新工科背景下工程图学课程改革研究

栾英艳， 王 迎， 何 蕊

(哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

2017年2月，教育部下发了《关于开展新工科研究与实践的通知》，提出了工程教育改革要围绕新理念、新结构、新模式、新质量、新体系开展，并给出了具体建设目标[1]。随后形成了“复旦共识”，指出我国高等工程教育改革已经站在新的历史起点，面临新机遇和新挑战[2]；2017年4月，教育部给出了新工科建设行动路线，既“天大行动”，明确了探索建立工科发展新范式和问技术发展改革内容，更新工程人才知识体系的行动方向[3]。国家推动创新驱动发展，实施“一带一路”、“中国制造 2025”、“互联网+”等重大战略，对工程科技人才提出了更高要求，迫切需要加快工程教育改革创新。对于整个高等教育而言，工程图学课程是所有工科学生的技术基础课，是机械类学生的核心课程，也是工科教育的基础，引领学生学会用“工程语言”来描述设计思想，建立设计的概念，知晓创新设计的含义等等。因此，要适应国家“新工科”人才培养计划要求，作为工程图学教师，必须认真思考如何对课程进行改革，并付诸实践。文中阐述了在新工科背景下对工程图学课程所做的教学改革。

1 “新”课程改革方案建立

经过几年的探讨和研究，新工科的理念逐步清晰，内涵不断深化，已经从理论探讨进入到具体操作阶段[4]。在这一背景下，哈尔滨工业大学提出了“面向专业，对课程进行供给侧改革”的教改方针，借助学校人才培养方案调整的契机，紧扣“天大行动”的行动目标，以“新工科”的“新”字为目标，强调人才培养上建立新理念，教学设计上有新结构，教学方法上运用新模式，教学评价采用新标准，课程架构实行新体系。运用多年积累的教学经验，对工程图学课程教学内容、教学方式、评价方法、教学资源等开展了全方位的教学改革与建设。

1.1 问技术发展进行教学内容改革

电子技术的发展，给工程设计带来革命性的变革，从最初的图板图纸绘图到计算机二维绘图，提升了设计精度，缩短了设计周期，进而又实现了三维数字化设计和数字化制造。在互联网普及的今天，工程设计更是迈向“互联网+”时代，西门子公司两年前就推出了实时设计APP，使设计、制造、安装能够实时沟通与协调。工程图学课程内容也随之进行了更新，全国各高校都在积极思考，出现了“面向产品设计全过程的课程改革”方案[5]，有了“工程图学语言教学模式改革”的方案[6]，都在努力对课程结构和内容进行调整，以适应新时代工程设计发展的要求。

面向专业，以学生培养目标为中心，对课程内容进行供给侧改革，分析课程在培养规划中的作用和地位，重新定义课程目标，规划课程内容，提出了“重能力培养、重创新意识建立、与工程设计相结合”的教学目标。在内容设置上重点加强计算机绘图、三维数字建模、徒手绘图能力，依此调整课程内容，重构课程结构，提出了“以项目设计引领课程进程”的课程改革方案。如图1所示。

图1 课程架构框图

传统工程图学注重产品视图表达，学生学习过程中始终以形体表达为中心，被动接受理论知识。现将“设计与制造一体化”的思想融入到课程教学之中，给学生充分自主的思考空间，建立“工程图即是设计思想的体现”的理念，通过自主设计，用图表达设计思想，在设计过程中学习工程图学理论。如相贯线、截交线等教学难点问题通过构型设计和三维建模得到了很好地解决。课程内容以模块形式，融入在项目设计之中，旨在通过课程的学习不仅要学会“工程语言”的使用，还要培养主动思考及探究问题的能力，积极主动寻求解决问题方法3个目标。

1.2 问学生志趣进行教学模式改革

当代大学生思想活跃，求知欲强，有着强烈的表现欲望，对传统的教师讲授学生接受的教学模式认同感较低，渴望与教师之间的互动，这是培养学生质疑精神、创新意识的有利要素。同时本课程所面对的低年级大学生又普遍存在依赖性强，没有良好的学习习惯，自主学习能力不够等情况[7]。因此，课程中需要把握学生特点，积极对教学模式进行变革，寻找适应学生志趣，能够培养学生创新设计能力的教学模式与手段。

