是缺乏概念的。通过课程内容设计上的分类指导，为非机类各专业的学生讲解制图理论与方法、机械设计和加工等基础知识。使非机类学生充分了解工程制图作为信息表达工具，在工程技术界及日常生活中的重要作用。不仅提前从专业基础课开始了对学生工程应用能力的培养，更而且拓展了学生的知识面及空间思维能力，弥补后续专业课程设计上的局限。

各有侧重是针对课时少、内容多的矛盾，在教学过程中重新定位教学重点。由于教学要求和学生的实际情况，非机类学生毕业后做机械设计的机会可能较少，但读图的可能性较大。教师便把物体的图形表达和看图作为教学重点和中心，围绕它来组织教学。适当减少画法几何部分的要求和教学时间，把挤出的时间用在后面的看图教学上，在看零件图、装配图和专业图上适当增加课时和训练。对于内容占用课时较多，学生反应难度大，接受有困难的部分，如相贯线的投影部分，进行了简化。

对于机件表达方法、零件图和装配图等章节，笔者设计成制图知识在机械工程领域中的应用，增加读图和画图的习题量，让学生通过练习达到掌握知识技能的目的。教师进行这些内容教学时，重点是让学生通过由组合体向机件转化过程的学习、练习，把正投影的基本理论与工程实践联系起来，使学生真正理解物体怎么从简单的几何抽象形体经过一系列的设计和加工过程到机件再到零件的过程，接受初步的工程思维训练，培养学生理论联系实际的能力。

2.4 教学手段及方法改革——传统与现代的结合

相对于传统的教学，多媒体CAI教学有明显的优势：图例丰富，课堂信息量大增；通過立体图和动画效果，使图形变得生动活泼；有利于激发学生兴趣，提升学生的空间思维能力。但多媒体信息容量过大，与学生接受知识的速度和能力的有限性存在矛盾，老师过多关注多媒体课件的演示，容易忽略与学生的互动交流，现代先进的教学手段对于课程教学质量产生一些负面影响。

相反，传统的板书、挂图、模型等教学方法，如果与教学内容和学生的学习过程有机结合，仍有其无法替代的优势。老师现场作图比动画演示作图，更能吸引学生的注意力，给学生留下更深刻的印象。老师的画图、讲解过程，更是培养学生良好的作图习惯和严谨工作作风的重要途径。因此，在教学过程中，根据教学内容，充分利用传统板书与现代信息技术等各种教学方式的优势，将其有机融合起来。如相对于作图过程较复杂的截交线、相贯线等部分，可利用结合模型、挂图等传统的教学方法，教学效果较好。而对于如三面投影的形成等抽象内容，利用多媒体教学则更为直观，可多角度观察，学生易于理解掌握”。辅以现代科技和教学科技成果：在讲课时适当制作一些微课利于学生学习；开设课程学习QQ群，利用无线互联网，实现与学生实时互动，指导学生学习，都取得很好的教学效果。

2.5 体验主导型学习贯穿课程教学始终

从工程制图基础课程的内容和性质上来讲，它是与机械产品的设计制造实际过程密切相关，有很强的实践性。但是在实际的教学中，由于学生刚上大学，没有工厂工作经历和产品生产经验，对于零件形状的理解、物体的尺寸概念与标注、零件的技术要求与结构的工艺性、国家标准的，概念与遵守等基本工程素养都比较缺乏。因此，在进行课程机械制图部分的教学时学生往往感到抽象和不好理解掌握。对此在课程教学中教师采取了3方面措施来实现体验主导型学习：一是充分利用机械基础实验室，在实验室配置机械设计软件和3D打印设备。学生可以在老师的指导下在实验室进行自己的各种创意设计和输出，直接看到自己的设计结果，真正所见即所得，让学生真正体验把想法变成现实的乐趣。二是通过第二课堂，让学生用学到的课本知识。进行一些带有设计性质的训练。例如，物体的构型设计、产品的外观设计、简单的机器机构的设计等。三是学生课外科技活动。通过指导学生参加机械创新设计大赛、全国先进成图大赛、3D设计大赛、数值化机械设计大赛等科技活动，来提升学生的综合工程素质。

