李炳強(qiáng) 葉福民 吳巨龍 劉金鋒 康超

摘要：本文針對(duì)新工科背景下融合現(xiàn)代信息技術(shù)的工程圖學(xué)教學(xué)模式進(jìn)行了探索，闡述了傳統(tǒng)工程圖學(xué)課程在人才培養(yǎng)中存在的問題；融合多種現(xiàn)代信息技術(shù)，提出以工程項(xiàng)目信息驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式，并在此基礎(chǔ)上，融入云計(jì)算以及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的信息技術(shù)，提高學(xué)生空間思維能力以及實(shí)踐創(chuàng)新能力，使學(xué)生能夠具備解決復(fù)雜實(shí)際工程問題的能力，完善新工科背景下的工程專業(yè)人才培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：工程圖學(xué)，教學(xué)模式，信息技術(shù)

中圖分類號(hào)：G642.0??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

伴隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”“中國制造2025”等國家重大戰(zhàn)略實(shí)施過程，教育部下發(fā)了《開展新工科研究與實(shí)踐的通知》，并先后啟動(dòng)諸多新工科研究項(xiàng)目與實(shí)踐課題。為了提高學(xué)生的跨學(xué)科融合協(xié)作性、溝通協(xié)調(diào)能力以及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，傳統(tǒng)的人才培養(yǎng)模式面臨著巨大的挑戰(zhàn)，順應(yīng)時(shí)代潮流開展工程教育改革已是迫在眉睫[1-2]。

工程圖學(xué)是研究工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)思想的信息表達(dá)、交流和傳遞的科學(xué)。它是工程學(xué)科的基礎(chǔ)，在工程教學(xué)體系中起著極其重要的基礎(chǔ)性作用。在課程開始時(shí)，基于投影原理，通過視覺思維建立三維模型和圖樣之間的關(guān)系。同時(shí)，根據(jù)工程標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范表達(dá)工程設(shè)計(jì)思想，最終使學(xué)生具備繪制和解釋零件圖的能力。工程圖學(xué)課程的教學(xué)以解決工程實(shí)際應(yīng)用問題為目標(biāo)，以設(shè)計(jì)能力以及表達(dá)能力為教學(xué)核心，以二維工程圖紙為研究對(duì)象，使得學(xué)生能夠做到用圖紙表達(dá)設(shè)計(jì)思維，同時(shí)也能看懂復(fù)雜工程圖紙，具備“讀圖”和“繪圖”的能力。

工程圖學(xué)以機(jī)械圖形作為對(duì)象，是機(jī)械工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程。通過圖樣表達(dá)工程設(shè)計(jì)思想與結(jié)構(gòu)實(shí)體，兼具理論性與實(shí)踐性，是高等院校工科專業(yè)的必修課，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的三維思維能力與圖形表達(dá)能力，特點(diǎn)鮮明，涵蓋知識(shí)面廣[3]。該課程對(duì)傳統(tǒng)工科的改進(jìn)升級(jí)和發(fā)展壯大提供強(qiáng)勁的基礎(chǔ)保障。因此，如何面向工程圖學(xué)課程創(chuàng)新教育理念，改進(jìn)教育方式方法，使其更好地滿足社會(huì)生產(chǎn)科研發(fā)展需求，是新工科背景下教學(xué)改革的重要研究課題。

近些年基于人工智能（AI）的現(xiàn)代信息技術(shù)迅速崛起，不斷涌現(xiàn)出機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘、物聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）等新技術(shù)，并與現(xiàn)代工業(yè)快速深入融合發(fā)展，驅(qū)動(dòng)著工業(yè)設(shè)計(jì)及制造領(lǐng)域網(wǎng)格化、智能化方向邁進(jìn)[1-2，4]?；诖耍疚年U述了工程圖學(xué)課程目前存在的問題，將現(xiàn)代信息技術(shù)與工程圖學(xué)教學(xué)深度融合，探索了融合現(xiàn)代信息技術(shù)的工程圖學(xué)教學(xué)新模式。

