“工程图学”课程教学方法改革

“工程图学”课程教学方法改革

陆国栋　费少梅　施岳定
　机械工程学系

一、课程简介

1.课程类别

“工程图学”课程是一门大类课程，是一门兼具系统理论性和较强实践性的重要技术基础课程，它既是工程类各专业学生的必修课，又是非工程类学生建立工程概念、培养空间思维能力的工程素质类课程。该课程研究绘制和阅读工程图样的基本原理和基本方法，培养学生的空间思维能力、制图能力和设计创造能力。图学素质是塑造学生的创新意识和创新设计表达能力的重要基础平台，工程图学作为图学素质训练培养的重要载体，是学生进行创新设计的基础课程。

2.学科类别

工学─机械工程

3.课程目标和教学内容

（1）课程目标:工程图样是工程界的语言。本课程旨在使学生掌握绘制和阅读工程图样的基本原理和基本方法，培养学生的读图和制图（徒手制图、尺规制图和计算机制图）能力，训练和提高学生的空间思维和设计创造能力，实现以教为主向以学为主的转变，以课内为主向课内外结合的转变，以结果评价为主向结果和过程结合评价的转变，达到师生互动、课内外互通、结果过程互融的教学新境界。

（2）教学内容:正投影理论原理和基础知识、立体表面交线的投影、组合体视图的绘制与阅读、形体构型设计基本方法、机件的表达方法和尺寸标注、标准件和常用件、计算机绘图和零件图。

4.教学对象

浙江大学一年级学生，每年开设45个左右教学班，每班人数80人左右。

5.课程学时与教学场景

（1）课程学时:课堂教学48学时，实验教学3学时。

（2）教学场景:课堂教学在多媒体教室，实验教学在计算机机房。

二、课程教学重点解决的问题

无论日常生活，还是科学研究，都离不开语言的交流。显然，文字作为日常交流的语言载体是显而易见的，但不仅是在日常交流、数理问题的求解以及科学研究论著的撰写中，而且在想象力的培养中，图形正起着日益重要的作用。笛卡尔说:“没有图形就没有思考。”爱因斯坦曾这样描述他的思维过程:“我思考问题时，不是用语言进行思考，而是用活动的跳跃的形象进行思考……”在国内传统基础教育中，基本概念、基本规律和逻辑推理能力的培养得到了空前重视，而对形象思维能力的培养以及图形表达能力的培养，往往被忽视。因此，必须强化学生想象力的训练，利用图形思考，运用图像这一直观工具求解抽象的科学问题，实现文字信息和图形信息的有机结合（以图助文、以文助图和文图互助），从而快速增进思考力与理解力，提升学生的表达能力和形象思维能力。

图样是工程界的语言，“工程图学”是研究如何用二维的“图”表达三维的“物”的一门课程，对于培养学生的图形思维能力和想象创新能力具有直接的重要作用。如何帮助学生在“图”和“物”之间构建桥梁，使他们在二维平面和三维空间之间自由翱翔，训练和提高学生的空间思维能力是本课程的重点和难点所在。

在本课程的教和学的过程中普遍存在以下问题:

（1）空间思维的建立。由二维的图样想象出其对应的三维立体内容比较抽象，学生建立空间思维和想象有困难。

（2）尺寸的正确标注。尺寸是工程图样的重要组成部分，尺寸标注是否正确、完整、清晰和合理，直接影响到产品的可加工性和加工质量。学生标注时往往出现模棱两可、尺寸多余、遗漏的现象。

（3）实践认识的匮乏。工程图学是一门实践性较强的专业技术基础课，而大部分学生对生产实践，如零件的加工工艺、技术要求，对机器或部件的工作原理、装配关系及装拆顺序等缺乏感性认识。

三、教学方法改革

1.教学实施策略与方法

针对“工程图学”课程教学的目标和教学中存在的问题，目前本课程采用基础平台和综合提高相贯通的教学实施策略，采取的教学方法主要有:通过采用延伸拓展性知识点的自主式学习、形体构思为主线的启发式教学、空间思维为核心的互动式教学等方法和手段，实施以教为主向以学为主的转变，培养锻炼学生的自主学习能力；借助于预留带有一定拔高性的课外作业，以及要求学生作阶段性自我命题，促使学生在更高层次上对所学的知识进行系统整理和总结，实现课内学习与课外学习的有机结合。具体阐述如下:

