以工程实践能力为目标导向的工程制图教学改革①

吕述纲 何阳春

(浙江工商大学食品与生物工程学院)

工程图样是工程信息的载体，被称为“工程界的技术语言”，工科教育教学活动中，工程图学在工程教育知识体系中处于基础性地位，是大学学习阶段重要的思维训练和工程教育的先导课程。“黑板+粉笔+三角板”的传统授课模式虽然已经被多媒体课件替代，但是，多媒体课件教学模式还没有发生实质性改变，“照图索骥”的绘图技能学习方式还是没能突破，形成了工程制图课程的侧重点在制图，疏远了工程实质。

“新工科”教育理念的倡导、科技的进步、新的教学手段的出现以及三维建模软件的普及应用，使得工程制图的教育教学改革越来越迫切，同时也具备了实现新教学模式的方法。在这一背景下，以培养工程素养和创新实践能力为目标，通过梳理工程制图课程知识体系结构，开展工程制图课程教学改革与实践，探索创新教学方法，构建闭环学习过程，对于提升教学质量、提高教学水平、促进工程素质培养，以及培养创新型技术人才具有重要意义。

一、工程制图知识中工程思想的嵌入

工程制图是以画法几何为理论依据的应用实践性很强的一门课程，课程以工程图样的读图和绘制为目的，主要包括从空间几何元素点、线、面以及基本几何体的投影表达的理论分析到各种图样表达方法和典型零件的表达方法。工程制图的理论内容来源于工程实践，最终也应用在工程实践之中，合理的工程制图绘制蕴含着很多工程认知，课程的学习过程根据工程实践的认知过程，在不同的学习阶段引入与工程相关的背景内容，激发学生对工程问题的思考，促使学习过程能够实现理论和实践的结合。

工程制图课程的知识体系以空间里的点、线、面为起点，通过几何投影法表达几何元素的空间位置关系，熟练掌握这些内容是学好工程制图课程的基础，这些内容可以通过空间几何构型的方法建立空间元素的各种位置关系模型，帮助学生能够理解透彻空间位置关系，特别着重培养学生空间想象和空间逻辑分析能力。

基本立体以及组合体的三视图表达是从基础投影理论到零件图表达的过渡和认知渐进的重要阶段，起到承前启后的作用。主要学习从实际工程模型中抽象出各种基本平面立体、回转体到截切体、相贯体的表达方法。重点学习来源于工程问题中的模型，比如重点掌握在实际工程问题中出现较多的圆柱截切和相贯情况，尽量避免纠结非工程现实模型，比如复杂的平面立体切割体等，通过CAD三视图和SolidWorks三维建模造型来强化这部分内容的掌握。

课程最重要的内容是零件图的各种表达方法，包括基本视图、斜视图、局部视图和剖视图，其中剖视图表达方法是重中之重，这部分内容可以通过各种典型零件的SolidWorks三维模型，帮助学生掌握不同类型零件的常见的表达方法，装配体主要以历年全国大学生产品信息建模比赛的模型为例进行建模，图1表述了工程制图课程知识体系结构以及对应表达方式和实现工程实践的具体方法。

图1 工程制图的知识结构与工程实践方法

二、基于工程实践的三维模型库建立

工程制图课程学习从简单几何空间元素到复杂的工程实际零件，由空间抽象思维到形体想象的过程，若每一部分内容有具体的形体模型来支撑理解和想象，通过形象思维和形体模型的相互对照转换，能够帮助学生们建立较好的空间想象和空间逻辑分析的能力，高效地完成各部分制图知识和制图技能的学习。

根据课程内容建立了工程制图的三维模型库，该模型库中包括了6个模型子库，分别是空间几何构型子库、基本几何体子库、组合体形体子库、典型零件库、标准件子库和部件装配体子库，建立模型时充分考虑了各阶段知识学习侧重点，如：学习基本几何体绘图知识章节，模型库中涵盖了基本平面立体、基本回转体等特征组成的基本几何体模型；学习组合体绘图知识章节，模型库中涵盖了叠加、切除及复合等组合方式形成的典型形体模型；学习标准件制图知识章节，模型库中包含了螺栓、螺钉、螺母、垫圈、轴承、齿轮、弹簧等常用标准件形体模型；学习零件图知识章节，模型库中也涵盖了体现工程应用功能的4种典型的工程零件形体模型。各模型库的详细内容如图2所示。

图2 工程制图三维模型库

历年全国大学生先进成图技术与产品信息建模竞赛中的形体构型模型、零件模型和装配体模型来源于工程实践，紧跟工程图学的发展方向，具有较复杂空间结构、涵盖代表性工艺特点的工程模型，将这些模型以及包含的单个零件模型应用于课程全过程可以全面覆盖知识点，更有利于知识点间的联系，所以工程制图模型库中还建立了历年竞赛中的一些典型的形体模型。

三、学科竞赛牵引的教学改革实践

近年来，大学生学科竞赛受到了高等院校的关注和支持，学科竞赛对培养大学生解决综合性实际问题的能力有很大的促进作用，学科竞赛也是一种由纯理论知识学习延伸到解决综合性实际问题能力培养的有效途径，特别是对一些理论基础扎实的同学，参与学科竞赛是提升自身综合能力的重要方式。

全国大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛是由高等教育学会工程制图专业委员会主办的国家级大学生学科竞赛，也是全国高等学校学科竞赛排行榜内竞赛项目。竞赛以提高学生针对实际工程问题进行成图技术、产品信息建模的实践能力为目的，能够促进工程制图课程的教学交流，也能够促使教学手段紧跟现代科技发展出新的方法。

1.引导学生积极参与校内竞赛

工程制图课程大多是在大学一年级第一学期开设的，大一新生对实际工程问题缺乏认识，对竞赛的内容和方式都不熟悉。因此，在进行第一学期工程制图课程的教学过程中，要对学科竞赛进行必要的介绍，对学科竞赛中的实际工程模型进行分析，吸引学生对竞赛建模和分析产生浓厚兴趣，为第二学期参加比赛打好理论基础，做好准备。

2.开设工程制图拓展性竞赛辅导课程

经过一个学期的工程制图的学习准备后，依据工程制图课程的学习成绩和个人兴趣爱好与意愿，组建工程制图校内工程制图拓展性学习团队，开设立体几何构型、零件图表达方法尺规绘图学习辅导课程，加强学生典型零件的表达方法的学习，同时也开设三维建模SolidWorks的线上学习课程，主要学习三维建模的方法，经过一个学期的学习和竞赛准备可以熟练掌握SolidWorks三维建模的方法。

3.利用学科竞赛的成果促进工程制图的课内教学改革

学科竞赛可以全方位将工程制图课程中的形体构型、零件图、装配图、标准件等工程制图的多个知识块与工程实践联系起来，让学生建立制图与工程实践的直接关联。运用课堂所学知识，绘制工程图样、模型建立的过程，同时也可以加深学生对课程内容的充分理解；在参赛过程中将制图知识与工程实践进行对照，理解工程制图对工程实践的作用，促进了工程制图知识的学习和绘图技能的提升。