基于工程应用意识培养的工程图形学课程教学体系改革研究

王力 赵建平 费叶琦

[摘 要]文章在分析当前工程图形学课程教学改革的基础上提出从工程图形学课程教学入手，打破传统的课程教学章节的知识壁垒，以“产品生产过程”为主导思想，建立工程图形学课程新的教学体系。课程教学体系包括优化制图基础知识，加强拆装与测绘环节教学，手工制图与计算机绘图、图纸绘制与加工过程相融合，采用多层次、多环节的考核方式。课程教学体系实现专业知识的大融合，培养学生的工程应用意识，提高学生的工程应用能力。

[关键词]工程图形学;课程教学体系;工程应用;考核方式

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）08-0059-04

工程图样是按照规定的方法表达出机器或建筑物的形状、大小、材料和技术要求来表达和交流技术思想的重要工具，是技术部门的一种重要技术文件。在现代工业中，设计、制造、安装各种设备时都离不开工程图样，在使用、维修、检测过程中也需要阅读工程图样来了解其结构和性能。因此，每个工程技术人员都必须能够绘制和阅读工程图样。

工程图形学课程是一门研究绘制和阅读工程图样的原理和方法，培养学生的形象思维能力，既有系统理论又有较强实践性的技术基础课。其教学目标是培养学生阅读与绘制工程图样的能力以及整体工程素质、形象思维和创新性思维能力，其重心不在于传授知识，而在于培养和训练获得知识的思维方式及方法[1-2]。

传统的工程图形学课程是将实体模型、三维CAD技术及制图测绘融入制图课程教学过程中，使学生的制图、读图能力得到提高。但长期的教学实践表明，由于实践环节课时较少，传统的工程图形学课程教学体系的建设思路只是停留在对教学方法、教学手段及教学模式的改变，理论教学与实践教学之间也只是简单的融合，各门课程的知识点仍然各自孤立，不够重视学生工程应用意识的系统培养，缺少将工程图样与生产过程中的产品设计、制造、检验等过程联系起来的关键环节，造成工程图纸缺少配合要求、形位公差要求、技术要求等内容，学生秀而不实，这点在其机械设计基础课程设计及毕业设计中表现得尤为突出。因此，需要将工程应用教学理念融入工程图形学的教学过程中，以提高学生的工程素质。

一、工程图形学课程教学改革现状分析

多年来，在各高校制图教研组的不断改革和创新下，工程图形学已形成特有的课程体系和教学规律。虽然教师在教学过程中积累了大量的教学经验，但是从学生和企业的调研反馈看，还是存在学生制图读图能力差、对基本零件的表达方法不清楚、图纸规范不够、内容不完整等一系列问题。随着现代制造技术和计算机技术的联合发展，相应的绘图软件诸如AutoCAD、Pro/E、UG等作为工程图形学教学不可或缺的重要内容，许多高校在引入CAD二维绘图、三维建模来提高学生的逻辑思维能力和空间想象能力的教学改革方面做了大量的探索[3-5]。同时在教学内容和教学体系上形成了以三维建模为主线的CG导入式教学模式，即在入学时先采用融入式教学，后期再采用独立式的CAD教学，这样既可保证手工绘图学时的工作量，又可体现工程图形学课程教学的连续性。

近年來，在围绕应用型技术和技能型人才的培养目标来大力发展高等职业教育的背景下，兴起了工程图形学课程又一轮的教学改革热潮。根据国家提出的“卓越工程师教育培养计划”，部分高校根据专业建设的特点，将专业课程教学和工程图形学课程相融合，并通过行业、企业和高校合作办学，致力于提高学生的工程意识、工程素质和工程创新能力，取得了良好的效果[6-7]。基于强化制图实践教学的制图课程教学体系改革层出不穷[8-9]，主要表现在将制图与零部件测绘相结合、制图与金工实习相结合，这样能够大大提高学生对制图学习的兴趣和积极性，也能提高学生绘图、读图的能力。工作过程系统化的课程教学是高职教育的重要教学理念[10]，课程教学过程要打破原有学科知识模块化构建体系，将课程教学各个知识点与实际工作岗位需求相结合，按照教学情境进行设计。教学情境是围绕工程实际案例来设计的，突出培养学生的职业能力，体现知识点的整体性、连续性和实用性[11]。

与我国工程图形学教育相比，国外制图教育更注重工程应用能力的培养[12]。从知识点上比较，二者不存在本质的区别，但是在内容的安排次序上却存在比较大的差异。国内的制图教学注重重复训练课程的重点和难点，偏重于投影理论，而国外的制图教学把重点放在满足工程应用需求上。作业主要以项目设计的综合练习为主，其选择范围十分广泛，这样能大大提高学生的工程意识、工程应用能力。