（1）基础平台和综合提高相贯通的教学策略。第一学期，工程图学课程面向所有学科的学生，作为一个基础性的公共图学平台，着重空间思维能力的培养、读图和画图能力的训练，即图学素质的培养。为了进一步提高学生的综合设计能力，强化学生的工程意识和创新意识，在第二学期中，面向机械类、近机械类专业的学生，在基础平台的基础上，进行了综合、拓展和加深，增加习题的综合性、复杂性和设计性，突出能力的培养，强化图学与设计的结合。

（2）延伸拓展性知识点的自主式学习。教会学生“会学”是工程图学教学方法改革的根本所在。工程图学教学中，注重学生的“学会”转向学生的“会学”，通过预留包含具有延伸性、拓展性知识点的课外作业，如在讲了辅助平面法后，要求学生课外自主学习辅助球面法和换面法，自主出题并给出求解过程和答案，激励学生自主学习，将工程图学教学自课堂延伸到课外，培养学生的自学能力和探索精神。

（3）形体构思为主线的启发式教学。孔子曰:“不愤不启，不悱不发。”工程图学教学中，以启发学生的空间思维为核心，基于图形的表达和理解，采用设问和“埋伏”并存的教学方式，诱导学生作进一步的思考，如从实体与实体相贯出发，启发诱导学生进一步思考实体与虚体、虚体与虚体的相贯，并加以分析比较其异同点，从而启发学生独立思考，促进学生主动思维。

（4）空间思维为核心的互动式教学。在工程图学课堂教学中，通过鼓励学生参与，进行师生互动和生生互动，活跃课堂气氛，增加课堂信息量。对于比较简单的读图和画图问题，可采取教师引导，学生独立抢答的方式。通过抢答，既活跃了课堂气氛，同时又满足了学生提高自我形象的需求，从而很好地调动了学生的学习积极性；对于比较复杂的问题（一题多解或没有标准答案），如针对一机件让学生进行表达方案的练习，首先由学生根据所给机件的结构特点分组讨论，然后各组派代表陈述展示自己认为比较合理的表达方案，接着学生各组间相互提问和点评不同的表达方案，最后教师作总结归纳。

（5）预留课外思考提高题，激励学生自主学习。考虑到不同的个体对知识掌握程度的不同，故对于一些知识掌握程度较好的学生，可以适当布置一些选做型的课外思考提高题。

（6）鼓励学生自主设计作业，促进学生的知识整理和贯通。鼓励基础较好的学生自主命题并给出答案，从而起到让这部分学生自主梳理知识点，辨别重点和难点，并加以归纳总结的作用。

2.具体实施方法举例

（1）延伸拓展性知识点的自主式学习举例。

通过预留带有一定目的性的课外作业，激励学生自主学习。例如，在分析了投影面的平行面在与其平行的投影面上的正投影能够体现平面的实际形状和大小，而投影面的垂直面无法根据投影直接得到被投影平面的实际大小后，提示学生是否能够从改变投影面（见图1）或几何元素（见图2）两者的相对位置加以考虑，启发学生思考将投影面的垂直面转化为投影面的平行面，从而鼓励学生课外自学换面法和旋转法。

为了促进学生对于所学知识的自我巩固，在完成点、直线和平面的学习内容后，要求学生每人自己出10道题，其中2～3题必须利用换面法和旋转法求解，并给出详细的求解步骤和结果。

图1　变换投影面——换面法

图2　旋转几何元素——旋转法

（2）形体构思为主线的启发式教学举例。

在第一学期的工程图学基础平台的教学中，在讲圆锥体（实体）与三棱柱体（实体）（见图3）相贯后，要求学生思考圆锥体（实体）与三棱柱腔（虚体）的相贯（见图4），并分析比较两者的异同点，从而引导学生得出实体与实体相贯、实体与虚体相贯，甚至虚体与虚体相贯时其相贯线的异同点。

