新工科背景下非机类“工程制图及CAD”课程教学实践

2021-06-08连彩元

福建技术师范学院学报 2021年2期

连彩元

（福建技术师范学院电子与机械工程学院，福建福清 350300）

“新工科”是教育部为应对新一轮科技革命与产业革命，支撑创新驱动发展、“中国制造2025”等一系列国家战略而推进的新计划[1-3].工程制图作为工科类专业的一门重要的基础课程，从19世纪诞生之日起就承担着“工程界的语言”的使命[4]，作为技术、设计、加工制造、使用等之间的技术交流工具及加工制造的依据，在不断壮大.为了适应新工科人才培养的“产业需求导向，跨界交叉融合，支撑引领行业”的要求，提高非机类学生毕业后对智能制造的适应能力，各高等工科院校中的大部分非机类专业，如电子电气、计算机、新能源等专业都把“工程制图及CAD”这门课程作为一门必修的技术基础课,其目的是培养学生构形、表达、识图、制图等四个方面的能力.掌握工程制图及CAD的基本知识与技能对于学生适应新工科交叉复合型人才模式和《中国制造 2025》发展方针具有很好的作用.

文章以福建技术师范学院新能源科学与工程专业的制图课为例，在分析学情的基础上，结合教师多年的教学实践，就如何调动学生学习积极性，提高工程制图及CAD的教学效果展开阐述.

1 “工程制图及CAD”教学的现状与问题

“工程制图及CAD”是我校新能源科学与工程专业的一门重要基础课，开设在本科阶段第 1 学期，其中理论授课32 学时，实验教学 16 学时.该课程课时少、内容多、较抽象、难理解、学生兴趣低、作业质量不好，是学生普遍存在的状况，常常还听到学生说学完课程之后，也不知道到底学了什么.而教师是教学改革的关键，如何帮助非机类学生在较短学时的情况下，能较好地学习到制图应掌握的基础知识和空间想象能力、绘制与识读工程图样等基础技能，是教师在教学过程中需要努力去不断摸索和解决的问题.同时，考虑课程具有理论和工程实践的属性，结合新工科的背景，在教学过程中还需创造各种平台以注重培养学生贯彻和执行国家标准的意识、培养严谨的工作作风、自主学习的态度以及学生掌握科学思维方法、分析问题解决问题的能力，增强创新意识.

2 “工程制图及CAD”教学实践

2.1 设计课程主线，优化教学内容

“工程制图及CAD”的课程目标为绘制与识读工程图样.为了更好地帮助非机类学生在少学时情况下实现课程目标，设计一条合适的课程主线并优化其教学内容，就显得非常重要.

2.1.1 设计课程主线.课程主线就如同一条线把零散的知识点串联，使学生在开始学习的过程就明了课程体系的所有内容，满足学生的好奇心，激发学生学习兴趣，同时也让学生认识到知识间具有承上启下的连贯性特点，让学生一开始就明白每个环节内容学习的重要性，从而达到事半功倍的教学效果.图1是以非机械类的工科学生为对象所设计的“工程制图及CAD”课程内容主线.

图1 “工程制图及CAD”课程主线

通过课程主线不仅让学生学习起到画龙点睛的作用，同时利于培养学生新工科具备的素养.

2.1.1.1 理解绘制和识读工程图样所应遵守的标准、所依托的平台、所依据的理论及其应用.只有遵守标准才会有共识共享概念，就如同交通规则，只有大家共同遵守道路交通规则才会畅通，社会才会更加安全.如不按“规则”所绘制出的图将一切归为“不合格”，让学生明确其“遵纪”的重要性，从而培养贯彻和执行国家标准的意识.

2.1.1.2 明确知识间承上启下的连续性，如：装配图可由零件图构成，而零件图也可以由组合体构成，而组合体可由基本体组成，这样层层推进，让学生学会把书越读越薄，直到无纸，牢记在心，从而培养学生学习课程的方法论.

2.1.1.3 掌握每个知识模块中关键点，引导学生自己在学会每章知识点后如图1那样进行关键点知识的概括与补充，培养学生学会抓主线、找关键点的一种思维学习方法，为后期的系统学习与复习奠定良好的基础，这也是新工科学生应掌握的一项基本本领.

2.1.2 优化教学内容.在设计课程主线的基础上进一步优化教学内容，例如：考虑到“截切体与相贯体”知识点的相通性，由原来分别在“基本体的投影”和“组合体的投影”两个章节中讲的这两个知识点，可以统一安排“基本体的投影”章节后进行知识讲解，便于学习比较与理解；再如：在普遍的教材上，多数把“机件表达”作为单独的一个章节来讲解，而优化后则可以把“机件表达”知识点贯穿于“零件图识读”知识模块中的各种典型零件图识读中进行讲解，不仅实现知识点的有机整合，更是帮助学生理解不同的“机件表达”在不同零件图识读中的具体应用.

2.2 整合线上资源，打造线下课件

截止2020年2月，教育部共组织约22个在线学习平台.“工程制图及CAD”是工科类的一门重要的基础课程，在各种网络学习平台上都有着该课程丰富、免费的优质在线精品课程和相关的在线习题库等，这不仅为学生提供丰富的课外学习资源，同时也为教师提供了丰富的教学资源.如何去整合线上资源，制作因材施教的课件，从而打造线下的优质课，提高教学效果，真正地实现为学生服务，这也是新形势下对教师能力的一个最基本的考验.