1?工程圖學(xué)教學(xué)中存在的問題

1.1?學(xué)時(shí)少

在現(xiàn)今的教學(xué)模式中，更注重綜合知識(shí)的培養(yǎng)，學(xué)生所學(xué)課程以及需要掌握的知識(shí)點(diǎn)日益增多。由于工程圖學(xué)課時(shí)分配較少，學(xué)生對(duì)該課程的知識(shí)點(diǎn)研究不足，更無法專注于解決工程問題?？梢哉f，該學(xué)科設(shè)置的課程長度都被嚴(yán)重縮短了。許多人沒有理解工程圖學(xué)教育的具體含義，無視其實(shí)際工作，認(rèn)為它僅僅是繪圖，學(xué)習(xí)內(nèi)容有限，導(dǎo)致該科目的課時(shí)嚴(yán)重減少，在如此捉襟見肘的學(xué)習(xí)時(shí)間內(nèi)，學(xué)生研究不足，無法掌握大量的知識(shí)焦點(diǎn)。

1.2?講授內(nèi)容減少

由于工程圖學(xué)課時(shí)被大大縮減，因此，教師在教學(xué)過程中所講授的內(nèi)容勢(shì)必減少。許多較為重要、需要詳細(xì)講授的內(nèi)容均被壓縮，使學(xué)生的知識(shí)掌握難以形成體系，也就不具備解決復(fù)雜工程問題的能力。教師更多地將注意力集中于畫法等基礎(chǔ)理論教學(xué)，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容缺乏深層意義的理解，沒有更多精力學(xué)好該門課程的全部重要內(nèi)容。在走上工作崗位后，所學(xué)的內(nèi)容偏少，無法滿足工作需要，學(xué)生需要進(jìn)一步豐富知識(shí)儲(chǔ)備來應(yīng)對(duì)工程問題。

1.3?忽視手工繪圖能力

在現(xiàn)階段的教育中，受到國家教育調(diào)控方針的影響，學(xué)生更加注重學(xué)習(xí)高精尖技術(shù)，將更多精力應(yīng)用于理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，而動(dòng)手能力則較差。很多學(xué)生更加注重計(jì)算機(jī)繪圖的能力，認(rèn)為手工繪圖已經(jīng)被時(shí)代拋棄，這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致傳統(tǒng)徒手繪圖以及尺規(guī)繪圖技能更多地被邊緣化，無法滿足現(xiàn)場(chǎng)繪圖的工程需求。學(xué)生錯(cuò)誤地低估了手工繪圖的重要性，認(rèn)為只有計(jì)算機(jī)繪圖才能符合行業(yè)發(fā)展所需。在工程現(xiàn)場(chǎng)繪圖以及測(cè)繪組合中，許多工作均要采用尺規(guī)繪圖甚至徒手繪圖，而消極看待手工繪圖的想法就會(huì)導(dǎo)致此類能力的缺乏，沒有在日常的課程中有意識(shí)地鍛煉自己的手繪能力，無法滿足工作需求。

1.4空間思維能力培養(yǎng)缺乏

在傳統(tǒng)工程圖學(xué)課程的教學(xué)過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生逐步構(gòu)建模型，比如形體分析法，對(duì)復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)開展形體分解，審視視圖，抓取特征，運(yùn)用投影技術(shù)還原出基本體，再綜合構(gòu)造整體。通常會(huì)配以實(shí)物模型或多媒體課件，幫助學(xué)生在腦海中構(gòu)建二維投影視圖與三維結(jié)構(gòu)的映射。當(dāng)完成相關(guān)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)后，會(huì)開展徒手繪圖以及零部件/裝配體的測(cè)繪等實(shí)踐。但課下沒有供參考的實(shí)物模型，也不存在培養(yǎng)空間思維能力的有效方法，學(xué)生的三維想象能力及抽象思維能力難以得到開發(fā)，導(dǎo)致看圖困難、學(xué)習(xí)效果差。在知識(shí)傳遞過程中，還是保持著灌輸?shù)慕虒W(xué)方法，無法激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性和學(xué)習(xí)熱情，缺乏空間思維能力的培養(yǎng)[5]。

