“新工科”背景下面向工程能力培养的工程图学课程体系建设

杜秀华 祝娟 王妍

摘  要：“新工科”教育注重培养学生的工程实践能力和创新能力，使其成为具备国际竞争力的复合型人才，而工程教育改革归根结底要落实到课堂教学的改革上。受教面很广的“工程图学”课程改革以工程设计为主线构建了新的教学内容体系，考虑层次化、模块化，注重顶层设计和知识关联，以能力培养为核心进行了讲练式互动、研讨式互动和引领式互动三种教学设计，构建了注重过程的多元化考核机制，形成了具有“新工科”特色的“工程图学”新的课程体系。

关键词：新工科;工程设计能力;工程图学;课程体系

中图分类号：G642     文献标识码：A

围绕“一带一路”“中国制造2025”“互联网+”等国家重大战略的实施，教育部发布了“开展新工科研究与实践的通知”，随后启动612个“新工科”研究与实践项目。“新工科”人才培养目标是培养学生的设计思维、工程思维、批判性思维和数字化思维，提升创新创业、跨学科交叉融合、自主终生学习、沟通协商能力和工程领导力[1]。“新工科”所倡导的五个“新”对传统工科人才培养模式提出了新的挑战，为工程教育改革指明了方向。

“新工科”专业涵盖了人工智能、大数据、智能制造等19个类别，存在新兴交叉复合型学科专业，但更多的是老专业融合新科技，升級改造后的传统专业。“机械工程专业”作为工科院校的必备专业，也面临互换网时代的挑战，需要顺应社会发展，提高行业竞争力，培养具备较高工程实践能力和创新能力的复合型 “新工科”人才。

“工程图学”课程是机械工程专业的技术基础课，通过基础投影学习，掌握绘制和阅读工程图样的方法，重在培养学生的形象思维能力、图形构思能力、基础图形表达能力和高阶创新设计能力，锤炼工程师素质，提升自主学习能力和团队协作能力。该课程教学目标的实现将对传统工科专业的升级改造和专业发展具有强有力的支撑。本文在“新工科”人才培养目标的指导下， 以工程应用为主线，能力培养为核心，构建“工程图学”课程的教学新体系。

一、构建具有“新工科”特色的课程新体系

“新工科”人才培养将课堂教学视为工程教育人才培养质量的关键与保障，将教学过程视为人才培养的生命线[2]。为此，东北石油大学以“新工科”人才培养为目标，专业认证为契机，调整了各专业的人才培养方案，注重人才培养的新理念，课程教学的新内容、新方法、新手段，教学过程评价的新体系等。作者总结了30余年的教学经验，对“工程图学”课程进行了全面的教学改革。

（一）基于设计思维的课程内容调整

“新工科”要求学生要具备工程设计与实践能力和创新思维能力，需要对现有“工程图学”课程的内容与结构进行调整，具体如图1所示。

课程结构采用模块化设计，模块1将图学理论和三维数字建模有机结合进行构型设计，培养学生的形象思维和创新能力。模块2以产品设计全过程为主线，利用顶层设计思想，以装配图为引领，采用项目设计的方式切入，对零件图、标准件和表达方法展开学习，有效地改善了学生以往知其然不知其所以然的状况，培养学生的工程表达和工程设计能力。

教学内容改革的具体思路是“三弱三强”，即弱化截交相贯，强化尺寸注法，弱化尺规绘图，强化徒手草图[3]，弱化知识点学习，强化设计提升，对“新工科”创新型人才培养，奠定坚实的图学基础。

弱化截交线和相贯线的内容，是基于学生三维图形软件的可视化，截交线和相贯线的画法晦涩艰深，难懂难求，而在图形软件中则为显而易见;强化尺寸注法是由于尺寸是零部件加工和检验的重要依据，是文件的强指令部分，不仅要将尺寸完整和正确地标注，还要保证符合工程加工工序，符合国家标准，符合清晰性表达的基本要求，因此学生只有具备这些综合性理论知识，了解工程实践背景，才能够完全合理地标注全部尺寸，并有效地提升学生的实践应用能力。

由于徒手绘图能与思维同步，能快速地表达出设计者的创意构思和设计思想，并且能根据草图直接利用计算机绘图软件画出零件图和装配图，来代替人工的尺规绘图，所以作为工程设计人员必须具备熟练的徒手绘图的能力。特别在徒手绘制轴测图时，可利用美学手法进行适度的润色，在很大程度上激发学生的创作激情，培养学生的美学品质[4]。

