基于创新实践导向的教学模式探索——以现代工程制图为例.pdf

2023年第16期总第592期No.16,2023Sum No.592Journal of Science and Education现代工程制图是工科专业必修的技术基础课，是培养学生工程意识和工程思维的启蒙课程。本课程以机械装备为背景，主要围绕工程图样进行识读与绘制两个方面的训练，目的在于使学生掌握机械设计表达的基本技能，提升学生的空间构型水平以及发现、分析、解决问题的能力。当前各高校的制图教学改革主流方向主要是采用信息化技术手段驱动教学过程的模式，其创新点是在现有的知识架构中匹配思政内容、加入三维建模、运用线上线下混合式教学平台。但考虑到制图课程知识点繁杂、学生普遍缺乏实践经验的特点，课程在激发学习兴趣和实践教学环节上仍有缺漏，对于学生的创新性思维与动手技能的培养不足。1 教学现状1.1“知识点拨”与“成果导向”冲突现代工程制图教学计划是从知识目标出发制订的，教学模式主要为多媒体教学，考虑到“课时少与任务重”的现实矛盾，授课方式多为“知识点拨”，因此学生接受知识过程短暂，立体想不来、图形记不住，学习目标不清晰，图形表达、构型设计等能力未得到有效锻炼1。学生的制图知识水平相对比较薄弱，空间想象和理解领悟能力水平不一，导致学生对标准尺度把握不够，相似概念错误频犯，与学以致用的“成果导向”还存在较大差距2。1.2 实践作业落于纸面，工程意识强化不够由于制图课程内容“点多面广”，实践教学环节在知识挖掘上存在短板，对于学生的创新思维与实操技能的培养不足。现有的实践教学一般安排学生完成抄绘零件图和拆画装配图的任务。这种实践模式的优缺点都很突出：优点是可行性高、评价标准统一；缺点在于学生绘制的图样大同小异，质量高低仅受限于个人作图习惯的严谨程度。同时，教学内容多与生产实践脱节，与先进制造技术贴合不紧密。1.3 学习主观能动性低，教学个性化培养欠缺一方面，学生的主观能动性在教学实施过程中得不到充分施展，更多的时候是在被动接受知识，学习目标单一，仅为考核达标，不知道制图课程在课程体系中的作用，学习兴趣与动力严重不足；另一方面，过程评价中依赖的习题作业，部分学生完成效果识别度低，教师不能通过批改作业做好针对性补差。现行教学环境下，课程教学、指导答疑受限于客观因素不能很好地展开，只有课堂教学这一环节，无形中增加了学生学习的困难程度3。2 基于创新实践导向的制图教学改革内容由于计算机科学技术的快速发展，现代工程制图不能局限于投影理论和国家标准的阐述，而要结合现代化加工生产技术和创新设计理念来实施教学。依托当前教学模式，组织项目式任务化实践，内容来源为教学重难点、工程案例或竞赛题目等。让学生充分发挥主观能动性，促进制图课程与相关技术的融合，培养适应发展要求的复合式人才。基于创新实践导向的教学模式探索以现代工程制图为例赵少宁 王鑫峰 吕秋娟（火箭军工程大学 陕西 西安 710025）摘要：基于现代工程制图课程的教学现状，探讨了创新实践对制图课程教学效果的提升作用，将计算机三维建模、学科竞赛、3D打印技术融入课程教学，为学生提供主动参与的平台，使学生的制图综合能力得到更加全面的锻炼，培养了学生的工程意识和创新思维。关键词：创新实践；建模；竞赛中图分类号：G642 文献标识码：A DOI：10.16871/ki.kjwh.2023.16.024基金项目：2022年校级教学改革研究项目（编号：HJJKTB2022021）。作者简介：赵少宁（1989），男，硕士，讲师，主要从事图学课程教学研究；王鑫峰（1978），男，硕士，副教授，主要从事机械基础课程教学研究；吕秋娟（1970），女，博士，副教授，主要从事图学课程教学研究。1012.1 创设基于三维建模的教学场景，激发学生自主探究活力秉承“以学生为中心”的教学理念，实现“要学生学”向“学生要学”的转变，只有提升学生学习的积极性，培养学生的工程能力、创新意识，才能做到有章可循。