新工科背景下地方高校机械制图课程教学改革探索

梁刚，孔金超，马雄位，廖益孔

（贵州大学明德学院，贵州贵阳 550025）

自2016 年新工科概念提出以来，教育部组织各高校进行深入研讨，形成了新工科建设的“复旦共识”“天大行动”“北京指南”，提出了我国工程教育发展的新模式、新方式。其内涵是：以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才[1]。2018 年6 月21 日，时任教育部部长陈宝生在新时代全国高等学校本科教育工作会议上提出，要提升大学生的学业挑战度，合理增加课程难度、拓展课程深度、扩大课程的可选择性，激发学生的学习动力和专业志趣，真正把“水课”变成有深度、有难度、有挑战度的“金课”[2]。机械制图是大部分工科专业必

修的技术基础课程，主要培养学生制图能力和识图能力，同时培养学生严谨细致的工作作风、工程意识、贯彻执行国家标准的意识，故机械制图课程对于卓越工程师的培养具有极为重要的作用。在当前课时量逐渐缩减，而课程要求提高的情况下，对该门课程的教学改革势在必行。已有研究提出，以市场、企业人才需求为导向，采用线上与线下融合的混合式教学模式、主动学习与协作学习融合的教学模式，以图形表达为核心，以形象思维为主线，建立基于认识实践的机械制图教学环境和以工程设计为主线的机械制图教学体系，以校企合作、学科竞赛等方式激发学生的学习热情[3-10]，进行教学改革，提升学生学习的兴趣，提高学生绘图、读图、独立思考解决问题的能力。

1 贵阳信息科技学院机械制图课程教学问题分析

贵阳信息科技学院是2021 年5 月由教育部批准设置的本科层次民办普通高等学校，其前身是公办院校的独立学院。学校的办学定位是培养应用型专业技术人才。目前贵阳信息科技学院大部分工科专业开设了机械制图课程，其中机械设计制造及其自动化专业为112 学时，从大一开始，分上、下两个学期讲授，电气工程及其自动化、计算机科学与技术、人工智能等专业为56 学时，开设1 个学期。该课程教学过程中主要存在下列问题：

（1）课程授课以课堂讲授为主，授课形式单一，学生学习兴趣不高。

（2）大班级授课，学生人数多，教师不能掌握所有学生的学习情况。普遍情况下，该门课程都是两个班级同时上课，学生人数通常为90 至100 人，课堂上人数较多，教师不能兼顾所有学生，批改作业耗费大量的精力，且不能有效掌握每名学生的学习情况。

（3）授课课时缩减，但教学要求没有降低，授课内容需要满足教学大纲的要求，且不得低于教育部对该门课程的教学内容要求。课堂时间基本用于知识点的讲解，课堂讨论、习题讲评较少，师生之间的交流较少。

（4）缺乏教学模型，教学过程中没有实体的教学模型辅助教学，空间想象能力较差的学生难以理解复杂形体的特征。

（5）教材中各图形案例常常是孤立的，学生不了解其在工程应用中的实际功能，缺乏学习兴趣。

使该门课程成为“金课”，提高教学质量，提高考评难度，提出教学改革的思路、方法和具体措施，将学生培养成合格的工程人才，是课程教学改革面临的主要问题。

2 教学改革的措施

根据新工科建设的内涵及要求，需完善“以学生为中心”的培养质量持续改进体系，完善学习目标、培养目标、培养方案、课程大纲、评价分析、课程品质报告、改进方案实施、更新学习目标的闭环质量持续改进体系[11]。课程的建设也要遵循这样的闭环，持续提升教学质量。根据贵阳信息科技学院机械制图课程的教学现状及新工科的建设要求，提出教学改革思路：秉承以学生为中心的教学理念，进行空间思维能力、读图能力、制图能力、工程意识、工匠精神和家国情怀的培养。为了解决课时不足、大班级授课、教师不能及时掌握所有学生学习情况的问题，采用线上线下混合式教学模式。课前，学生通过小视频预习、完成视频测验；课中，教师根据视频测验的情况，重点讲解易混淆、重难点内容，采用多媒体课堂、板书教学和翻转课堂等多种教学形式，借助二维CAD 制图软件、三维建模软件和3D 打印实物模型辅助教学；课后，学生完成课后作业，巩固学习成果；同时教师进行过程考评，每章进行一次线上测评，期末成绩中包含平时测评成绩，综合进行考评。