3 工程制图课程改革促进了工程素质的提升

3.1 学生的空间思维能力和创新能力得到加强

空间思维能力是培养创新能力的基础，也是学生工程素质的重要内容和课程教学的难点。为了更好的培养学生的空间思维能力，笔者做了如下探索：一是在教学内容安排上，以立体为中心来组织教学。为了使学生尽早建立“立体”概念，充分利用日常生活中的物体并结合三维模型，加快点、线、面投影等基础知识的教学进度，循序渐进地培养学生的空间思维能力。多看、多想、多画、多练，通过立体到平面多次转换和联系来达到目的。二是尽量启发学生的思维方式。根据现代三维设计软件的物体生成思维方式来训练学生，让他们建立基本形体的概念、扫描和旋转生成形体、基本形体的运算与特征等的概念，掌握在计算机软件上生成物体的一般方式，以利于将来使用三维设计软件。通过教学改革，学生空间思维能力得到明显的提高。近几年，学生在四川省和全国机械创新设计大赛和3D设计大赛中都取得了好成绩。2014年共获得四川省3D大赛特等奖3项，一等奖18项，全国3D设计大赛特等奖2项。机械创新设计大赛全国二等奖2项，四川省一等奖2项，二等奖5项。2015年又取得四川省3D大赛特等奖4项，一等奖6项，二等奖10项的好成绩。同时，还参加了2016年全国先进成图大赛和大学生机械产品数字化设计大赛。

3.2 激发了学生自主学习和思考的积极性

体验主导型学习在课程教学中收到了很好的成效。教师是教学的主导，学生才是教学的主体，“授人以鱼，不如授人以渔”。体验主导型学习是在教师的指导下，学生自主发现问题、解决问题的过程。在课程讲授过程中，多采用启发式教学，引导激励学生调动已学的知识来分析、解决问题。对于复杂一些的问题，给出时间让学生互相讨论；最后，由老师对学生的讨论作点评，总结知识的重点、难点。通过积极体验主导性的课堂教学和讨论，促使学生运用知识认识、分析、解决问题，形成参与教学的积极体验，极大地激发了学生学习的主动性，让学生感受到课程学习的成就感。

教育平台与资源帮助学生将学习延伸到课外。“课上了然，课后茫然”是学生上工程制图课程后的形象写照：上课似乎都能听懂，但绘图时却无从下手；或做完了作业，可并不完全知道对错。针对这一普遍现象，学校利用在线教育平台，建设了让学生自习、练习、自测的系统，并开放课程教学录像、课件、大纲等网上课程资源库。学生自己能够在网上查找资料解决问题，并将学习探索结果以总结、小论文、调研报告的作业形式体现出来。学生不仅学到了知识，训练了思考分析能力，体验了知识学习与运用的乐趣与成就感，而且提高了学习兴趣以及自主学习、探索的积极性。

3.3 通过“过程-规范-标准”夯实学生工程素质基础

工程制图是幾何学与工程实践相结合的产物，它通过培养学生绘图和读图的技能，提升学生的形象思维能力、空间想象能力和设计表达能力等工程能力，达到提升学生工程知识、工程能力、工程精神3方面工程素质的最终目的。

经过完整的课程学习，学生接触到有关机械设计制造的基本概念、术语和国家标准，了解机械设计制造的一般过程。在教学过程中，结合有关内容从3方面着手拓展学生的工程素养：一是过程——让学生了解机械设计制造的一般过程；二是规范——介绍初步的机械工程知识，学生能规范化地表达工程技术问题；三是标准意识——学生理解工程标准并养成遵守标准的习惯。工程制图之所以被称作工科的“启蒙课”，是因为这些工程素养对后续的专业课程学习、毕业后胜任工程领域专业技术工作至关重要。

通过以上改革措施的实施，学生的工程素质得到了很大的提高。近3年，学生参加机械创新设计大赛和3D设计大赛都取得了好成绩。有7名学生的毕业设计被评为全国优秀毕业设计，3名指导教师被评为全国优秀指导教师，在校学生申报3项发明专利，获授权实用新型专利12项，学生设计作品转化成产品28件，学生的就业形势也逆势而上。

4 结束语

工程制图课程因担负着制图知识的传授和工程能力的培养两方面的重任，进行教学改革将是长期而持续不断的任务。三维设计软件的广泛使用和3D打印技术的发展，可能对传统的机械设计制造领域产生颠覆性的影响。工程图学教育如何应对现代科技发展带来的挑战？图学技术教育如何与时俱进？如何实现工程制图课程与其它教学内容的无缝衔接与科学融合等，都是有待深入研究和实践的重要课题。