通过多年的实践与探索，总结出“精略结合、研讨课堂、项目引领、场景模拟”多种教学手段联动的复合教学模式。课程内容大致分为投影理论，形体描述和工程应用 3个部分。精略是就讲授过程的详细程度而言，而对课程内容的要求是一致的。精讲理论与方法，让学生树立正确的投影概念，建立明晰的空间概念，难点部分精讲作图方法，训练空间想象能力，提升空间思维能力；理论应用通过项目引领学生自主学习，如形体描述部分结合构型设计项目，将主动权交给学生，教师通过学生的设计引导学生学习相关知识点，在课堂上开展研讨，针对问题进行讲解，这样极大地激发学生的学习主动性，不断完善设计的构型结构，描述准确性逐步提高，同时也拓展了学生的思维，有利于创新思维能力的培养。图 2是学生构型设计的作品；工程应用部分对于没有工程认知的学生而言是个难点，通过产品设计项目引领，开展研讨课堂模式进行授课，让学生确认自己的设计者角色，明确设计与制造一体化的概念，教师通过学生的设计项目提出问题，引导学生探究工程问题，在设计进程中学习课程内容。同时，应用计算机三维建模，模拟零件、机器的加工、制造过程，多项手段并举，有机结合，将理论融于工程实践，引出设计与制造问题，使学生能够明晰理论的具体应用，学到了真正的工程理论，而不是碎片的知识点。

图2 构型设计作品

1.3 重创新能力的教学设计改革

教学设计注重创新设计能力培养，对每堂课教学内容进行分析，根据内容确定教学策略，包括确定教学模式，教学内容推进方式，课堂节奏如何把握等等。为每一教学内容进行课堂教学设计，保证教学内容传授的同时更加注重能力的培养，改革始终围绕学以致用进行设计，运用了以下3种教学设计。

(1) 精讲互动式。图3的教学设计相对简单，主要是针对基础理论的知识，课堂设置思考题，注重引导学生积极思考，循序渐进开展教学活动。本设计的重点是如何设置思考题，问题不只局限于知识点本身，要有引申。要求教师要把握课堂教学节奏，保证课堂围绕教学内容有序进行。

图3 讲授互动式教学设计

(2) 研讨课堂式。该教学设计相对复杂，主要用于理论应用方面，如构型设计、综合表达、测绘等等，教师要规划课堂研讨内容，掌控课堂节奏，引导学生去探究问题，具体设计模型如图 4所示。这一设计的重点在课堂进程如何规划，结合实际设计研讨问题等。

图4 研讨堂教学设计

(3) 场景带入式。该设计主要针对课程与工程设计紧密结合的特点，让学生将自己定位为设计者去思考问题，重在使学生建立工程概念，考虑有关设计与制造的相关问题。教学设计要把握课程内容与工程实际相结合的关系，引导学生去思考，学习设计方法，工程描述手段。在实践活动中讲解理论问题，树立“工程图——设计——制造”密不可分的一体化设计意识。课前教师要将产品设计拆分为若干细部问题，逐步引导，按照先局部后整体的过程完成最终设计推进课堂进度。

1.4 学科融合

工程图学具有较强的实践性，学生的绘图实践对课程的学习起着至关重要的作用。以产品设计项目学习来推进课程进展，以大作业的形式检验学生的学习效果，同时使学生掌握设计的基本方法，懂得工程图的作用，建立工程设计理念。

新工科要求学科之间的交融，工程图以机械设计为主线，结合不同专业的特点，通过设计项目来逐步推动课程内容的学习。学生首先绘制设计草图，完善设计方案，再进行零件工作图和装配工作图的绘制，进而进行计算机三维建模，通过运动仿真检验零件结构的合理性，尺寸的协调性等等。产品设计项目使学生了解了设计的基本过程，懂得工程图的作用和工程图的内容与要求，知晓零件加工的工艺要求和零件结构的合理性等概念，同时也使学生清楚工程图学课程在相关专业中作用，项目学习教学模型框架如图5所示。