随着计算机技术的发展，未来的机械制图将成为工程图形学和计算机图形学的集成，它将满足从概念设计到数字化制造各个阶段中工程信息模型的基本需要，不再是简单学习工程图样的单一课程，而是将设计、制造、装配和检验等多个生产环节所需要的知识与能力集于一体的课程体系。

因为大多数高校将与工程图形学相关的制图课程开设在大一和大二阶段，所以针对工程图形学的教学改革研究主要停留在单一的课程教学改革或是二者之间的简单融合，而到大三、大四阶段，涉及设计、加工工艺和生产制造等方面的课程教学时，只是简单地传授专业知识，却忽视了工程图样的重要性，导致学生的专业知识比较零碎，系统性不够，而且缺乏工程应用意识。因此，如何培养学生的工程应用意识和工程应用能力是工程图形学课程体系改革的首要任务。

针对以上现状，课题组提出从工程图形学课程教学开始，打破传统的课程教学章节的知识壁垒，以“产品生产过程”为主导思想，引入工程应用实例，建立工程图形学的课程体系，实现知识的大融合，以培养学生的工程应用意识和提高学生的工程应用能力。

二、重视培养工程应用意识的工程图形学课程体系构建

工程图形学课程是既具有工程实践背景又与工程实际有密切关系的专业技术基础课，而培养学生工程应用意识的最有效办法是能够让学生熟悉工程实际中工程图样表达的正确性、合理性，并有机会亲身体会完成工程图样的工艺性。因此，工程图形学课程教学体系力求完成以下几部分内容：一是让学生掌握工程图形学基础知识、投影规律和零件的表达方法，培养学生手工草图及尺规绘图的能力。二是让学生掌握零部件拆装与测绘的步骤和方法以及量具的使用方法，培养学生对机电产品的结构认知和零部件拆装与测绘能力。三是让学生掌握CAD/CAM技术，能够运用软件对零件进行设计、分析及模拟加工，培养学生的计算机辅助设计与制造能力。四是让学生掌握普通机加工及快速成型技术的加工方法，完成零件的工艺性实现，培养学生的工程技术能力。基于上述几部分内容构建课程教学体系如图1所示。

（一）优化制图基础知识

工程图形学课程现行的教材仍然按照传统的教学思路编排，教学内容较多，而且理论性较强，知识点比较零散，缺乏系统性，特别是制图标准的基本规定部分。课程一开始，各种制图标准、规定充斥着学生的大脑，让初学者即刻产生厌倦或是恐惧心理，造成学生对此部分内容重视不够，基本功不够扎实。由于课程教学前后时间跨度较大，因此到工程图形学教学后期，学生的绘图规范度、完整度严重缺失。此时，还需要对此部分内容再重新提起，这就影响到教学进度和教学效率。因此，在课程教学学时不断缩减的情况下，需要对知识点进行合理整合与优化，即将制图标准的基本规定部分融入后期教学环节中。

要将制图基础知识中的图纸幅面和格式这部分内容融入零件图和装配图中，按照画零件图和装配图的过程，完成图幅选择、图幅样板制作及图幅空间布局;尺寸标注的内容，只强调尺寸标注的基本规则，而将尺寸标注的基本方法与组合体视图及尺寸标注整合在一起，同时在讲解过程中，结合阶梯轴、轴承架、减速器箱体等实际案例，完成典型零件的尺寸标注。

点、线、面的投影规律是立体投影的基础，此部分内容将各种点、线、面均作了详细介绍，而在实际应用中，重点的还是一些特殊的点、线、面的投影关系。因此，将此部分内容直接与基本体投影整合，在基本体投影中讲解特殊点、线、面的投影关系，使得学生更能容易理解点、线、面的投影关系;删减换面法部分的内容，重点强调直角三角形法的应用。截交线和相贯线是制图教学内容的重点和难点，也是学生理解难度较大、容易出错的地方。在教学过程中，一是借助多媒体技术动画演示截交线和相贯线的形成过程;二是借助三维CAD技术建立实体模型，并从实际案例中找到相关零件来展示截交线和相贯线的应用场合。

在手工制图作业方面，要打破传统的题海战术，跳出制圖习题集的范围，从工程实际中搜集一些案例，让学生在课堂上学会产品结构的表达方法。以常见的三通水管为例，三通水管是由两个内部贯通的外圆柱体相贯而成，外圆柱不等径，内孔等径相贯。学生在绘制其三视图时，能够想到圆柱体两两相贯的画法（内、外相贯），顺利完成三通水管的三视图，从而加深对相贯线的理解。

