面向《机械制图》课程的逆向教学体系创新研究

张克栋 刘亚运 刘同舜 郭旭红

摘 要：《机械制图》作为一门既有理论，又有实践的重要技术基础课程，其主要目的是通过正投影法的基本理论及其应用，培养学生绘图、看图和空间想象的能力。为了适应减少学时、增多内容的教学安排趋势，加强培养学生的机械创新设计能力，本文创新性地提出面向《机械制图》的逆向教学体系，并从四个方面进行深入研究。在现有基础上不断实践和完善机械制图课程教学体系，探索出一种面向制造业转型发展的机械制图课程的教学体系和模式。

关键词：逆向教学；机械制图；思维导向

中图分类号：G64          文献标识码：A          文章编号：1673-9132（2023）13-0003-03

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2023.13.001

2015年5月，国务院印发了《中国制造2025》，指出了要把创新摆在制造业发展全局的核心位置。中国科学院院士路甬祥指出：“创新设计”是实施“中国制造2025”、建设制造强国、实现中国创造的重要创新支撑，对实现创新驱动、向中国创造转变意义重大。在新时代、新环境下如何培养满足国家工业化建设和“互联网+”需求的机械创新设计人才，是高等学校面临的主要问题。

作为一门量大、面广的工科技术基础课程，《机械制图》是面向工科类、理科类、医学类等多学科的必修课程，对于培养满足国家工业化建设需求的本科生人才发挥着不可替代的作用［1］。近十几年来，全国相关领域教育者经过不断探索和实践，从《机械制图》课程的教学内容、教学方法、教学手段等方面进行了系统改革，初步摸索出了符合我国新时代、新背景的《机械制图》课程改革途径。目前国内部分院校着手培养学生的三维制图能力，在教学实践中大量加入了三维建模软件，并与三维建模相关课程相辅相成，获得了较显著的教学效果，初步形成了以下三种主要模式：以三维造型整合课程内容体系、三维造型与二维绘图并重、在保持《机械制图》原有内容的基础上单独讲授三维造型软件［2-4］。但是30年来机械制图教学体系的基本框架和模式没有太大的变化，从画法几何的点、线、面开始到三视图、组合体、零件图和装配图，这种体系是以平面设计工具为基础的。而随着社会发展，三维设计软件普及，社会的需求也发生了很大的变化，从三维开始设计和研究已经成为潮流，甚至从装配开始设计的top-down方法也开始应用［5-6］，因此亟待探索面向《机械制图》的逆向教学体系和理念。

一、新工科背景下《机械制图》课程面临的主要问题

新一轮的科技和产业革命正在驱动形成与发展新经济，新经济产业形态的多样性决定了工程教育培养模式的多样性。新形势下机械创新设计的驱动力为绿色发展、智能制造、互联网+等外在因素，并反向拉动机械创新设计，这种转变对大学生机械创新设计能力培养体系提出了新的要求。当前的培养体系存在以下问题：（1）建设制造强国对人才素质、创新意识、团队精神和实践能力的多样化需求以及学生不同的个体能力和发展意愿都对机械工程专业建设和人才模式提出了新的要求；（2）机械工程专业人才培养模式普遍单一，学生创新能力和工程实践能力不强。当前大多数高校普及的《机械制图》教学方法都把教师作为课程的中心，即以教师的课堂讲授为重点，强调给学生灌输相关知识，教师是给予者，而只赋予学生被动接受知识的角色，并未给他们提供足够的思考空间和机会。显然目前的《机械制图》课程存在教学方式单一的缺点，过于凸显教师的作用，只把课后作业作为学生实践动手的机会，最终导致教学效率低，很多学生因此失去学习《机械制图》的兴趣。

目前大多数《机械制图》教材内容都是按照点、直线、平面、立体的顺序编排的，在介绍完点、线、面的投影特性和相互位置之后，才是关于基本体、组合体的投影特性和视图表达方法的相关内容。目前的教材编排忽视了《机械制图》的专业基础课程属性，并未将其与实际应用结合起来。对于学生而言，“点—线—面—形体”的教学模式也许并不意味着由易到难，而是由“抽象”到“具体”，导致他们从一开始就失去了学习的好奇心和兴趣。

