基于不同学科特点的“工程图学”课程教学探索

张方圆

（宁波大学 机械工程系，浙江 宁波 315211）

高等教育的关键任务之一是培养具有创新精神和实践能力的人才，为国家经济和社会发展提供支撑。而工科专业的高质量教育是国家经济社会高质量发展的基础与前提。为了提高工科专业的高等教育质量，教育部发起了对新工科教育模式的探讨与研究，以培养更多创新型科技人才，为国家产业转型升级提供强有力的支撑[1]。“工程图学”是工科专业的基础课程，引领学生建设创新性思维，培养学生的实践能力。因此，为了响应国家对于创新型工科人才的需求，必须结合时代背景，探讨工程图学更加先进的教学模式，提出合理的课程改革措施。

经过不断的探索和研究，国内外高校在工程图学的课程改革方面取得了显著成果。哈尔滨工业大学以培养学生的创新意识为教学重点，强调了计算机绘图和三维建模的重要性，并对课程结构和内容进行了调整，增加了产品设计课时[2]。美国密苏里州科技大学则更注重培养学生用二维图表达零件三维形体的能力。他们认为绘制三维图是为了清晰地表达机械部件的配合关系以及完成部件的装配图，并强调工程图在零件设计、制造整个生命周期的作用[3]。国内大部分高校将“工程图学”分为“工程图学”基础、工程图学应用和计算机绘图3个部分。“工程图学”基础主要教授理论基础知识，“工程图学”应用主要涉及零部件的结构分析、二维零件图和装配图绘制等知识，计算机绘图包括产品设计与建模，主要教授三视图的软件绘制和三维软件建模[4，5]。美国纽约大学将三维绘图软件应用至图学理论的课堂教学中去，从而使得学生更容易理解截交线、相贯线等重点、难点[6]。而随着网络技术的发展，线上线下混合教育模式也得到了大力推广，北京航空航天大学等基于网络平台，设计了工程图学的混合式教学模式，充分融合并发挥了传统线下教学和新型线上教学的优势，使得混合教学模式产生了1 + 1 >2 的教学效果[7，8]。

目前各高校对“工程图学”的教学模式进行了深入的探索，并进行了创新性的改革，但是改革的重点围绕加入三维建模过程，并大力推广线上线下混合教学模式。但是，“工程图学”课程涉及多个工科专业，针对不同学科特点，建立教学大纲的探索还不深入。针对这一问题，分析不同学科的特点，设置教学模式和教学内容，让学生最大程度地掌握知识，并提高创新、实践能力。

机械类专业的工程图学课程对机械零件的绘制进行了重点讲述，因此学生能够理解“工程图学”的应用背景和意义。而非机械专业，“工程图学”课程重点讲述工程图学基础的相关知识点，“工程图学”应用的课时极少，导致学生无法理解工程图学的实际应用场景，进而学习热情不高。因此，在进行相关知识点的讲解时，应结合各学科的背景，选取典型的应用场景和零件，引导学生更加深刻地理解工程图学对于创新设计的重要贡献。

以材料专业为例。通过引入新材料的应用场景以及产品设计，进而引入设计过程涉及的工程图学知识点。比如，碳纤维作为一种轻质、高强的新型材料，正在广泛应用于医疗、体育、交通等领域，如假肢、羽毛球拍、汽车零部件等[9，10]。图1（a）为碳纤维自行车架，在对其进行设计时，需要考虑管与管间的连接并在表面穿孔以便进行装配。而在连接和穿孔的过程中，在车架表面形成相贯线和截交线。为了清晰、全面地表达所设计产品的外形，设计者必须具备截交线、相贯线绘制的能力，由此引入截交线和相贯线的产生机理以及绘制等相关知识点。

以电气专业为例。随着生活水平的提高，消费者对家用电器的外观提出了更高的要求，因此，对家用电器进行设计时，外观结构设计成为了电器设计的重要组成部分。图1（b）为家用电炖锅，为了让整体外观更加美观，锅体和锅把均为圆柱体且相交，进而形成相贯线。而在电器结构设计时，必须清晰地表达出相贯线的三视图。由此引出相贯线的概念以及相贯线绘制等知识点。

图1 各学科产品设计实例

这种将各专业的应用实例与相关知识点相连接的教学方法既能够让学生领会到工程图学的应用背景，激发学习兴趣，又能够让学生更快速深刻地掌握绘图技巧，因此应该在理论教学过程中加入这一教学环节。

空间想象能力是学习“工程图学”应具备的基本能力。但是，面对复杂结构零部件，多数学生无法想象和分析出实体的三维模型，进而无法将三维模型转换成二维工程图。而三维建模辅助学生理解复杂零部件的空间结构，提升学生的空间想象能力，并能够将三维实体流畅地转化到二维的制图和读图过程。因此，工程图学教学过程中，应充分利用三维建模软件。

目前，教学过程中利用三维建模软件的途径有两种，一种是教师在理论课教学过程中，通过三维建模软件向学生展示已建立好的三维模型，辅助学生对知识点的理解[11]；
另一种是通过教授三维建模课程，学生掌握建模技巧，进而绘制零部件的三维模型[12]。但是，国内目前对于三维建模课程的学习均在“工程图学”基础课程之后，即学生先学习点、线、面以及组合体的绘制和读图之后，再学习三维建模课程。由于课时的限制，教师在课上仅对三维模型进行短暂的展示，无法深入教授细致的建模过程。而对于“工程图学”基础课程，截交线、相贯线等难点，结合三维模型，能够帮助学生更加直接、深刻地理解这些知识点。