强化设计提升，图学知识终究是为工程设计、创新设计服务的，要在设计中把握各知识之间的关联[5]，才能更好地掌握知识，并将其应用于设计中。弱化知识点逐条学习，主要针对标准件和常用件的规定画法，刚从高中进入大学的学生，不能很好地把这些零件和结构（螺栓、螺母、键槽等）的作用和视图表达的必要性建立关系，应该从原理讲清楚，抓住问题的主要矛盾，举网以纲，千目皆张;振裘持领，万毛自整。以设计的角度展开思维，实践环节辅助绘制装配图和零件图进行强化，能够更好地认知标准结构和标准件的作用，对画法的学习将水到渠成。另外机件常用表达方法服务于零部件结构的表达，在分析各类零件和装配的表达过程中学习效果更佳。总之，实践检验真知，通过发现问题，解决问题的过程，让学生振叶寻根，观澜溯源，获得分析问题能力的提升，逐渐成长。践行在应用中学习，在实践中成长的教学理念。

（二）基于教-学互动的教学设计

“新工科”人才培养目标不仅要培养学生的设计思维和工程思维，还要结合课程思政教育，提升学生的自主学习、终生学习、沟通合作、创新思维等方面的能力。这些能力在以教师为中心的“静悄悄”的课堂上是难以实现的，一定要将课堂模式由传统的单向传递知识转变为双向互动的动态学习模式，打造教师和学生共同参与的高效“活课堂”[6]。以学生为中心，教师为主导，才能让学生的思想活跃起来，充分发挥他们的想象力和创造力，把以往的“要我学”变成“我要学”，为学生自主终身学习打下基础。作者根据新的教学内容从以下几个方面进行了具体的教学设计。

1.讲练式互动

这种教学方式主要应用于模块1基本理论知识的教学内容中。根据对学生的问卷调查显示，学生课堂专注听课的时间在20～30分钟之间，因此每小节课前30分钟教师采用启发式教学精讲理论内容，后15分钟学生动手训练，教师发现问题及时引导，通过这种教学互动，大大提高课堂学习效率。这种互动方式的关键在于教师要在课前规划好训练题，题目要包含当前各知识点，且还要稍有延伸，如构型设计等，让学生“垫垫脚能够到”，保护学生的自信心，长此以往，学生的知识储备和创新能力会逐步增长。

2.研讨式互动

这种教学方式主要应用于模块2的理论应用方面，如各类零件的结构表达。课前教师布置作业，学生分组进行讨论，得出表达的初步方案，徒手绘出草图。课堂上每组代表分析讲解该组的表达方案，各组之间互相讨论、学习、质疑，甚至否定，在辩论中激发学生的大脑，开阔思路，发散思维，有效地训练了学生对工程各类零件的综合表达能力，践行在应用中学习的教学理念，将知识学习变成能力培养。这种互动方式的关键在于题目要来源于工程实际，从科研项目或实际部件中凝练提取，难度适当，由浅入深，循序渐进。教师要把控课堂秩序，充分发挥教师的主导作用。

3.引领式互动

这种教学方式主要应用于模块2的工程设计方面，该项目设计过程比较复杂，需要几节课完成一个周期。课前教师将部件的装配图和任务发布给学生，学生分组进行讨论预习;课上以教师精讲为主引领学生看懂部件各零件的结构、装配关系、尺寸关系和工作原理等;课下学生利用三维软件分别对零部件建模，进一步明晰装配关系和工作原理。课上在教师的指导下徒手拆画典型零件的草图，注意辨析零件的工艺结构、尺寸、技术要求和标准结构的表达等;课下完成零件图的计算机绘图。这一教学过程的关键是，项目设计要来源于工程实际，具有一定的知识覆盖面，并且难度适中;教师要具备丰富的实践经验，给予学生充分的指导，培养学生的“工程图-设计-制造”一体化的工程意识[7]，让学生体会产品的整个设计过程，践行在实践中成长的教学理念。

（三）基于过程考核的评价体制

过程考核评价贯穿课程教学和课堂内外，过程考核为手段，能力考核为目标，改变一考定终身，课程成绩评价强调过程与结果并重，改变以往以一次考试成绩为主的状况，将考核分散在教学过程的各个环节，考核体现线上、线下教学结合，课内与课外交流结合，绘图理论知识与建模结合，课程建立过程跟踪和效果反馈为核心的教学质量分析，对培养目标、能力达成度和实践绘图能力等方面进行总结，实现课程的持续改进，如图2所示。

