基于宾夕法尼亚州立大学图学课程的工程制图教学模式改革

刘佳 李心桥 杨胜强 马麟

摘要 文章介绍了美国宾夕法尼亚州立大学哈里斯堡分校工程设计图学课程教学现状，分析了其图学课程教学体系的构成，借鉴其教学模式的特点，针对作者所在学院的工程制图教学模式，进行了“穿插互补式”教学模式改革，实践证明，改革后的教学模式有助于增强学生的学习兴趣，提高学生的空间构形能力，提升学生的工程素养。

关键词 工程制图；教学改革；教学实践；美国图学课程

中图分类号：G642文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.8.019

工程制图作为一门培养大学生工程意识和能力的专业基础课，通过学习工程立体形状的表达，培养学生认真、耐心、细致的工程作风和应用性、实践性、创造性的工程能力。随着三维建模软件的广泛应用以及3D打印技术的不断发展，培养满足新工科建设要求和社会需求的应用型人才，掌握一定的构形思维和建模技能成为学生的必备能力。国外一些国家的工程制图课程重在培养学生的徒手绘图能力和建模能力[1-3]，国内许多高校在提升学生图学知识应用能力方面已经进行了多种教学模式的尝试[4-5]，王妍等[6]采用基于OBE理念的教学模式，依托网络教学平台，充分利用Solidworks软件资源加强学生工程能力的培养。史艳红[7]等考虑到建模融入工程图学的原则，建模部分只学习零件建模、装配建模、生成工程图3个模块的基本操作。张宗波[8]等从比较简单的基本体造型开始就引入三维造型软件，从简单到复杂，从基本体到组合体，逐步完成造型设计。白柳[9]在三维CAD构形思想支持下阐述圆柱体、球体、正方体等立体的构形过程，运用计算机绘图软件将三维CAD构形思想有效融合到工程制图教学的各个环节。将工程制图教学内容和三维建模软件进行有效结合，体现了“以学生为中心、以能力达成为目标”，符合双一流建设学科“重基础、宽口径、大纵深”的人才培养目标。

1宾夕法尼亚州立大学的图学课程特点

工程图学课程在宾夕法尼亚州立大学称为工程图形技术，作为一门通识课程能训练和培养学生的工程素养。其具备以下特点：

1.1理论课程先行

作为一门工程图形技术的先修课程，其内容包括：草图及书写、正投影图、立体图、剖视图、斜视图、尺寸标注、公差、螺纹紧固件。学生上课教室配备电脑，教师首先利用板书对理论概念进行介绍，采用Solidworks软件进行实际操作。学生一方面利用软件进行练习，另一方面利用美国特制的“方格纸”进行训练，强化手工绘图的能力。

1.2课程体系完善

包括以下科目：①计算机辅助绘图简介——利用计算机辅助绘制和设计图形；②空间分析和计算机辅助绘图——2D绘图和3D实体建模技术，绘制工程图；③图形和实体建模——介绍具有约束和无约束的几何及装配的参数化实体建模技术；④应用实体建模——从实体模型创建工程图，包括尺寸标注，螺纹紧固件，表面处理符号；⑤高级计算机辅助绘图——应用专业实体建模软件生成完整、标准的工程图样。

1.3考查机制全面

该课程一学期完成，共3学分，16周，每周一次，每次2+1个课时。考查方式包括1次测验，3次考试和1次期末考试，第2周结束进行测验，第6、10、14周结束分别进行3次考试，第16周结束进行期末考试，期末考试成绩占总成绩的25%。除此之外，还需考查学生参加实验情况以及小组课题完成情况，该考核方式提高了学生的出勤率，强化学生对整个课程内容的掌握，培养了创新思维和设计能力。

2工程制图课程教学模式改革

对比国内工程制图教学方式，宾夕法尼亚州立大学的图学课程具有以下特点：①课程实践性强。Solidworks作为教学必备软件，贯穿整个教学过程，对徒手绘图能力、计算机绘图能力要求较高；②课程理论知识弱。整个教学过程几乎没有理论讲解，课程直接从三维构形展开，不向专业制图延伸，最后向二维图形拓展，强调课程内容的实用性，重在多种图样表达方式的学习。

基于宾夕法尼亚州立大学图学课程的优点，对工程制图课程教学模式進行改革。基于工程制图课时数共56学时的限制以及教学环境现状，智慧教室电脑配备数量无法保障每位同学可以直接进行随堂建模训练，不能及时反馈学生的学习效果，因此，灵活使用“穿插式”教学模式进行有效教学。教学模式改革内容包括：

2.1“穿插式”计算机辅助工程制图教学

①工程制图教学内容重新整合。工程制图课程重在立体的表达，根据立体构形的复杂度，将课程内容重新整合为立体基础模块、集合体强化模块、部件—零件—图样专业模块。

立体基础模块以课堂展示教学实物模型为主，辅以计算机多媒体技术，利用学生逻辑思维能力强的优点，将点、线、面基础投影理论知识穿插到立体基础模块中讲解，帮助学生加强对一般位置和特殊位置直线、平面概念的理解和区分，使抽象的概念具体化，便于学生快速掌握投影基础知识。

集合体强化模块以三维建模为主，将截切立体和相贯立体穿插到集合体强化模块中讲解，弱化截交线和相贯线的理论概念，通过三维建模使抽象的概念形象化。帮助学生逐步建立基本体与点、线、面，集合体与基本立体的投影转换和对应关系，在授课环节注重强调工程制图的“逻辑性”，提升学生的学习兴趣。在集合体强化模块的授课中，通过读集合体轴测图—建模—画三视图，读三视图—建模—画轴测图这样一个二维三维不断转化的穿插式教学，强化集合体三维形象，提高学生的软件应用和三维构形能力。