图3　圆锥体与三棱柱体相贯

图4　圆锥体与三棱柱腔相贯

（3）空间思维为核心的互动式教学举例。

在组合体木模画图训练时，先让学生各自画木模，接着让学生交换作业互评、互批，签上绘图和批改双方学生的名字上交作业，然后将典型的几种表达方案公示集体讨论。如此，在锻炼了学生的画图和读图能力的同时，也培养了学生的责任感。

又如，学生的尺寸标注作业，一般均会出现或多或少漏注一些尺寸的现象，此时若直接指出往往不能给学生以深刻的印象，因此可以将尺寸数在适当的时候加以公布，让学生根据空间结构利用形体分析自己检查和相互讨论，按尺寸数补够，以加深尺寸必须注全的印象，也可以让学生写上尺寸的顺序编号以检查学生是否真正按逐个形体分析的方法标注尺寸。

（4）预留课外思考提高题，激励学生自主学习教学举例。

在分析了投影面的平行面在与其平行的投影面上的正投影能够体现平面的实际形状和大小，而投影面的垂直面无法根据投影直接得到被投影平面的实际大小后，提示学生是否能够从改变投影面或几何元素两者的相对位置加以考虑，启发学生思考将投影面的垂直面转化为投影面的平行面，从而鼓励学生课外自学换面法和旋转法。

（5）鼓励学生自主设计作业教学举例。

例如，在完成点、直线和平面的学习内容后，要求学生每人自己出5道题，其中1～2题必须同时利用换面法和旋转法求解，并给出详细的求解步骤和结果。在组合体学习阶段，要求学生设计5个带有多个平面切割形成体或内孔相交等较为复杂的组合体，并作出视图解答，提高形体构形构思设计的能力。对于出完全自主设计题目的学生而言，若要达到题目的完全自主设计，学生就不得不查阅、比较分析更多的已有题目，从而迫使学生站到了教师的层面来分析、归纳、比较所学知识点，这也是培养学生能力的目标之一。

3.教学方法特点分析

本课程教学内容既有比较枯燥的投影理论基本知识、标准件常用件的规定内容，又有与实际工程结合密切的零件图和装配图，面对量大面广，学时数压缩的教学实际情况，在课程教学中融合了自主式和个性化的学习方式，采用了启发式的教学方法，营造了互动的学习环境。其主要特点如下:

（1）公共平台与综合提高相结合。在基于公共平台的基础上，加以综合提高，让学生在掌握知识的同时，培养学生的学习能力，提高自身的素质。

（2）由教为主向以学为主的转变。通过采用形体构思为主线的启发式教学、空间思维为核心的互动式教学、延伸拓展性知识点的自主式学习等方法和手段，实现了由教为主向以学为主的转变，培养锻炼了学生的自主学习能力。

（3）课内学习与课外学习的有机结合。借助于预留带有一定拔高性的课外作业，要求学生作阶段性自我命题等手段，进一步激励学生的自主学习积极性，促使学生在更高层次上对所学的知识进行系统整理和总结，实现了课内学习与课外学习的有机结合。

四、课程考核方法和支撑手段

1.课程考核方法

通过在课程内容的各个阶段，进行与课程进度相适应的方法多样的阶段性考核（笔试、讨论、小论文、小测验、上机操作等），将考核从单次的几小时拓展到整个学习过程，实现以结果评价为主向结果和过程结合评价的转变。

（1）“自主命题、自我测试、自行评价”的“三自”模式。该模式中，由学生自己出一份卷子，自己给出标准答案，并书写出卷和学习过程的体会，最后以PPT方式进行口头答辩。在学期开始，学生即被告知只有期中测验成绩位于班级前20%的同学才有资格申请期末的“三自”考试模式。如此，实际上有效地延长了考试时间，实现了学习过程与考试的有机结合。此外，鼓励学生针对学习中出现的任何一个知识点，也可以是面向知识点之间的关联，以撰写小论文的形式进行阶段考核。