1.5實(shí)踐創(chuàng)新能力不足

受到傳統(tǒng)“灌輸”式教育方法的限制，工程圖學(xué)課程在教學(xué)過程中還存在著輕實(shí)踐、重理論的弊端，實(shí)踐課時(shí)少且實(shí)踐資源缺乏，無法實(shí)現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新能力以及團(tuán)隊(duì)配合精神的培養(yǎng)，使得相關(guān)理論知識(shí)與工程實(shí)踐脫節(jié)，無法緊密結(jié)合，學(xué)生不具備完善的工程意識(shí)和創(chuàng)新能力，更缺少解決復(fù)雜實(shí)際工程問題的綜合能力和素質(zhì)。許多剛畢業(yè)的學(xué)生難以看懂復(fù)雜的工程圖紙，更無法面向工程問題實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)?？偨Y(jié)原因，工程圖學(xué)教學(xué)過程中，學(xué)生處在被動(dòng)學(xué)習(xí)狀態(tài)，無法實(shí)現(xiàn)較高的主動(dòng)參與度，也就無法培養(yǎng)出優(yōu)秀的思維創(chuàng)新和設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力。因此，如何打破工程圖學(xué)傳統(tǒng)的教育模式，建立新工科背景下融合現(xiàn)代信息技術(shù)的新型培養(yǎng)模式，對(duì)培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才具備深遠(yuǎn)的意義。

2?融合現(xiàn)代信息技術(shù)的工程圖學(xué)教學(xué)模式

面向工程圖學(xué)教學(xué)中存在的不足，結(jié)合多種現(xiàn)代信息技術(shù)，本部分提出了工程圖學(xué)教學(xué)的新模式。

2.1?工程項(xiàng)目信息驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新能力培養(yǎng)

高等教育心理學(xué)中有這樣的觀點(diǎn)，當(dāng)學(xué)生所學(xué)習(xí)的新知識(shí)與已有的知識(shí)或工作經(jīng)驗(yàn)具備聯(lián)系時(shí)，學(xué)生才能夠更好地理解并掌握新知識(shí)。學(xué)生都是由高中參加統(tǒng)一高考而入學(xué)，通常并不具備工程經(jīng)驗(yàn)，工程圖學(xué)課程是學(xué)生進(jìn)入高校學(xué)習(xí)的首批工科基礎(chǔ)課之一，課程講授的內(nèi)容與學(xué)生已有的生活知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系很少，因此，有必要開展更為有效的教學(xué)引領(lǐng)工作，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)能夠與工程實(shí)際更為緊密相連，這樣學(xué)生才能夠扎實(shí)掌握知識(shí)并具備解決復(fù)雜工程問題的能力。工程項(xiàng)目信息驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式是實(shí)現(xiàn)這種教學(xué)思想的重要方式方法。在課堂開始前，教師通過布置與當(dāng)堂課中所學(xué)知識(shí)點(diǎn)密切相關(guān)的工程案例及信息，并提供給學(xué)生解決該工程問題的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)和實(shí)施方案，化被動(dòng)為主動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生自主思考，通過主動(dòng)學(xué)習(xí)和實(shí)踐，得到解決該工程問題的最優(yōu)計(jì)算和實(shí)施方案，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和創(chuàng)新能力。

以激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性為中心，將工程項(xiàng)目意識(shí)貫穿教學(xué)全過程，從項(xiàng)目最初的2D草繪設(shè)計(jì)，到最終完整的3D建模及裝配，表達(dá)相互融合滲透，引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維，開發(fā)和訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新能力的提升。對(duì)學(xué)生的作品開展綜合性評(píng)價(jià)，使學(xué)生了解改進(jìn)設(shè)計(jì)的方向和措施，完成教學(xué)目標(biāo)的同時(shí)，大幅度提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

如圖1所示，將2D工程圖與3D建模的交互性貫穿于所有階段，充分挖掘?qū)W生的潛能，提高積極性。在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念，給學(xué)生展示創(chuàng)新設(shè)計(jì)作品的舞臺(tái)。例如將相貫線的繪制教學(xué)與矚目的西氣東輸項(xiàng)目相結(jié)合，鍛煉學(xué)生解決實(shí)際工程問題的創(chuàng)新能力?？梢栽O(shè)計(jì)討論小組實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目及教學(xué)難點(diǎn)的攻克，也可增添學(xué)科競(jìng)賽的方式激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新能力。