制图课程内容较抽象，对于识读机械结构的工程图样，需要铺垫相应的概念术语，更需要学生具备一定的构型能力，才能将理论知识、形状结构和视图表达这三者正确对应起来。因此在现代工程制图课程教学活动中，要从如何解决学生的兴趣驱动问题入手4。在学时压缩、参观见习不便的现实情况下，三维建模是使学生对零件结构建立直观认识的小成本替代方案。教学中强调图样表达的规范化、尺寸标注的合理化、结构设计的科学化。将现代工程制图课程内容进行补充（如表1所示），采用先识读二维图形、后三维建模、再对比修正的体系，让学生依据二维图形发散思维、在三维空间中感知虚拟模型、再从对模型的观察逆向推理到抽象的二维图形，找出几何元素点、线、面具体的位置和特征，为学生创设训练空间构型能力的场景和进行创新实践的工具。这些三维模型图像逼真、色彩饱满、尺寸合理，可从不同角度旋转展示，演示效果显著提升5。2.2 精选典型案例，充实制图教学素材库目前的多媒体教学仍以PPT演示为主，相较于传统的板书展示节省了时间、提高了效率，但其授课过程较快，学生来不及理解，效果并没有显著提升。这就要求教师必须借助更多教学资源高效地开展教学。教学资源的呈现形式由“教材+习题集”，逐步发展成配套习题指导、模型库、在线测试、AR交互等多样化、全方位资源库，运用三维演示与交互引导学生理解掌握设计、制图、表达三者间的关系，让文字表述和图样表达生动起来6。丰富的教学资源较大程度地延伸了课堂教学，能够满足不同的学习需求，使学生在兴趣牵引下通过综合训练提升现代制图能力。通过合理构建具备典型特征的装配体，将其所包含的各类型零件模型、二维图纸、组装动画、运动仿真等，应用于课程教学全过程，比如以齿轮油泵为例，将齿轮油泵的知识点贯穿于结构设计、三维装配、零件图装配图绘制（如表2所示）。学生在整个流程中能够完成齿轮油泵零件的二维图形绘制、三维实体建模、整体结构装配、装配图绘制，将投影基础理论、尺规绘图、三维建模软件操作与国家标准规定有机关联起来，以三维建模牵引整个知识链条，捋顺新增模块与原有内容体系的融合关系。通过完成与教学内容相互嵌套的任务，推动学以致用的即时体验，扎实培养学生的实操能力7。2.3 融合先进制造技术，搭建学生创新思维的平台通过优化教学侧重点，一方面将工程案例融入课堂教学，在讲透教材知识的基础上，带领学生了解科研趋势，立足制造行业发展方向，介绍数据采集、数字化建模、快速成型、智能检测等工业产品设计加工检验链条，使制图课程与机械设计、互换性与测量等专业课程有机结合，把关联课程引入教学，通过课程衔接实现知识迁移。另一方面，为了避免学生“死记硬背”国标规定，应使教学实施与工程实践紧密结合，通过实物测绘获取数据、尺寸驱教学章节零件图概念及螺纹等典型结构的表达零件的视图选择及零件图绘制零件的技术要求零件图的识读标准件、常用件及其表达装配图概念及绘制装配图的识读三维建模及CAD技术补充的教学内容演示各种螺纹模型和螺纹车床加工视频，四种类型零件模型对比展示（教具及三维模型），约15分钟四种类型零件纸质图样对比展示，三维建模软件生成二维工程图纸原理讲解，约20分钟典型零件的铸造、加工、表面处理视频，约15分钟对零件进行分类，选择合理的表达方案，约5分钟螺栓、螺柱、螺钉三种典型螺纹连接的视频，装配体中的键、销、轴承三维模型演示，约10分钟齿轮油泵拆装视频，齿轮油泵工程图的表达方法，学生动手拆卸和安装齿轮油泵教具，约15分钟装配干线讲解视频，利用软件生成齿轮油泵装配图，比照练习尺规绘图和计算机绘图，约20分钟演示先进制造视频，讲解计算机辅助设计要点，约30分钟学时数46426448表1 补充的教学内容教改教法102动软件建模、制作打印3D模型、零件组装、成果展示等过程，既能掌握制图知识，也能熟悉制造和装配工艺。学生带着任务主动参与学习，在解决实际问题的过程中熟悉机械产品从设计加工到生产维修的知识图谱。