（2）“自主设计、自我命题，自我测试”的“新三自”模式。在投影基础部分，除常规规定练习外，先下发10道难度基本相同且难度较大的附加题目，再要求自主设计5道题目，并且在最后的总分成绩中占5分左右，自主设计的题目应达到以下几方面的要求:难度上，5道题目难度与10道附加题接近，若有题目特别简单，不给分还将倒扣分；表达上，如果5道题目均采用计算机绘制，则额外加1分；创新上，如果标明某题为完全自主设计题目，且得到确认则额外再加1分。

显然，学生要完成这5道题目，至少需要搜索数十个甚至上百个题目，这不仅要求学生会做题，还迫使学生学会了分析题目的难易程度，同时又促进了学生对计算机绘图技巧的掌握。对于完全自主设计题目的学生而言，若要达到题目的完全自主设计，学生不得不查阅、比较分析更多的已有题目，如果学生确实综合了点、直线、平面等诸多要素以及平行、垂直、相交、交叉等诸多位置的各种情形，无疑在投影基础这部分内容中，站到了更高的境界，这也是我们需要着力培养学生能力的重要方面之一。

2.支撑手段

支撑以上教学方法、考核方法改革的主要手段如下:

（1）试题库建设。与规范面上考试模式相呼应，在早期的扫描输入点阵模式试题库的基础上，承担并完成了教育部新世纪网络课程工程项目——矢量化智能型试题库（V2.0）。该试题库组卷系统建有命题专家知识库，可以自动组卷，也可以人工组卷。根据试题的内容、难度对各试题自动分配分数。试题库系统对所生成的试卷可进行评价，能给出平均分数期望值（百分制），能对完成该试卷所需的时间进行估计，并提供各类试题的评分要点。

（2）触摸屏自学系统。建立了触摸屏自学系统，其中包括工程图学网络课程、《图学基础教程》配套课件、《图学应用教程》配套课件、《工程制图电子模型挂图库》等；开发了计算机实验演示系统，充分发挥计算机的优势，用更形象生动的形式来

表现二维和三维构型和构图，帮助学生拓展空间思维。

五、教学效果和推广性分析

1.教学效果

“工程图学”考试方法的改革自2002年开始试点，在统一期中测验的基础上，实施“三自”模式考核、撰写小论文等，2004年已在4000名学生中全面推行，2010年又开展了“新三自”模式改革，效果良好。典型的评价有:

竺可桢学院罗海燕（3013001126）同学写道:“我觉得出了这份试卷学到了很多东西。首先，我觉得出试卷时的复习和平时的复习是不同的。出试卷的时候，我是带着目的性去看书的，是以一个老师的身份揣摩学生的心理，把一些学生平时容易错的，应该掌握的内容加以整理。……”

汽车工程苏瑜（3030821008）同学写道:“通过课程的学习和考核，我们每个同学都学到了一种理念——设计！……大家宽广的发散思维，富有创造性的想法，五彩缤纷的想象让每个人的设计都与众不同，我们在这过程中学到的设计思想、开发的思维想象才是它真正的意义所在！”

2.推广性分析

“工程图学”课程教学方法的改革与考核方法的改革既具有工程图学课程的特色，同时又兼具一般课程适用的普遍性，因此，对于其他课程教学方法和考核方法的改革具有一定的借鉴意义。

面向学生学习的教学方法的改革，既激发了学生的求知欲，又促使全体教师不断地进行教学研究。自2001年以来发表了20篇相关的教改论文。通过多期“全国工程图学青年骨干教师高级研修班”和“工程图学”精品课程全国高校教师网络培训工作，引起了同行的广泛兴趣，借助于基地的辐射作用，正在同行中逐步推开。

六、课程教材及实验参考书

本课程依托1996年开始建设的国家工科基础课程工程图学教学基地，于2003年荣获首批国家级精品课程，2007年荣获首批国家级教学团队。该课程的教材和参考书主要为:

［1］谭建荣，张树有，陆国栋等.图学基础教程（第二版）.北京:高等教育出版社，2006

［2］陆国栋，张树有，谭建荣等.图学应用教程（第二版）.北京:高等教育出版社，2010

［3］陆国栋，施岳定.工程图学解题指导与学习引导.北京:高等教育出版社，2007