工程教育认证背景下面向工程实践的“工程制图”课程教学改革

曾威 孙文 孙艳萍 孙育红 张振军

(西安石油大学机械工程学院 陕西西安 710065)

“工程制图”是非机械类工科专业本科生的一门基础课，教学对象是刚刚进入工科各专业学习的大一学生，主要目的在于培养学生的绘图、读图与空间抽象思维能力，能够在工程实践中应用图形进行表达与交流。尤其是在当前工程教育认证的大背景下，如何充分发挥“工程制图”课程在学生工程素养和工程应用能力培养方面的支撑作用，是当前“工程制图”课程教学过程中应该考虑的问题[1]。长期以来，“工程制图”的教学内容都是按照画法几何、组合体、零件图和装配图等几个部分逐层推进。这种方法虽然能够让学生对知识体系有一个较全面的认识，但是由于课程理论知识较为复杂、抽象，容易让学生形成“枯燥、乏味”的印象，产生厌学情绪，影响课程教学质量[2]。为激发学生学习兴趣，考虑当前工程教育认证的大背景，大部分课程课时被压缩，有必要开展面向工程实践的“工程制图”课程教学改革，在有限的课时内提高“工程制图”课程教学质量，提升学生的工程素养。

1 面向工程实践的“工程制图”课程项目教学改革

1.1 应用三维软件逐步建立抽象思维

“工程制图”课程通常在大学一年级或二年级开设，学生的抽象思维能力相对薄弱，而该课程对学生的抽象思维能力要求较高，两者存在矛盾。尤其是在当前工程教育认证背景下，理论课时被压缩，如何在较短的理论课时内帮助学生逐步建立起抽象思维能力是目前“工程制图”课程需要解决的重要问题之一。以图1所示圆柱与圆柱垂直相交时相贯线的变化趋势为例，讲授过程中如果只告诉学生随着横向圆柱直径的不断增加，两圆柱相贯线的变化趋势如图1（a）～（c）所示，并要求学生关注两圆柱直径相等时两相贯线的特殊情况。学生学习后虽然能够记住两圆柱正交时相贯线投影形状的变化趋势，但是其对相贯线的空间形状并没有一个清晰的认识，将直接影响后续组合体的绘图与读图。

图1 圆柱与圆柱垂直相交时相贯线的变化趋势

在面向工程实践的“工程制图”课程教学改革中，在完成知识点的讲解后，采用三维绘图软件建立如图2 所示的两垂直相交的圆柱模型，通过修改横向圆柱直径让学生观察相贯线的变化趋势。通过这种演示教学方法，学生认识了相贯线的三维空间形状，再结合图1 的相贯线二维投影，在相互对照读图的过程中对正投影方法形成更加清晰的认知，有利于学生空间抽象思维的逐步形成。

图2 基于三维软件的圆柱垂直相交相贯线变化趋势

1.2 挖掘理论知识背后的工程知识

虽然“工程制图”课程基本教学任务是教会学生如何绘图与读图，但是在教学过程中如果单纯地采用“填鸭式”的方法告诉学生应该怎么做，而不阐述为什么这么做的原因，学生知其然而不知其所以然，不但疲于记忆，而且会感觉该门课程枯燥乏味，难以提起兴趣[3]。以图3 所示的零件图中尺寸的合理标注为例，在授课过程中，教师通常会提到“为保证零件图尺寸标注的合理性，在给轴类零件标注尺寸时要避免出现封闭的尺寸链，应该在合理的位置将尺寸链断开”。学生虽然建立了一个“轴类零件尺寸标注应该避免出现封闭尺寸链”的概念，但其并不清楚为什么不能形成封闭尺寸链，而只是单纯地记住了该知识点[4]，并没有对该知识点背后的工程知识和工程原理形成认知，影响其工程思维的形成。

