基于新工科的图学课程体系建设与实践
张学昌 杨慧梅 许少锋 陆俊杰 李继强
[摘 要]新工科图学课程体系建设要通过教学理念更新、教学内容调整，将实践教学内容真正融入在线开放课堂教学中;以工程图样表达机械运动原理及功能性设计为核心，在零件结构功能设计上充分利用形体特征分析方法，形成工程图学新体系;通过工程制图内容的重新组织，引入工程项目案例式教学，强化工程制图功能创新设计，破解工程制图课程图形表达与功能设计割离、教学内容封闭性与跨专业知识融通的问题。
[关键词]新工科;工程制图;功能设计;教学方法;工程素养
[中图分类号] G642.3 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2021）05-0052-04
当前，新一轮科技革命和产业变革加速演进，人工智能、大数据、物联网等新技术、新应用、新业态方兴未艾[1]。但目前我国高等工程教育面临着很多问题，学校专业人才培养过程中教学内容陈旧，实践技能与企业技能需求“两张皮”，专业技能与企业技能需求最后“一公里”问题，即所学专业技能与产业需求不完全契合等[2-4]，高等工程人才培养瓶颈对国家工业高速发展形成了巨大制约。
对于机械类学生而言，工程制图能力是专业能力的基础。作为工程师的语言，工程制图课程培养工科学生空间思维与表达能力，同时，在绘图过程中大量国家标准的正确运用能让学生形成严谨、规范、认真的工作作风。以工程应用为支撑的工程制图课程为大一新生开启了专业学习的首道大门。工程制图课程打开专业之门，呈现在学生面前的应是一幅多彩如幻的工程世界。
一、图学课程现状分析
浙江大学宁波理工学院（以下简称“我校”）工程制图类课程虽然经过一系列改革和教学创新，但实践性训练教学仍然是课堂教学的薄弱环节，其普遍存在如下问题。
（一） 重理论，轻实践，教学理念存在一定偏差
现代科技的发展，三维建模工具如Solidworks、UGNX、CATIA等给产品表达带来质的变化，三维设计、二维工程出图和有限元仿真分析已是软件工具的必备功能，三维软件的引入使工程制图教学内容更贴近企业实际需求。但在工程制图教学实践中，三维设计软件操作的方便性和三维模型的易表现性会使学生热衷于产品的外观概念设计，而对于机械结构零件间的配合关系、技术要求及复杂装配二维工程图样的表达等知识掌握不到位，在毕业设计、课程设计环节需要按工作原理对设计内容进行详细设计时，学生往往不知所措，一脸茫然，提交的设计中看不中用，与工程设计和制造的要求相距甚远。
（二） 工程图样表达与产品功能设计割离，教学内容衔接不当
机械结构都具有特定的功能，工程制图课程重点在机械结构的表达，机械设计课程重点在机械结构的功能设计，二者之间相互衔接。由于大学一年级的学生还没有学习机械设计的相关知识，工程制图教师要具有丰富的工程实践经验，将产品功能与工程图样表达融合在一起，避免就事论事。如果工程制图课程只讲形体结构的表达，不涉及机件的功能结构分析，学生在学习时只是机械记忆作图的规范，当在毕业设计环节中需要进行结构功能表达时，不能用合理的表达方法正确表达自己的设计思想，这样的教训每届毕业生都有学生会遇到。
（三） 教学内容封闭性与跨专业知识融通之间的矛盾
工程制图针对专业不同划分为机械类、近机械类和非机械类，知识体系与专业紧密耦合，表达出知识结构的完整性和封闭性，而工程实际需要跨专业、跨领域交叉融合，现有的工程制图内容体系不能满足新工科跨界融合特点。
二、图学课程教学体系改革
基于上述问题，本文以新工科图学体系建设与实践为突破口，以在线开放课程、新形态教材和学科竞赛为载体，以新技术、新理念及新模式为支撑，破解目前工程图学课程存在的教学困境。
（一）课程内容体系的改革