2.1 基于超星学习通的线上线下混合式教学平台建设

目前，线上线下混合式教学大多采用翻转课堂教学模式，通过搭建网络教学平台，录制基于知识点的教学视频，学生课前在线上学习相关基础知识，教师课前了解学生线上学习情况，针对学生提出的问题，讲解课程重点、难点和习题知识，同时进行交流、互动，将学生难以理解的问题讲解清楚。要进行这样的教学模式改革，首先要搭建线上教学平台。基于超星学习通的教学平台包含资源、活动、管理、统计四个模块。

资源模块中以章节为核心，根据机械制图课程教学内容，录制每个章节的教学微视频，创建检验视频学习效果的小测验，准备教学课件、章节复习题等资料，供学生浏览、复习。活动模块提供教学过程中签到、选人回答问题、设计主题讨论、问卷调查、课堂测试等课中活动。管理模块主要提供班级管理、成绩权重设计等功能。统计模块提供实时的课堂报告、学情统计，进行学习监控。线上平台建设以章节视频为重点内容，通过精选和录制教学视频，学生可以随时随地观看教学视频进行自学。同时录制难度较大的习题解答过程视频，学生可以在习题课后再次进行复习。

2.2 线上线下混合式教学设计

由于机械制图课程的理论性和实践性都较强，不是所有内容都适合进行线上教学。根据机械制图课程的教学内容，重构每个章节知识点的教学方法和手段，如表1 所示。

表1 基于不同知识点的分类教学方法

针对每个章节的知识点，进行视频测验。所有的视频测验采用客观题形式，由学习通平台自动批改，不占用教师批改作业的时间。课堂上，教师根据学生的视频测验情况，选择性讲解重点和难点内容。为了使每位学生都掌握相关知识、具备制图看图的能力，对每个知识点分别采用不同的教学方法和手段。如国家标准的相关规定、正投影法、组合体的类型、轴测图的分类、基本视图、螺纹的要素、表面粗糙度等概念性的知识，学生通过微视频的学习、课堂上的PPT 适度讲解及课后习题的训练即可掌握。在制图基础知识中，斜度、锥度、圆弧连接、平面几何图形的绘制部分要求学生掌握相应的绘图方法，在授课过程中采用板书或CAD 绘图工具，将绘图过程详细讲解给学生，再通过习题和大作业的训练，让学生掌握复杂平面图形的绘制方法和国标中的相关规定。在点、线、面的投影内容中，直线上的点、平面上的直线和点、换面法、三角形法求实长等内容是难点，教学中需采用多媒体加CAD 制图相结合的方式，详细讲授绘图步骤，使学生掌握相关作图方法。立体投影、组合体投影和轴测图等章节，除了采用微视频+多媒体+CAD 制图等教学方法外，还需采用三维建模软件设计制作三维模型、3D 打印实物模型等辅助教学手段，增强学生空间想象能力的训练。标准件与常用件、零件图、装配图等章节基础知识多，要求学生能够将所学知识灵活应用到绘图及读图过程中，培养综合能力，故要将多媒体教学、CAD 绘图、三维模型辅助教学、3D 打印实物模型辅助教学等多种教学手段相结合，提高学生的综合素质。

2.3 强化课堂德育，推进课程思政建设

在机械制图课程教学过程中，积极开展课程思政建设。课前，主讲教师精心准备，充分挖掘课程的思政要素，精选课程思政案例素材，例如由执行作图的标准和规范引出要有规则意识，由作图要表达完整性引出精益求精的工匠精神等。选择讲解与教学目标契合、与教学联系紧密及学生感兴趣的热点问题。

2.4 三维数字模型辅助教学

三维数字化模型直观性强、易于理解，三维模型和实体模型的辅助教学，能极大促进学生空间思维能力的训练，增强学生的空间想象能力，提升学生的学习兴趣。运用三维数字化软件开展机械制图课程教育，使学生在直观与高效的课程中学习机械图学知识，充分调动学生对机械制图课程学习的积极性，运用三维数字化技术读图和画图，促使学生学习效果与能力的双重提升[12]。针对不同的教学内容，创建相应的三维模型，例如创建棱柱、棱锥、圆柱、圆锥、球体等简单立体三维模型，切割体和相贯体的三维模型，如图1 所示。