在面向工程实践的“工程制图”课程教学改革中，则挖掘知识点背后的工程知识，阐述其工程原理，让学生不但知其然，而且知其所以然。同样以图3零件图中尺寸的合理标注为例。讲述需要避免形成封闭尺寸链后，还应该阐述为什么要将尺寸链的断开位置放在φ36轴段，而不放在其他轴段。首先，应该从零件的加工误差角度出发，明确加工误差客观存在，不可能完全避免的观念。其次，讲述图3中阶梯轴各轴段的功能，明确左侧φ30和φ24轴段需要与轴上零件配合，其精度要求高，在标注尺寸的过程中则需要优先保证；而φ36轴段并不需要与轴上零件配合，精度要求较低，因此可以将加工误差放到该轴段，确保该轴的功能得到满足。通过这种讲述方式，学生不但明确了“避免封闭尺寸链”的原因，而且还增加了对应的加工知识，建立了加工误差和尺寸优先级的概念，在后续其他类似的问题中能够做到举一反三，提升了学生的工程实践能力。

图3 零件图尺寸合理标注

1.3 通过测绘实训增强学生的感性认识

测绘实训是机械工程专业学生的一个重要实践环节，通过该环节可以为学生提供一个贴近工程实际的学习环境，给学生一个应用绘图知识的平台，提高学生的工程实践能力[5]。但是，由于零件测绘需要准备零件、测绘工具等教学设备，部分学校教学条件不满足，因此学校通常取消该部分教学内容[6]。该校工程制图教研室结合自身教学条件，开始在非机械工科专业“工程制图”教学中进行了测绘实训试点。通常，将该实训环节设置在“零件图”章节中，一共占用2个课时；选择的测绘零件主要是轴、轴套、立式轴承座等；测绘工具包括直尺、外卡钳、内卡钳、游标卡尺等；学生分组选择一个对象零件，根据零件的具体结构选择合适的测绘工具进行测量，记录测量数据，采用三视图、剖视、断面等表达方法，完成零件测绘。因为课堂内时间限制，可以要求学生在课堂完成测量并记录数据，课下完成图纸绘制。在具体的实施过程中，教师根据实际的测绘零件制订具体的实训计划，并通过图片、动画等展示不同零件测绘的难点、重点和关键环节，引导学生完成测绘实训。通过开展测绘实训，能够培养学生的动手能力、团队协作能力以及解决工程实际问题的能力，学生可以将掌握的绘图方法应用到测绘工作中，对所学知识有了一个更加具体的感性认识和体会，在这个过程中形成的测量、结构创新意识，也能为后续相关课程内容学习奠定基础。

1.4 构建多元化、全过程的课程考核体系

在传统的以笔试考试成绩作为主要评价方式中，学生在学习过程中为了获得较高的成绩，通常是以熟练掌握制图的相关知识点为第一导向，采用知识点识记等方式进行学习，一方面难以激发学生的学习兴趣，同时也存在学习成绩考核方式单一的问题，不能对学生的多个方面进行综合考查。另外，在当前线下教学方式日渐普及的情况下，如何对学生的线下学习情况进行考核和评价也是课程教学改革工作需要考虑的重要内容。为了保证学生的学习效果，确保学生在线下等其他途径的学习过程得到认可，充分激发学生的学习兴趣，在此次教学改革的过程中构建了多元化、全过程的课程考核体系。在以往由“出勤”“平时作业”和“笔试考试”构成的考核体系中增加了“大作业”和“线下学习”考核内容，形成了如表1所示的“四位一体”考核体系，实现对学生更加全面、全过程的考核。

表1 多元化、全过程的课程考核体系

其中，所谓的“大作业”是指在完成一个相对完整的学习内容之后对学生的一个考查。例如，在学习零件图之后，给学生布置一道零件图绘图题目，要求学生在2个课时完成零件图的绘制与标注，并当堂提交，以此作为阶段性的学习效果评价方式。而线下学习则是采用超星“学习通”、中国大学MOOC等在线学习平台，提前上传对应的学习资料，要求学生利用课下时间进行学习，并在系统中完成对应的测试题目，以系统统计的学习时间和成绩作为评定学生线下学习的指标。