比如在讲解螺纹连接的紧固技术时，对比“偏心螺母”和“双向螺母”工作原理，启发学生进行开放式趣味化结构设计。同时，通过引入生产实际中的常用件标准件，要求学生按照模板整理不同类型机件的结构特征、表达方案、技术要求、加工工艺等信息，通过三维激光扫描、三维轮廓测量进行结构尺寸的数据采集处理和自动建模，强调学生的主体作用，关键节点提交作业以及时发现问题并进行修正。通过体会不同方式的制造训练，学生能够顺利在二维图形和三维零件之间建立呼应关系。2.4 赛教结合，拓展知识应用范畴“赛”是“学-教-研”良性循环的“点火器”，增强了学生创新性原生动力、提升了教师教学效果、助推教研科研成果转化（如图1所示）。组织学生参加全国大学生学科竞赛，其中，机械创新设计大赛、先进成图大赛、3D数字化创新设计大赛都与制图课程内容高度相关。从教、学、用三个层面着手，通过多元化的学习方式与评价手段，增加学生有效学习时长，养成较好的深度学习习惯。鼓励学生参加教学改革活动和在线课程的建设，促使学生课外拓展，提高综合素质，以线带面，在后续学习中达到辐射联动效果。比如先进成图比赛是图学教学的风向标，考查内容广泛，题目新颖、深度适中。从参赛人员上看，主要是在制图课程学习过程中对于尺规绘图得心应手、对计算机建模颇感兴趣的学生群体。为保证竞赛水准，壮大竞赛“苗子”基数，必将倒逼教师提升制图课程的“高阶性、创新性、挑战度”，间接地对打造制图“金课”起到了强有力的促进作用。从考查内容上看，试题“面广、量大、难度加大”（如表3所示），近几届的比赛试题中增加了轻量化设计、增材制造等科目，用以检验计算机三维建模的合理程度。教师既要结合具体案例组织机械结构的原理剖析、视图方案选择、工程图生成调整训练，也要基于增材技术注重结构的轻量化设计与制造，从而在指导竞赛过程中做到有的放矢。序号第一届第二届第三届第四届第五届第六届第七届第八届第九届第十届第十一届第十二届第十三届第十四届尺规绘图板式支架支承圆筒式支架减速器后盖涡轮壳油泵泵体轴承座角座圆筒式支架椭球筒式叉架角座箱体托架截止阀油箱计算机绘图拨叉、溢流阀泵体、手压阀、球阀齿轮油泵快速阀蜗轮减速器叶片泵行星减速器手动换向阀蜗轮减速器钥匙、锥齿轮减速器洗衣机减速器、茶壶电感分度头三轴钻备注构型构型投影与智力构型投影与智力构型投影与智力构型投 影 与 智 力 构型、3D 打印行星齿轮组合体投影基础构型设计、3D 打印山地自行车结构部件投影基础构型设计表3 历届先进成图比赛试题（机械类）齿轮油泵项目工程图GB图框绘制读齿轮油泵零件图齿轮油泵零件三维建模齿轮油泵中标准件的调用和生成齿轮油泵装配体读齿轮油泵装配图齿轮油泵装配图、爆炸图生成教学内容回顾制图基础知识零 件 图 视 图 表 达、技 术要求SolidWorks 三维建模实践操作标准件与常用件SolidWorks三维装配操作装配图基础知识SolidWorks 装 配 图 实 践操作表2 齿轮油泵授课教学安排课外学习主动探究进阶练习课堂学习被动接受主动创造以赛比学以赛促教以赛融研场景单一内容庞杂接轨实际交叉学科培育创新思维提升研究能力图1 以赛比学、促教、融研培养模式教改教法1033 课程考核评定方式判断学生是否在课程教学活动中进行了积极有效的学习，关键在于考核。没有高标准的过程就不会有高质量的结果，当前考核机制的改革也是朝着完善过程性考核的方向发展，该方式的主要特点是考试成绩不再过度倚重闭卷笔试。只有在教学过程中不断强化学生自我学习的意识，用作品和数据调动学生的积极性，尽量减少因“做好做差最终都一样”的平时作业降低学生的学习热情。本课题结合制图课程的实践性、技术性特点，注重理论和实践考核相结合，考核方案如下：尺规绘 图 作 业（10%）、上 机 操 作（10%）、课 程 实 践（10%）、期末笔试（70%）四部分组成。其中，为鼓励个性发展，从零件库中随机抽选确定学生的上机操作题目，完成计算机绘图和建模，并同步开展以3D打印为主的课程实践。