以新工科图学课程体系建设为切入点，以结构功能表达为主线纵向贯通课程知认体系，从零件图及工艺结构的深入了解引导学生步入机械设计、机械制造领域，装配图的读图和绘制带领学生进入机械专业高级阶段。以图学技能需求为基础横向贯穿课程知识体系，通过跨专业项目引领，凝练各专业图学技能，构筑跨新工科图学课程知识构架，突出基于功能的零部件结构设计和表达，可促进学生形体结构创新能力和设计表达能力的提高[5]。
重新梳理工程图学理论基础及相互知识点的逻辑联系，以树状图为纲，在图样表达技巧、工程图样方面突出专业特性，所有案例既有工程实际的二维图样，也有SolidWorks等工具可以打开的三维模型。典型零件图及装配图涵盖机械设计制造及其自动化专业、高分子材料与工艺专业、能源与环境工程专业、机械电子工程专业、电器工程及其自动化专业，其二维图样具有真实的工艺及相关技术要求，学生接触到的是企业实际产品。
教学内容的改革体现在新形态教材及在线开放课程之中。通过微视频、微动画、PPT及微课堂将新工科图学知识体系呈现出来。
（二）教学方法的改革
1.形体构思为主线。以案例式教学方法为主，引入企业真实产品，通过产品的三维数字化模型讲解其功能，并进一步分析零件形体结构的合理性，以启发学生的空间思维。以截止阀、齿轮油泵等简单产品为例，分析其功能及工作条件，然后由功能构思合理的结构，進而完成图样表达。在实际教学过程中，融入学生创造性思维，加强学生实践动手能力培养。
2.空间思维能力培养是新工科图学的重点。建设浙江省线上开放共享课程——新工科图学，新的课程理念、新的教学模式会随着线上的推广而使学生受益。工程图学空间思维的训练需要大量的练习才能内化为学生的专业技能，通过新形态教材构建课程习题集完整视频解析答案，所有实例真实体现绘图的每一个步骤，每一笔动作，学生身临其境般体验工程图样的诞生，学生在自学、会学的环境下，形成乐学的良好学风生态。
3.加强工程意识的培养。工程案例进课堂、科研成果进教材，将机械制图课程教学与计算机辅助设计、工程仿真分析结合起来，培养学生的工程意识。实体测绘与产品数字化建模，训练学生从测量工具的使用，到徒手草图绘制，再到三维模型建立及装配，最后输出合格的工程图样，这个过程锻炼了学生综合运用工程制图的知识与能力，使学生对工程图样的理解从作图规范上升到功能合理性和生产制造的理解。
三、新工科图学课程实施方案
（一） 构建了适应多专业、易扩充的新工科图学课程资源体系，促进了不同专业大学生的图形技术和图形素养能力培养
根据高水平应用型人才培养要求和各类专业应有的图形素养和专业能力、不同教育类型、不同层次教学要求，制订了不同的课程培养方案，即符合人才培养需要的三个层次（即两个平台、一个提高）的课程体系。第一层次面向非机械类、信息类、艺术设计类、经管类等专业，以培养形象思维、工程意识和一般图形处理技术为特色的图学通识教育工程图学课程基础平台;第二层次为面向机械类、近机械类的以专业技术基础为特色的图形技术基础平台;第三层次为以培养设计、创新、实践能力为一体的机械类专业图形处理技术课程提高体系，同时建立了实践模块以加强学生实践技能培养。
（二）构建了基于结构功能设计的机械制图课程内容新体系，使机械制图与结构设计有机结合，机械制图与机械设计平滑衔接
机件或机器的结构决定于其功能需要和制造条件，但一般机械制图仅对机件或机器已经确定的结构进行表达描述，脱离对功能设计理解的表达，难以使学生掌握图样表达的合理性和工程性，靠机械地记忆图形规范和典型结构，学生只知其然而不知其所以然，难以达到预期教学效果。因此，我们构建了全新的、基于功能设计的图样设计表达内容新体系，加强学生对机件或机器基于功能的结构合理性和工程性的理解，并与后续课程作平滑衔接。学生在功能理解的基础上理解结构形状的合理性和工程性，既能学懂又能记住。
（三）构建了“助学”与“助教”相结合的新工科图学教学网络资源平台，促进了学生自主学习，有效提升了工程图学教学质量