过程性评价涉及到教师的教学方法、学生的学习方式和学习效果等诸多因素，从这些因素的相互作用中来探索过程性评价方法和效果，从而建立一个科学、有效、可行的评价体系[8]。針对图学理论知识仍然采用客观答题为主，具体采用闭卷考核和线上评价结合的方式。网络在线课程平台通过线上测试可以有效进行过程评价，期末考试以笔试、闭卷考核方式进行。该部分的考核成绩能够客观地评价学生的理论知识掌握情况，反映出学生的实际学习效果。

针对零部件结构常用表达、零件图绘制和装配图读图等专项考核，以项目设计为主线，采用研讨法和翻转课堂组织教学。开放式大作业+课堂表现+项目答辩的考核方式是学生对所学图学知识的综合运用、设计思维和工程师素质的综合展示，有效地评价了学生语言表达能力、自主学习能力、团队协作能力等。

二、教学资源建设

（一）一站式在线课程平台

建立了线上线下工程图学教学新模式。利用精品课、慕课、试题库等在线教学资源，实现线上和线下相结合的学习方式，建立丰富的课堂结构模式，如图2所示。线上与线下教学相辅相成，学生有效利用线上资源，拓展学习时空的同时获取能力提升，形成良好的学习习惯。

以学生为中心的线上教学一站式平台，汇集教师的全部教学资源和学生的教学活动，作为评价依据的学习数据得到准确记录，并能够通过数理统计获得学生的学情反馈，教师教学有抓手，学生进步有依据。学生在多元化的模式下掌握教材内容的知识点，在工程案例和评述的过程中总结教学方法，提升工程素养。

（二）典型零部件测绘、拆装实验室

在工程实践中，以机械认知教育为拓展目的，以典型的机械装置为测绘对象，通过多元化的测绘对象训练，获得学生实践能力的提升。测绘对象和方式的多样化，也将改变学生缺乏兴趣，照抄图纸的现象。在测绘过程中适当引入PBL（Problem Based Learning）教学法，该教学法是以问题为导向、学生为参与主体，以培养学生能力为目标展开教学。测绘实践活动可以让学生在学习中获得成就感，前期学习的基础知识和绘图技巧可以学以致用，还可以激发学生的创新激情，通过拆卸实践，实际的触感与思想上的对比认知能够让学生对机械产生深刻概念，对结构的用途、材质、加工方法、传动方式和装配等，建立知识体系，为后续的学习积累创新潜能。

“工程图学”课程是引导学生认识工程和走入工程的桥梁，肩负着培养学生工程意识、工程素质等多项能力的入门课程。本次课程改革对教学内容、教学设计、考核机制等进行了全面改革，并且建立了一站式在线课程平台和零部件测绘、拆装实验室，形成了具有“新工科”特色的工程图学新的课程体系，它从根本上将“以教师为中心”单频道输入的课堂变成“以学生为中心”互动气氛浓厚的鲜活的课堂，该教学体系实践了两年，虽然还没有达到一个实践周期（四年），但从学生的学习热情、过程考核成绩、综合测绘、问卷调查等方面可以看出，这套教学体系极大地激发了学生参与的热情和对未知探究的欲望，有效地培养了学生的设计表达能力、创新能力和人文素质，为他们未来的人生发展奠定了坚实的基础。

参考文献：

[1]黄晓明，许国良，王晓墨，等.工程热力学课程改革如何适应“新工科”建设[J].高等工程教育研究，2019（S1）：99-101;107.

[2]胡国宝，戴锐.地方高校“新工科”人才培养的应然定位、实然困境与必然选择[J].黑龙江高教研究，2019，37（3）：156-160.

[3]杨蕊，曹喜承，杜秀华，等.以工程实践为导向的工程图学课程教学模式的探索[J].科教文汇（下旬刊），2021（2）：70-71.

[4]晏群，刘念舒.工程制图课程教学内容与体系的教改实践与思考[J].浙江工业大学学报，2000（S1）：6.

[5]孙康宁，于化东，梁延德.基于新工科的知识、能力、实践、创新一体化培养教学模式探讨[J].中国大学教学，2019（3）：93-96.

[6]李庆丰，袁明月.工程教育互动式教学法研究：基本概念、应用现状及改进策略[J].黑龙江高教研究，2018，36（5）：137-141.

[7]栾英艳，王迎，何蕊.新工科背景下工程图学课程改革研究[J].图学学报，2020，41（1）：164-168.

[8]郭艳，李宏，李宽彪.工程认证背景下工程图学的教改探讨[J].时代教育，2017（5）：3-4.