随着信息技术的发展，学生对于软件的学习能力大幅提升，因此有能力快速掌握三维建模软件的基础功能。因此，在“工程图学”基础这门课程进行之初，应安排课时进行三维建模软件的教学，使得学生能够掌握简单的功能，比如拉伸和切割等功能，以便其快速入门三维建模软件。除了课上简短的三维建模教学外，老师录制三维建模教学视频，学生通过视频更加深入地学习三维建模。在理论课教授基本立体相关知识点之前，要求学生能够建立简单的圆柱、圆锥、球体的三维模型，并对模型进行切割、组合。在掌握了三维建模知识后，学生在学习组合体三视图绘制等知识点时，能够在课后建立三维模型，以便对知识点进行理解并能够将三维几何形状转化为二维三视图。

学生经过4 节课的三维建模学习后建立的简单组合体三维模型，如图2 所示。学生基于课上讲解的组合体三视图，分析出组合体的空间结构，并建立三维模型。在建模过程中，再次理解了组合体的投影特征，并对课上理解不透彻的知识点，比如图中两个组合体相贯线的形状，进行深入的理解。因此，三维建模过程，既掌握了三维建模技巧，又学习了“工程图学”基础中难以理解的知识点。

图2 三维建模实例

在对多个班级的学生进行课上观察和课后调研时发现，对于简单的知识点，比如点、直线的投影规律，学生能够快速理解并掌握，并且认为在这些知识点上进行过多的讲解会浪费课时；
而对于难以理解的知识点，比如曲面立体截交线、相贯线的绘制，学生一方面难以快速领会作图技巧，另一方面虽然课上能够领会知识要点，但是课后作图仍然有较大难度。同时，调查发现，相比于教师按部就班的讲解，学生更希望亲自参与，通过独立思考来理解知识点并绘制出三视图。

基于这一问题，对课时进行调整，对于简单的知识点，适当缩短课时，而对于难以理解的知识点，增加课时，并把更多课堂时间交给学生，在消化知识点的同时手绘三视图。教师结合学生的绘图效果，及时发现学生普遍难以掌握的知识点并再次进行启发与讲解，夯实学习效果。同时，对于教学难点，录制详细的讲解视频，以便于课上没有完全理解的学生课下进一步学习。

这样，通过老师细致讲解重点、难点，学生线上、线下同步学习，并结合三维建模，全方位的参与到学习过程中，更能够有兴趣且深入地学习工程图学，从而产生更好的学习效果。

随着国家转型的重大需求，具有创新和实践能力的新工科人才培养迫在眉睫。因此，“工程图学”的最终目标是培养并提高学生的创新与实践能力。

非机械专业的学生走上工作岗位后，对于创新设计和图形表达能力的需求更高，而对于产品的制造能力需求不多。因此，对于非机械专业的学生，如何呈现出设计理念更加重要。为了实现这一培养目标，在开课伊始，布置产品设计作业，结合学生自身兴趣，基于本专业相关的产品，设计一款至少包括10个零件的小机构或者电子产品，学期末上交设计成果的三维模型，并且阐述至少五条应用到的“工程图学”相关的知识点。

机械专业的学生，尤其是机械制造专业，更注重读图能力，要求学生既能够设计零件又能够绘制出二维图纸，并规划出工艺路线。因此，在教授完工程图学课程后，要求学生设计一款能够应用到工程实际的、完整的机械产品。基于对产品的设计理念，建立出三维模型，绘制出装配图和重要零件的零件图。同时，对重要零件的作用进行分析，并合理规划出零件的加工工序、加工精度以及尺寸要求。

而随着国家对大学生创新实践能力的重视，一些大学生设计竞赛全面铺开，比如全国大学生电子设计竞赛、全国大学生机械创新设计大赛、中国“互联网+”大学生创新创业大赛等。这些竞赛均需要学生设计出有创新性或者有市场竞争力的产品。而在产品的设计和制作过程中，一定会对产品进行三维建模并绘制零件图和装配图。因此，在比赛的过程中，学生能够对“工程图学”的相关知识进行充分的应用。从历年的比赛结果能够看出，这些赛事对于学生的工程制图实践能力有极大幅度的提高。因此，老师在教学过程中，应鼓励并指导学生参加相关比赛，使得学生将所学知识运用到实际的产品设计和制造过程中。

通过分析不同学科的特点以及未来的就业方向发现，各学科对于工程制图的教学模式提出不同的要求。机械专业要求学生不仅具有制图和读图的能力，还应具备通过图纸规划工艺路线的能力；
非机械专业的学生要求学生具有创新性的产品设计能力。基于以上学科特点，对工程图学的教学方案进行优化。

（1）充分调研不同学科产品及其设计特点，发现工程图学在各种产品设计过程中的应用。教学过程中，以不同学科的产品为例，融入工程图学在产品设计过程中涉及的知识点，帮助学生理解工程图学的重要性和应用场景。

（2）强调三维建模在工程图学课堂教学过程的重要性，老师充分利用三维模型信息呈现的直接性，向同学展示难以想象的三维模型，辅助理解教学难点。同时，将三维建模课程与工程图学课程并行，学生将二维制图知识与三维建模知识相互融合，相互促进。

（3）调整教学课时的分配，将更多课时分配给重难点，而不是面面俱到灌授。激发学生的主观能动性，留给学生足够课上手绘的时间，及时消化吸收知识点。

（4）依据学科特点，对于有产品设计需求的专业，将三维建模、二维制图与产品设计相结合，进行课程设计。对于有机械制造需求的专业，将教学和实操紧密结合，以增强对工程机械结构感性认知和实践能力。