在学生建立了“表达+构形”的设计意识和“表达+建模”的制造意识之后，从“设计、制造、装配”一体化的角度出发，学习部件—零件—图样专业模块。将国家标准的概念穿插到专业模块内讲解，掌握常见零件和标准件的规定表达方法，加强对零件制造与装配工艺的理解，提高学生的标准意识，提升现代制造理念。

②计算机辅助绘图学时安排重新整合。传统工程制图课程安排为CAD软件学习在前，三维建模软件学习在后。但是，尽早开展三维建模可以帮助学生更轻松地理解点、线、面基础知识，加快培养学生的构形思维能力。因此，将计算机辅助绘图学时安排重新整合为三维建模软件学习在前，实验学时为12个，CAD軟件学习在后，实验学时为8个。

从立体基础模块开始，就使用三维建模软件，通过构建基本立体模型，培养“表达+构形”的设计意识。在集合体强化模块，不断强化三维软件建模技能，建立“构形+建模”的设计意识，构建三维模型与二维视图相互转换的概念，培养学生学习工程制图课程的“思维性”。

在部件—零件—图样专业模块的学习过程中，培养学生掌握从模型库中调用标准件的能力，灵活实践零件的设计、制造、装配信息即尺寸标注与技术要求。并开始CAD软件的学习，弥补由三维建模软件直接导出二维工程图的不足，优化学生的知识结构，夯实基础。

将工程制图课程内容和三维建模软件、CAD软件教学相互穿插，避免了单独安排计算机辅助绘图教学与工程制图课程难以实现有效衔接的问题，并且三维建模软件和二维CAD绘图软件的相互穿插学习，降低了软件操作学习的枯燥性，提升了学生兴趣，强化了图学知识应用能力。

2.2“互补式”计算机辅助工程制图考核

工程制图作为一门专业基础课，需要考核的不仅有理论知识，还包括学生的构形思维能力。因此，需要建立一个知识与能力相结合的考核方式。包括两方面：

①阶段性课程内容考核。根据基础模块、强化模块和专业模块的课程安排，在每一模块课程内容结束之后，对学生进行阶段性考核，利用建模软件完成考核内容，根据考核结果检验学生对理论知识和建模技能的掌握程度，与教学内容形成一个及时的反馈和互补。

②创新性课题任务实践。工程制图教学和三维建模教学都是针对学生的综合素质进行培养，在掌握了基本知识与技能之后，需要学生创新能力的提升。因此，分别在强化模块和专业模块之后，设置一个创新性课题任务，给定任务主题，学生根据主题进行三维建模并生成相应的二维图形，进一步增强学生的实践能力、提升学生的创新意识，对课程的教学目标实现反馈和互补。

3工程制图课程改革实践

通过“群课堂”中的课程喜爱度调查、课堂教学效果满意度调查、学生自评和对教师的评价，关注学生学习该课程的情感与态度，并将工程制图期末考试成绩与第一作者所带试验班级与同专业其他班级成绩对比，平均成绩与及格率均有所提高。

除学习成绩提高外，学生的建模技能也有明显提升，主要体现在两个方面：①通过平时的阶段性测验，考查学生的软件使用情况，从建模速度、准确度和建模思维三个方面进行衡量，学生软件使用熟练程度加强，从而使学生参加先进成图技术大赛的积极性大幅度提升，2021年校赛报名总人数达到历史新高258人；②通过设定小组科研创新任务，提升学生的软件实操和创新构形思维能力，体现工程图学实践性和创造性的教学目标。

4结论

在工程制图的教学过程中通过重构课程教学内容，优化软件教学环节，弱化基础理论概念，强化三维软件建模技能，将模块化的工程制图课程与建模软件教学穿插进行，优化学生知识结构，增强图学知识的实践性。“穿插互补式”教学模式在培养学生的读图绘图能力、空间构形能力、创新实践能力方面体现出良好的教学效果，使学生具备了胜任社会专业需求的必需技能。

*通讯作者：李心桥

基金项目：国家自然科学基金（52105474）；山西省高校科技创新项目（RD2000003620）；山西省教改项目（J20220144）。

参考文献

[1]朱科钤，ACHESONDouglas，袁惠新，等.美国普渡大学印第安纳波利斯分校工程图学系列课程的深度观察[J].图学学报，2017，38（5）： 767-771.

[2]刘晶.美国纽约大学图学课程对工程图学教学改革的启示[J].化工高等教育，2018，35（2）：69-71，80.

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[4]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.

[5]高朋，胡云堂，卓越，等.浅析国外工程图学教学发展状况及对我国机械制图教学的一些启示[J].中国设备工程，2021（20）：252-254.

[6]王妍，杜秀华，杨蕊，等.基于OBE的工程图学混合式教学新体系[J].图学学报，2021，42（4）：696-702.

[7]史艳红，刘华洲.“混合式”工程图学课程研究[J].图学学报，2017，38（5）：785-788.

[8]张宗波，王珉，牛文杰，等.与三维造型技术相融合的工程图学教学探索[J].高教学刊，2018（21）：76-78.

[9]白柳.三维构形与工程制图相融合的研究与教学实践[J].图学学报，2015，36（1）： 117-122.