众所周知，要想准确认识一件事情，需要经过“具体—抽象”再由“抽象—具体”的渐进和飞跃两个阶段。所以教师编排和讲授《机械制图》教材需要首先从较易理解的基本体入手，然后再由形体上一些特殊的点和线进入比较抽象的部分。当学生对三维形体产生了感性认识，自然可以将较抽象的点、线、面的投影特性联想对应到三维形体的相关部位。这样经过由立体到平面反复转换的立体感知过程，可以不断提高学生的立体思维，学习过程会变得简单、容易。

二、《机械制图》课程逆向教学改革探索与思考

教师要从整体上创新教学体系，改变机械制图以往的教学体系和方式，研究并形成一套全新的从三维到二维、先实践后理论、先装配后零件的教学体系。这一体系会改变以往从画法几何的点、线、面开始到三视图、组合体、零件图和装配图，以平面设计工具为基础的教学体系，而采用与时俱进、更贴近应用的教学体系，对机械制图的教学实践具有极大的促进意义。通过分析《机械制图》课程教学，笔者结合自己教授制图课程的心得和体会提出了逆向教学理念（如图1所示）。

图1 面向《机械制图》的逆向教学体系模型

（一）改革教学体系

从制造大国向制造强国转变是我国的发展战略。新一轮科技和产业革命正在驱动形成与发展新经济，新经济产业形态的多样性决定了《机械制图》教学体系的革命性改革。因此，《机械制图》教学内容要紧紧围绕新时代、新背景下机械工程专业人才的培养目标，根据学生將来毕业后面向生产一线的特点重点培养学生的创新能力和工程实践能力，以“必需”“够用”为基本原则，适时融合新技术、新工艺和新方法，更新《机械制图》课程教学内容，将培养读图和绘图能力放在首要位置，从三维图入手建立立体概念。

打破传统的“二维”到“三维”的教学模式，以培养绘图和读图能力为导向，打造“三维”到“二维”的教学模式。适时在学习过程中融入二维/三维绘图软件，在保证徒手绘图能力的基础上加强学习绘图软件技能，既可以培养学生的绘图及读图能力，同时又能提高学生应用三维软件绘图的水平，最终培养出具有强动手能力和创新能力的机械工程人才。

（二）重组课堂教学与实践教学

根据国家科学和技术发展战略对培养机械人才的新要求、工程教育发展的新趋势、机械智能装备飞速发展以及大学专业建设的新特征，实践教学依然是培养人才的薄弱环节。综合型、设计型、创新型实验不足，企业现场实践教学不够深入，都是目前《机械制图》课程教学普遍存在的问题。因此，针对《机械制图》传统教学重“学”轻“术”的现象，教师要构建先实践再理论的教学思维，整合优化教学内容，修订课程教学质量标准，注重引入机械工程技术案例。在此基础上增加实践教学的时数，突出培养学生空间想象能力的目的，使学生易于理解零件图、装配图部分，从而提高阅读和绘制零件图及装配图的能力。

为了解决机械工程的实际问题，要坚持递进式培养绘图“基本技能训练→实践能力训练→综合能力训练”的主线，着力加大集中性实践教学环节的学分比重，合理重组课堂教学与实践教学。增加校内实践学时，在企业中开展毕业实习、毕业设计，由校企双导师联合指导、因材施教。以能力培养为导向，共享学科、专业资源，校企协同打造“专业基础实践能力培养→专业综合实践与科研能力训练→创新创业意识培养和能力拓展”多層次、模块化、可重构的《机械制图》课程实验教学平台。另外，鉴于学生缺乏主动参与《机械制图》传统教学的热情，要建立小班制授课、教师讲授与学生讨论并重、专题研讨、自主学习、启发交互、翻转课堂等多维互动的创新教学模式。

（三）从装配图向零件图过渡

在设计机械部件的过程中通常需要先按照设计思路或要求画出装配图来表达机器或部件的整体结构形状、工作原理、传动路线和零件之间的装配关系，并通过装配图表达各零件的作用、结构，以便拆画零件图。因此，装配图是反映设计思想、指导装配和进行技术交流的重要技术文件。根据机械创新设计专业知识的分类特性和功能作用增加装配图部分的教学时数，可以提高学生的工程意识，帮助他们更好地理解零件图。先装配后零件的新教学方法可以促使教学与现代先进的top-down设计方法保持一致，强化培养学生的系统思维能力。