在期末笔试中加入发散性构型设计题目，考查学生灵活运用知识和创新的能力。评价标准包括作品的难度及精度、工程图的准确性、产品的合理性和完成质量，对作品予以综合判分。教师过程评价的重难点和易错点环节设置讲评，针对共性问题答疑解惑，强调知识吸收与转化。学生在进行定制化任务的过程中，完成试错纠偏和经验积累。采用线上线下混合模式、教学资源库、实践实验平台等多种方式，增加平时成绩比重，进行行之有效的量化，学生平时成绩的高低完全取决于他们的投入程度。4 结语教学改革以工程思维和动手能力为主导，以先进制造技术为着力点，打造以培养空间构型能力为主、多种教学手段相配合的教学场景。优化以理论讲授为根基、绘图实践为主干、造型建模为枝叶的教学过程，促使理论与实践在螺旋上升中达成教学目标。通过上述尺规绘图训练、测量器具使用、数据采集处理、三维建模修正等教学实施，“旧”课程教学跟上“新”工科需求，充分调动了学生的学习兴趣和学习热情，学生应用本课程知识解决实际问题的能力大大提高。基于种类多样的教学资源及主动式启发式的教学方法得以实现，从而为后续专业基础课程学习和科技创新项目打下坚实基础。参考文献1 庹军波,杜彦斌.面向教学现实困境的工程制图对分课堂教学探究J.中国现代教育装备,2021(15):135-136,146.2 张忠洁,王嵩,刘久逸.新工科中以课程设计为主线的“工程制图”教学改革J.安徽化工,2019,45(6):117-119,127.3 黄莉,王直民.“工程识图与辅助设计”混合式教学改革与实践J.教育教学论坛,2022(4):91-94.4 刘鹏,石建平,饶俊,等.基于创新思维的画法几何与机械制图课程教学探索J.中国现代教育装备,2019(13):105-106,109.5 徐海军,张雷,邹腾安,等.面向工程素质培养的工程制图新教法探索与实践J.机械设计,2018,35(S2):185-188.6 焦芳敏,王华帅.成图竞赛对机械制图课程改革的推动研究:以河南工学院为例J.河南机电高等专科学校学报,2019,27(6):78-80.7 刘江丽,刘利,宋晨霞,等.三维设计与工程制图课程项目式团队授课模式实践J.中国教育技术装备,2018(22):74-77.Exploration of the Teaching Mode Based on Innovation Practice:Taking Modern Engineering Drawing as an ExampleZHAO Shaoning,WANG Xinfeng,LYU QiujuanAbstract:Based on the teaching status of the Modern Engineering Drawing course,this paper discusses the role of innovation practice in improving the teaching effect of drawing courses,integrates computer three-dimensional modeling,discipline competition and 3D printing technology into the course teaching,provides a platform for students to participate actively,promotes students comprehensive ability of drawing to be more comprehensively trained,and cultivates their engineering consciousness and innovative thinking.Key words:innovation practice;modeling;competition编辑：李金枝教改教法104