2.2?融合云計(jì)算的工程圖學(xué)教學(xué)模式

根據(jù)云環(huán)境下工程圖學(xué)課程建設(shè)特點(diǎn)，建立工程圖學(xué)私有云計(jì)算管理服務(wù)平臺(tái)，如圖2所示，建設(shè)豐富的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，貫穿工程圖學(xué)課程的方方面面。

教師在工程圖學(xué)云計(jì)算平臺(tái)發(fā)布教學(xué)任務(wù)，依據(jù)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)每次課的教學(xué)內(nèi)容。課前，教師發(fā)布教學(xué)任務(wù)后，要求學(xué)生觀看教學(xué)視頻，預(yù)習(xí)教學(xué)內(nèi)容。通過工程圖學(xué)云計(jì)算平臺(tái)，學(xué)生能夠做到學(xué)習(xí)有的放矢，自主學(xué)習(xí)，并參與在線提問和測(cè)試等環(huán)節(jié)，開展網(wǎng)絡(luò)討論和互動(dòng)等。教師可在工程圖學(xué)云計(jì)算平臺(tái)檢查學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，跟蹤分析學(xué)習(xí)進(jìn)度，對(duì)學(xué)生進(jìn)行提問和抽查，并計(jì)入平時(shí)成績(jī)中。

教師通過工程圖學(xué)云計(jì)算平臺(tái)講評(píng)繪圖步驟和過程，將相關(guān)理論的學(xué)習(xí)與工程圖學(xué)繪圖實(shí)踐緊密結(jié)合，保障學(xué)生最大程度地參與教學(xué)與實(shí)踐。下課前檢查學(xué)生理論與繪圖實(shí)踐的質(zhì)量，指出學(xué)生學(xué)習(xí)的薄弱環(huán)節(jié)，亦可作為平時(shí)成績(jī)。課后結(jié)合網(wǎng)上自主學(xué)習(xí)內(nèi)容以及課堂實(shí)踐繪圖及建模，總結(jié)問題，為下一次課程教學(xué)內(nèi)容做好準(zhǔn)備。根據(jù)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，調(diào)整授課計(jì)劃，布置對(duì)應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的作業(yè)，拓展學(xué)生知識(shí)面，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力和學(xué)習(xí)能力。

2.3?融合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的工程圖學(xué)教學(xué)模式

近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）的迅速攫取，為工程圖學(xué)課程的教學(xué)改革提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是由虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展而來的新興技術(shù)。將虛擬模型以及交互信息疊加，并與真實(shí)模型相融合，在工程圖學(xué)教學(xué)過程中，會(huì)使學(xué)生獲得超越現(xiàn)實(shí)的圖形體驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和解決復(fù)雜工程問題的能力。

融合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的工程圖學(xué)教學(xué)模式如圖3所示。學(xué)生可參與構(gòu)建并豐富模型庫，每個(gè)模型都具備相互關(guān)聯(lián)的檢索信息和裝配引導(dǎo)信息，應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)可靈活開展特征信息的描述和提取。裝配訓(xùn)練中運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)和圖像識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)位姿求解和裝配狀態(tài)檢測(cè)。應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)，通過佩戴頭戴顯示器，學(xué)生可自由穿梭于2D或3D信息場(chǎng)景及現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，讓學(xué)生更多地參與進(jìn)工程項(xiàng)目中，使得被動(dòng)學(xué)習(xí)成為主動(dòng)實(shí)戰(zhàn)，促進(jìn)信息的交互融合，激發(fā)學(xué)生的空間想象能力和創(chuàng)新能力，提高學(xué)生應(yīng)用理論知識(shí)解決復(fù)雜工程問題的能力。

結(jié)語

工程圖學(xué)的教學(xué)新模式探索如何以學(xué)生為中心，以工程需求背景為導(dǎo)向，融合現(xiàn)代智能信息技術(shù)，打破傳統(tǒng)教學(xué)模式的弊端，提高學(xué)生的空間思維能力和和實(shí)踐創(chuàng)新能力，培養(yǎng)出具有解決復(fù)雜實(shí)際工程問題能力的頂尖人才，為行業(yè)高水平發(fā)展提供保障。

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作者簡(jiǎn)介：李炳強(qiáng)（1986—??），男，博士，講師。