图5 项目学习教学模型

1.5 重能力培养进行考核方式改革

考核方式是实现教学目标的必要手段，建立科学的考核评价标准是教学改革的重要环节。本次改革从完成度和目标达成度等方面实行考核，见表1。

表1 考核标准一览表

2 配合教学改革进行教学资源建设

2.1 教学改革需要辅助配套的教学资源建设

以学生学习为中心，驱动学生自主学习，主动探究，开发教学网络，辅导助学系统软件，这套软件在校计算机绘图中心运行，供学生学习使用。

2.2 录制MOOC课程

在线学习，为学生提供了课外教学资源，如录制 MOOC课程，教学视频。其不仅为在校学生补充了教学资源，也为其他人员学习工程图学的相关内容提供了帮助。

2.3 设计学习项目

合理规划教学内容，保证课程目标的顺利实现。项目学习中的设计内容由学生完成，但教师需给定项目的设计条件，把握项目的基本难度，以保证学生能从设计项目中学到课程所要求的教学内容。还须保证能在授课进程中顺利完成教学内容，特组织教学团队进行调研，与专业教师沟通，收集相关资料，设计出不同的设计项目，随着课程的进展还在不断充实之中。

2.4 建设实验室

使学生能够将理论与实践紧密结合，实验室面向学生开放。图学部建设图学绘图实验室9间，配备计算机约 700台，均安装好了二维和三维绘图软件，为学生进行设计、绘图、建模提供良好的硬件条件。还建有模型展室 2间，帮助学生建立二维图形与空间形体之间的对应关系，增强空间思维能力。

3 教学改革实践及数据分析

哈尔滨工业大学机电学院、能源学院、材料学院3个学院的学生，均完成同一类别的工程图学课程学习。借“卓越工程师计划”契机，在2015级机电学院开展产品设计项目、三维建模改革，期末同一考卷机电学院学生优秀率和平均成绩均高于其他2个学院的成绩，见表2。2016年，在3个学院同时推广了教改方案，并将考题难度加大，学生成绩差异明显缩小，见表3。通过对这2届学生在课程设计和毕业设计环节对指导教师进行回访中，普遍反映学生的设计能力、三维建模能力和及读图能力较往届学生有很大提高。

表2 2015级学生考核成绩分析表

表3 2016级学生考核成绩分析表

对于教学模式，选择同一教师的不同班级进行对比研究。其中一个班级采用新教改方案中的研讨课堂方式授课，运用构型设计、产品设计项目等推进教学进程，注重学生创新能力的培养。课程结束后，新模式下学习的成绩要好于传统教学模式，这里不再赘述。学生对授课模式的认可度见表4~5和图6~7所示，其中表4是传统教学模式班级学生反馈结果，表5是教改模式班级学生调查反馈结果；图6和图7将2组数据进行对比分析，可以明显看出学生对项目引领研讨型教学模式的认可度较高。另一方面，教师也感受到，新教改模式的课堂气氛活跃、自主学习程度要高于传统授课模式的班级，学生能够积极思考，提出问题，对课程内容的理解要更深刻。

表4 传统授课模式学生反馈表

表5 教改模式学生反馈表

图6 评价优秀比例对比图

图7 评价低分比例对比图

4 结 束 语

“新工科”对工程教育提出了新要求，不仅仅是在培养理念上的更新，重要的是要实现所培养的人才能够适应当今世界的人才需求。工程图学课程面向全体工科学生，是大学生最先接触的技术基础课，课程还承载着对学生建立工程概念的启蒙。本次课程改革注重学科交融，面向专业进行教学设计，着重培养学生的创新能力，工程图学课程质量的提升不仅有利于培养学生的形象思维能力、设计能力，而且有助于提升学生的融合创新能力。此次教学改革在教材建设，资源建设等方面学校都给予大力支持。随着技术的不断更新，社会对人才的要求也会随之变化，新技术为课程改革提供了支撑条件，MOOC、SPOC、线上线下混合教学等等，教学改革也不拘泥于某一定式。培养适应时代需求的人才是根本目标，要不断改革，不断完善。