依据工程图学课程规范、知识点特征，将教学视频、知识点微课、原理动画、多媒体课件等教学资源集成于一体，构建立体化新形态教材。将教材、作业测试等教学内容中的原理、方法、过程全部呈现于网站，对典型例题的分析和解答过程进行设计制作，每题均给出解题思路、步骤与标准答案，在题目的教学设计过程中，加入讨论的环节，留给学生独立思考的空间，更好地体现教师“引”与“导”的作用。结合CAD等级考试，学科竞赛、数字化装配等形成线上线下、课前课后不受时空限制的实践教学虚实化体系，实现学生工程图学能力四年不断线的培养。
（四）构建“变被动为主动”新工科图学课程作业评价体系
在工程图学课程课时不断压缩、课外作业批改工作量不计入考核的情况下，采用新的教学手段来解放教师的劳动。线上线下混合式教学过程中，加大线上测试环节，学生作业增加学生互批环节;同时，引入学生自批订正作业环节。这一方面促使学生利用新形态教材建设成果，培养了学生的严谨作风和负责精神，另一方面使教师从单纯的批改大量作业的事务中解脱出来[6]。
（五） 构建了专业视频资源库和廊道展示墙，多方面提升教师素质
针对年轻教师“校门对校门”专业实践知识不足的问题，采用“请进来”措施，请有丰富工程经验的企业工程师来校进行专业讲授，并建立相关专业视频资库。通过企业典型案例的学习提升年轻教师的产品设计及工艺规划能力，从而进一步提升工程图学课程的教学质量。
四、课程建设成效
（一）学生受益面广，人才培养成效显著
实施范围以机械设计制造及其自动化专业为主，同时兼顾机械电子工程专业、包装工程及能源与环境工程专业。浙江大学宁波理工学院机械设计制造及其自动化专业是学校最早建立的专业之一。学校下设8个学院，其中机械与能源工程学院下设四个专业，分别是机械设计制造及其自动化专业、机械电子工程专业、包装工程及能源与环境工程专业，共计学生1560人，其中机械设计制造及其自动化专业有学生640人。
（二）实验教学培养模式得到企业、同行认可
我校针对学生的特点，设计了系列实践环节，并发挥学生的主动性成立机械图形协会，引导学生自下而上积极学习，使大部学生较为完整地掌握图样表达和工程建模方法，有效培养学生的创新设计和实践能力。5年来，学生取得了不少成绩，约有200余人次在CAD等级考试及全国先进图形创新大赛活动中获得奖励。
五、结语
新工科图学尤其要注重学生个性和创造性的培养，加大跨学科课程资源的开发与整合，扩大通识教育课程的可选择性，为学生提供更多满足个性发展需要的课程选择机会。本文以工程图学为切入点，以新工科实施内涵为引导，以在线开放课程和新形态教材建设为载体，实现工程人才的跨界融合及个性化培养。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 新华社.习近平向第六届世界互联网大会致贺信[EB/OL].（2019-10-20）[2020-01-21].http：//courtapp.chinacourt.org/fabu-xiangqing-191761.html.
[2] 中国新闻.陈宝生：高等教育要坚持以本为本 推进四个回归[EB/OL]. （2018-06-21）[2020-01-21].http：//news.cctv.com/2018/06/21/ARTIr1dVmrcIKRZfjRJvSOZU18062
1.shtml.
[3] 搜狐.吴岩：严起来 难起来 实起来 忙起来 把本科教育质量实实在在提起来[EB/OL]. （2019-08-29）[2020-01-21].http：//www.sohu.com/a/337300754_691624.
[4] 李拓宇，李飞，陆国栋.面向“中国制造2025”的工程科技人才培养质量提升路径探析[J]，高等工程教育研究，2015（ 6） ： 17-23.
[5] 施岳定，张学昌，许少锋，等.加强实践能力培养的机械制图课程改造研究：基于产品功能表达与设计[J].大学教育，2017（1）：58-59+62.
[6] 张学昌，施岳定，吴红兵，等.“变被动为主动”机械类工程图学课程作业评价模式改革与应用实践[J].大学教育，2016（11）：92-94.
[责任編辑：刘凤华]