另外，在《机械制图》课堂教学中适当融入具体的零部件设计任务，可以更好地将先装配后零件的教学方法引入课堂。例如，在教学过程中教师可以充分结合机械工程学生的机械创新设计能力发展需求，首先发表典型机械结构零部件的设计任务目标。围绕设计目标，基于不同特长和性格的学生互相搭配的原则，将学生分成若干实践小组并投入任务式教学，在首先利用装配图表达设计思想的基础上，再讲解介绍相关零件图，以此激发学生学习《机械制图》课程的兴趣，并有效提升学生的实践动手能力。

（四）采用线上线下混合式课堂教学模式

根据国家科学和技术发展战略对培养机械工程人才的新要求、工程教育发展的新趋势，《机械制图》课堂教学要注重充分发挥信息技术的关键效能与核心作用，构建线上线下混合式课堂教学模式。目前三维建模软件在《机械制图》中得到了广泛应用，也对学生线上亲自动手操作绘图软件的能力要求越来越高。因此，需要通过精准运用线上线下教学模式，满足学生发展电脑绘图能力的需求，同时更好地提高教师实践教学效果。另外，线上线下混合式课堂教学模式可以更好地利用线上课堂拓展课程资源，满足学生差异化的发展需求，可以积极引导学生自主学习。依托线上线下混合式课堂教学平台，可以更加高效地培养学生贯穿产品设计、分析、制造、管理、服务等全生命周期各环节的创新实践能力。除了《机械制图》课堂教学之外，教师也要依托该教学平台结合科研项目设立科研训练课题、毕业设计课题，支持学生参与科研活动，鼓励学生早进课题、实验室和团队，培养学生的实践能力、创造能力、创新精神与创新思维，提高专业人才的培养质量。

经过这四个方面的教学改革，学生在后续课程中会更容易应用所学知识，而且毕业之后可以缩短适应期，更快具备独立工作的能力。另外，还能进一步提升学生解决复杂机械工程问题的能力。相关工程企业用人单位也会高度认可毕业生的能力。

三、结语

在新时代、新环境下如何培养满足国家工业化建设和“互联网+”需求的机械制图设计人才，是《机械制图》课程教学面临的主要问题。因此，针对本科生机械制图教学中广泛存在的问题，为了适应减少学时、增多内容的教学安排趋势，加强培养学生的应用能力，本文创新性地提出并从以下四个方面深入研究逆向教学体系：从三维到二维，应用三维设计软件的实体造型功能，从三维模型入手再建立三视图和各种视图，形成工程图的概念；先实践后理论，选择和制作一至两套含多个零件的装配组件，使之与教材和课件中的示例匹配；先装配后零件，配合装配件实物模型、三维装配图模型介绍零件图及其工程图要素，在教材和课件中穿插这些内容；建构线上线下混合式课堂教学模式。

本文旨在探索机械制图课程教学新体系，培养适应现代机械制图需要的师资队伍，建设机械制图教学资源，引导和促进学生在新教学体系下学习机械制图的主动性与积极性，培养学生工程图学方面的实用能力、工程意识和实践动手能力。本文研究思路可以用于各个专业的机械制图课程教学，将先进的教学体系和经验推广到其他同类课程，并在国内高校中起着好的辐射与示范作用，具有很大的推广价值。

参考文献：

［1］ 熊巍，刘林，陈锦昌.现代工程制图课堂教学改革的探索与实践［J］.图学学报，2014（2）：296.

［2］ 谢元敏，肖立，宁利川，等.“机械制图”教学体系改革研究与实践［J］.教育教学论坛，2018（25）：94.

［3］ 谢元敏，蒋国璋，汪鸣琦，等.面向机械卓越工程师培养的《机械制图》课程教学改革探讨［J］.长江大学学报（自科版），2014（1）：102.

［4］ 方勇.《机械制图》教学方法探讨［J］.教育界（下旬），2015（3）：1.

［5］ 蒋宗礼.工程专业认证引导高校工程教育改革之路［J］.工业和信息化教育，2014（1）：1.

［6］ 宫霞霞，孙付春.基于应用型创新人才培养的机械制图教学改革探讨［J］.教育与教学研究，2012（5）：73.