以下是作者在多年的教学实践中，充分利用网络上的教学资源，借助于Authorware专业课件平台自身所提供的强大函数功能和很强交互性的特点制作“工程制图及CAD”课件，使得教学目标达到良好的效果.该课件制作的一个核心内容是脚本设计.脚本设计实际上就是“教什么”“如何教”和“学什么”“如何学”的文字描述，也是充分体现多媒体教学手段与教育思想、教学目标、教学策略吻合的一种设计.其主要优点有2个方面.

一是实现集成化、模块化的教学管理.如图2所示，通过脚本设计，集成课程全部内容，实现资源管理器管理效果.不仅能帮助学生明确每个章节（模块）之间的联系及相关内容，同时也能帮助教师及时补充教学的最新成果，且在学生答疑过程中，可以及时方便地链接到相关的知识点,实现良好的教学管理和实时控制.

图2 课程的AW脚本设计

二是实现友好、实时的交互环境.不仅给学生留有思考和探索的余地，而且在课堂上容易调动学生学习积极性.如图3所示的“组合体表面连接关系”中，要对学生进行边提问边画出正确的图形，在制作过程中，就必须要求能随机对任何一个图形实现热区响应，在正确与错误的比较中掌握知识点；再如图4所示的“组合体分析法”，可以利用动画视频、图形、文字的有机结合，开展形象逼真的实时交互教学，化解学生对知识难点重点的理解，有利于培养学生空间分析问题的能力.

图3 组合体表面连接关系课件介面

图4 组合体分析法课件界面

2.3 改变习题课教学方法，搭建团队学习平台

要学好工程制图课程，除了教师的教学方法外，还要学生通过平时的练习，多看多做多想多练来进一步巩固基本知识点的掌握.在传统的教学方法，习惯教师布置，学生课后独立完成，习题课上教师进行点评.在习题课上仍体现以教师为中心的教学模式，不能充分体现学生学习的效果，而且在课时有限的情况下，无法涉及对较多的习题进行讲解.为此，习题课前把习题册中较典型且综合的零件图和装配图作为问题导向的项目，分小组共同完成学习.在课堂中把主动权交给学生，要求小组学生用PPT形式阐述该零件图或装配图所应用的场合、对构想的空间立体图进行描述，以及完成该零件图的绘制与识读需应用的那些知识点，完成之后由其它各小组对完成作业的质量、汇报情况进行评分，该分数作为平时成绩的一部分.通过对习题课的创新教学，既实现作业有质量的完成，又实现学生知识点的巩固与拓展，体会自主学习、合作与交流、学以致用的乐趣，从而进一步地激发学生的学习潜力.

2.4 打破传统教学，创新实践教学——CAD模块

CDIO 工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果[5]，它是以项目作为基础知识传授与基本技能掌握的载体，引导学生通过学和做，培养学生分析和解决问题的能力，该教育模式特别适用于操作实践性强的课程.为此，笔者在CAD教学模块中大胆采用以项目任务为驱动的教学模式进行教学，即用项目任务为串联模块，组成教学内容，打破了传统“逐条命令学习”的教学模式.

根据所从教的新能源科学与工程专业的学生，在只有16个学时的情况下，以须达到CAD技能一级考评大纲对计算机绘图基本知识的基本考核要求为例，通过8个教学项目，将计算机工程制图的基础知识有机地结合起来，具体项目如表1所示.

表1 项目一览表

项目设置注重循序渐进，分3等级，其一基础项目：让学生从基础的小项目开始实践，逐步深入，最后实现整个项目，达到培养学生的兴趣、自信与系统思维目的.如，项目三简易的二维图形是在项目一的图幅设置和项目二标题栏的基础上绘制，然后在项目三的基础上完成项目四图形尺寸标注.其二进阶项目：通过工程制图中的三种典型零件图，来进一步完成计算机制图基础命令的使用，其中项目鼓励学生可以自己挑选在制图理论上学过的识读图样，注重学生自主性、创新性、综合应用能力的培养.其三高阶项目：培养学生在掌握计算机绘图基本指令的基础上学会绘制装配图的基本思路，注重学生知识系统性的培养.这样的项目设置恰好与工程制图的理论课相对应，起到理论与实践相辅相成的作用.具体实施过程采取了CDIO的模式来完成课程的任务，实现学生对该课程知识技能的掌握、职业素质的提升，达到课程的培养目标.

表2 项目实施过程

教学实践表明：

第一带着项目任务来让学生掌握基础的知识，并架起学习专业知识的载体，这不仅能够极大地激发学生的学习兴趣和学习潜力，锻炼学生的实战能力，培养学生的工程素养，而且使其切身体会每个项目从构思、设计、实施到运作的完整过程，并掌握由此所涉及知识、技能以及问题解决的思路和方法.

第二CAD软件作为可视化软件的一种，其基本操作方法可以与其它软件触类旁通，特别是绘图操作过程，要引导与鼓励学生大胆去尝试各种命令的基本操作方法，要有 “条条道路通罗马”解决困难的决心，特别是同样的一个项目，可以通过不同的操作方式及步骤来完成，而这种学生完成任务的过程中需要各种各样的方法的研究或者探究的科学方法，也正是学生所应该学习的工程素养.