图1 立体三维模型

在教学过程中，对于简单立体的投影，主要掌握简单立体棱线及轮廓线的投影、立体上定点投影的表达方法。给出三维模型图片后，大部分学生都能立即理解相关作图方法，但是对于切割体和相贯体等，仅仅给出三维模型图片，部分学生还是不能完整绘制出三视图，特别是在习题练习过程中，出错的概率较大。这些知识需要学生理解截交线和相贯线的形成及画法。为了培养学生的制图和读图能力，在课堂教学中，使用三维建模软件，通过放大视图、旋转视图、切换不同方位的视图，更改模型显示方法，如改为线框显示等方法，使学生全面理解模型中线的投影。

2.5 3D 打印实物模型辅助教学

使用三维模型辅助教学，在教学过程中进行演示，虽然能帮助学生提高绘图能力，但是对于大量的练习和习题作业，教师没有时间一一讲解，因此，通过3D打印制作教学和习题模型，将模型给学生实时观摩、学习、拆解，通过实际的模型观察，能极大提高学生绘图和读图的能力。3D 打印模型具有成型快、成本低和重量轻的特点。引入3D 打印技术，将课程中的模型打印成实体，将其作为教具，增强学生的空间想象能力[13]。形成3D 打印模型库，学生能够参与设计、制作、装配、原理分析的全过程，增强了学生的参与度和兴趣，提高了教学质量[14]。在具体的模型打印过程中，主要打印了切割体、相贯体、组合体、机械零件等形状较为复杂的模型，对于基本立体等较简单的模型，通过三维模型和相关图片即可清楚理解其结构，这部分模型不再打印。在做习题时，学生基于平面图形进行图形绘制，根据两个视图补画第三视图、补画漏线等题目难度较大，对学生空间想象能力要求较高，对于这部分习题模型也进行了3D 打印，帮助学生理解相应的三维实体结构。部分3D 打印教学模型如图2 所示。

图2 3D 打印模型教学模型

2.6 重构教学内容

教材中各种类型的机件常常是孤立的元件，学生只能看懂零件的形状、结构，对零件的功能、作用理解不深，通过结合工程中的实际案例更新部分教学内容，极大提高了学生的工程意识。减速器、阀门、泵体、气缸、液压缸等机件是机械工程领域常用的部件，绘制出它们的三维零件模型、装配体模型及其爆炸图模型，各种类型零件形状、大小、功能、作用一目了然，学生从单个的零件读图和绘图到理解它们在整个装配体中的位置、作用，极大地提高了学习的兴趣和积极性。直齿圆柱齿轮装配体模型、爆炸图模型、零件模型如图3所示。

图3 一级直齿圆柱齿轮减速器

3 教学评价及效果

从多维度进行课程考核评价，平时成绩占40%，期末考试占60%，两项之和构成期末总成绩。平时成绩由学生出勤率（10%），作业成绩（20%），期中考核成绩（10%）三部分构成。通过对比近两年的期末考试成绩，在考核难度不变的情况下，学生平均成绩有较大提高。学生对机械制图课程的兴趣明显提升。近两年，学生积极报名参加全国大学生先进成图技术比赛、全国三维数字化创新设计大赛、贵州省3D 打印创意设计大赛等相关学科竞赛，获得优异成绩，共获得省级以上奖项17 项。

4 结语

通过超星学习通线上教学平台与课堂多媒体教学相结合，建设线上教学资源，载入丰富的教学视频，引导学生主动预习，课后复习，通过课堂精讲重点难点，解决课堂教学学时少的问题。通过线上教学平台统计功能，解决大班级教学不能掌握多数学生学习情况的问题。通过课堂板书和CAD 绘图，让学生理解绘图过程的详细步骤，以三维数字模型和3D 打印实物模型辅助教学，提高学生的空间想象能力、制图读图能力，提升学生学习兴趣。以学生为中心，多种教学手段相结合，让学生在课程学习过程中实现绘图、读图能力的提升，掌握各种复杂模型的绘图和读图方法，为后续专业课程的学习及参加各种学科竞赛打下坚实的基础。同时，在教学中融入思政元素，在潜移默化中培养学生的工匠精神、家国情怀，达到立德树人的根本目的。