（二）加强零部件拆装与测绘环节

手工绘图环节着重培养学生的逻辑思维能力和空间想象能力，让学生具备一定的工程素质。但是在绘图过程中，学生仍然缺乏产品设计的概念，对产品结构设计、公差要求、工艺结构等方面认识不够，零部件拆装与测绘环节不仅能够让学生充分理解机械结构，也有助于弥补以上的缺陷。

对制图基础知识进行优化后，可以加强零部件拆装与测绘环节。本环节要做好三个方面的工作：一是让学生掌握零部件拆装与测绘的基本步骤和方法，可以通过多媒体动画演示，同时结合实物讲解，包括一级减速器、千斤顶、回转工作台等。二是让学生掌握通用量具的使用方法，主要包括钢直尺、卡钳、游标卡尺及螺纹规等。三是引导学生分组完成动手实践过程，不同的小组可以按照题目的难易程度分，也可以将不同层次的学生进行组合搭配，以达到如期完成工作任务的目的。在拆装与测绘环节，学生自己动手拆、装部件，测绘零件，查阅机械工程手册，训练学生观察、动手和动脑的协调能力以及团队精神和相互协作能力。

（三）将手工绘图与计算机绘图相结合

计算机绘图的出现，使工程设计领域发生了质的飞跃，计算机绘图工具具有快速、精确、易编辑、易线上沟通等特点，是手工绘图无法比拟的[13]。计算机绘图要求学生运用AutoCAD绘制单一、复杂的组合体三视图、剖视图、零件图和装配图等，培养学生的绘图能力。手工绘图与计算机绘图采用主线式教学模式[14]，即手工绘图与计算机绘图不脱节，制图基础知识学完一个章节就将所学知识用在手工绘图和计算机绘图中。这就激发了学生的学习兴趣和积极性，提高了学生的绘图能力。同时使学生切身体会到运用AutoCAD绘图不仅仅是运用一组绘图命令完成一个图形，还能按照制图标准规范完成一张工程图纸，符合产品设计及加工要求，增强了学生的工程意识和专业素质。

（四）强调工程图纸工艺性实现

金工实习是理工科高校开设的一门集中实践环节课程，其教学目的是让学生通过亲身实践了解产品加工的全过程，包括普通机加工、数控加工及特种加工等内容，基本上是让学生完成一个铁锤的制作，作为实习的考核内容，一般开设在大二下学期。学生在实习过程中表现出对大一所学的机械制图基本功不够扎实，工程图纸的规范度和完整度均存在缺失现象，缺乏工程素质培养，从而导致零件工艺性实现艰难。所以在课程教学体系构建中，要将金工实习实践环节与机械制图课程相结合，打破传统的单一的课程实践过程。在讲授零件图和装配图的过程中，实施零件加工过程，完成产品从结构设计、工艺分析到生产制造全过程，真正培养学生的工程意识和工程素质。

金工实习课程对实验场地、师资配置、时间安排及原材料要求都比较高，所以在具体实施过程中很难统一协调。近年来，随着快速成型技术的发展，3D打印技术也得到充分发展。在课程教学体系中，可以将3D打印环节作为课程教学外实践环节，在讲授零件图和装配图的过程中，学生完成零件图和装配图手工绘图后，可以利用三维设计软件建立零件图和装配图三维模型，在3D打印机上完成实体制作，体会快速成型技术的实现过程。在实施过程中，以3至5名学生为一个兴趣小组，小组成员分别负责产品结构设计、图纸绘制、三维模型建立、打印过程调试等，培养学生的工程意识和团队精神。

三、过程实施及考核方式

新的课程教学内容体系建立以后，应对传统的教学实施计划进行修订。打破各个课程之间的界限，将实践教学环节融入工程图形学课程教学过程中，其实施计划如表1所示。

考核的目的是评价学生对制图知识与技术掌握的程度，同时也是对教学效果的评估。传统的课程考试主要以最终考试成绩为评定依据，注重结果，而忽略了过程。新的课程教学体系建立以后，在考核方式上应改变传统的单一课程考核形式，建立多层次、多环节的考核体系，科学、合理地对学生进行综合评价，既考核学生对专业知识的掌握程度，也考核学生的工作态度、团队协作能力及工程素质能力。其具体实施过程包括：（1）工程图形学专业基础知识占40%，主要体现在习题集、课堂作业等，对学生作业提交和课堂回答问题的情况进行评价。（2）拆装与测绘环节占20%，主要考核学生对拆装步骤与方法的掌握程度及提交的图纸质量。（3）计算机绘图占20%，主要对学生提交AutoCAD文档的正确性和图纸的规范度进行评价。（4）金工实习与3D打印技术占20%，主要对学生所提交作品的完成度进行评价。