2 面向工程实践的“工程制图”课程教学改革效果

通过两个学期的教学实践，将教学改革前后的教学效果进行对比，学生在空间思维能力、学习兴趣、工程实践能力和学习效果考核科学性等方面有较为明显的提升，主要包括以下4个方面。

2.1 空间思维能力得到提升

“工程制图”课程对学生的空间思维能力要求较高，这就要求学生要多琢磨、多思考，学生一旦不愿意思考，随着知识量的增加，就逐渐跟不上学习进度[7]。在实施面向工程实践的课程改革之后，充分考虑学生学习之初空间思维能力较为欠缺的客观情况，在授课过程中利用三维软件演示与投影图一致的三维模型，并根据零件的结构特点展示经过截切、相贯等处理后的三维结构图形，学生将之与二维投影图进行比对，逐步形成将三维结构向二维投影转化的能力，帮助学生顺利通过由三维向二维的过渡期，使得空间思维能力得到提升。

2.2 工程知识得到丰富，学习兴趣得以提升

“工程制图”课程中的理论学习知识较多，对学生导致学生学习兴趣不高[8]。在开展面向工程实践的“工程制图”课程教学改革后，深挖案例背后的工程知识，将晦涩难懂的理论知识转换成为实际、具体的工程需求，学生的学习兴趣得到提升，学习主动性也明显提高。与此同时，学生通过具体的工程案例，对相关的加工方法、材料属性等知识也有了一定的了解，这对学生后续工程实践能力的培养也有支撑作用。

2.3 学习目标具象化，工程实践能力得以提高

学习《工程制图》课程的一个重要目的是为以后学生在各类型工作岗位中具备基本的读图、绘图能力，满足具体的工程实践需求，这一点对于使学生明确学习目标，提升《工程制图》课程学习自主意识也有重要意义[9]。开展面向工程实践的教学改革后，在讲授“零件图”相关内容时设置测绘实训环节，学生通过动手测量对应的零件，在这个过程中持续不断地测量、记录、校正和修改，并利用前面学习的形体表达方法，将对象零件完整、合理地表达清楚，形成规范的图纸。在这个过程中，学生不但建立了由三维模型向二维投影转换的能力，而且熟悉了绘图规范、形体表达方法的合理应用等知识，实现了理论知识的具象化。与此同时，学生通过实训也锻炼了自身的动手能力，熟悉并了解了工程测量工具的使用方法，丰富了自身的知识储备，工程实践能力也得到了提高。

2.4 考核方式更加全面，能够更好评价整体学习效果

构建的多元化、全过程的考核体系可以从多个方面对学生的学习效果进行综合评价，对学生的线上、线下和全学习过程进行考核。这种考核方式可以解决部分学生虽然平时学习态度端正，也能够理解并应用相关的知识点，但是因为应考能力不强造成最终考试不通过的问题。与传统的以笔试成绩为主的考核方式相比，这种综合性的考核方式能够更加真实地反映学生的学习效果。从实际的应用效果来看，这种考核方式相对更加公平，95%的学生对这种考核体系予以认可，认为这种考核体系更加公平。这样，也就能够激发学生的学习兴趣，间接地提升学习效果。

3 结语

面向工程实践的“工程制图”课程教学改革以当前工程教育认证为背景，考虑课时压缩、理论学习与实践相互脱节等实际情况，注重学生空间思维能力培养、理论知识背后的工程知识挖掘、基于测绘实训的实践能力训练和多元化全过程的考核体系，形成了“四位一体”的“工程制图”教学方法。该方法能够提升学生对“工程制图”课程的学习兴趣，帮助学生逐步建立空间思维和工程实践能力，达到新时期工程教育的目标。