基于图形逻辑的工程制图课程改革与研究

基金项目：国家自然科学基金青年基金“基于中弧面构型的叶片机器人双百叶轮对称抛磨轨迹规划及控制策略”（52105474）；山西省教改项目“基于‘两性一度’的《工程制图》课程改革研究与实践”（J20220144）

第一作者简介：刘佳（1987-），女，汉族，山西大同人，博士，副教授，硕士研究生导师。研究方向为精密零件表面光整加工技术。

*通信作者：梁国星（1974-），男，汉族，山西河曲人，博士，教授。研究方向为精密切磨削加工理论与技术/超硬磨料工具制备理论与技术。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.22.034

摘  要：围绕传统工程制图课程在教学过程中存在学生图与形思维转换困难、图学知识实际应用效果不佳的问题，课程围绕“高阶性”构建基于形体特征构形和集合运算理论的数学、计算机、图论相互融合的课程内容。教学过程以学生为中心，实施“视-触-感”一体化，“线上”+“线下”两条腿，“课前”+“课中”+“课后”三阶段有机结合的创新性教学方法，确立师生共同参与的可持续改进协同式教学评价体系，最终形成一套具有挑战度的应用“图论-形数-逻辑”方式学习工程制图、增强工程规范意识和创新意识的新方法。培养科学思考图学问题的习惯和能力，为“双一流”学科建设培育具有敬业、精益、专注的大国工匠人才。

关键词：工程制图；教学改革；图形逻辑；特征构形；集合运算

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）22-0140-04

Abstract： Focusing on the problems of traditional Engineering Graphics courses in the teaching process， which is that students have difficulties in the mind transformation with graphics and shape and practical application of graphics knowledge， this study builds a curriculum system according to "high-level nature" which integrates mathematics， computer and graph theory into course content based on graphical feature configuration and set operation theory， and the teaching process is student-centered， implementing innovate nature teaching methods， which combine "sight-touch-sense" integration， "online" + "offline" two ways and three stages of "before class" + "during class" + "after class" organically. As the establishment of a sustainable collaborative teaching evaluation system of improvement with the teachers and students participation， a set of challenge extent new methods with the application of "graphic theory-mathematics-logic" approach is finally formed for learning engineering graphics， enhancing the awareness of engineering norms and innovation， which will cultivate the habit and ability to think scientifically about graph logical problems， and cultivate great artisan talents with dedication， leaning and concentration for the construction of double-class disciplines.

Keywords： Engineering Graphics; teaching reform; graphical logic; feature configuration; set operation

工程制图是一门以图形为研究对象，用画图表达设计思想的专业技术基础课，是学生学会用工程语言表达设计思想、传递设计概念的基础，也是学习后序专业课程不可缺少的奠基石，为今后进行创造性设计和处理工程实际问题奠定基础。

工程制图于20世纪50年代引入我国[1]，虽然经过了一系列的教学改革[2]，但教材内容改革整体甚微，在教学内容、教材、授课方法和评价方式上不能很好满足信息化时代背景下新工科大学生对知识汲取的需求，主要表现在以下几个方面。

首先，教学内容侧重于课程本身知识的传授，注重投影规律，忽略形体的构形理论，无法建立形体之间的逻辑关系，学生“图与形”思维转换困难。

其次，教学环节重制图技能，轻基础理论与工程设计能力培养，制约了学生对课程深层次的理解，学生图学知识实际应用效果不佳，不能很好满足生产实际对三维实体建模、3D打印等前沿技术的需求，缺乏解决复杂工程问题的基本能力。

再次，教学过程授课方法相对单一，课堂教学环境封闭，授课模式与当下学生获取知识途径不一致，学生被动接受，轻思轻问，无法及时反馈学习效果，学生的想象力、观察力及创新力难以得到高效培养。

最后，考核方式注重期末成绩，期末成绩构成中考试成绩所占比重大，使得考核结果片面化，导致考前突击学习现象普遍，忽视了学习过程的考核，考试内容与图学竞赛、图学理论脱钩。

以上问题都会影响到高质量人才的培养，不利于创新型人才的培育，更不符合“双一流”建设学科“重基础、宽口径、大纵深”的人才培养目标。因此，对工程制图课程存在的问题进行改革并付诸实践显得尤为必要。

一  工程制图课程改革现状

目前，工程制图课程的改革方式大致可以归纳为以下三类。

（一）  基于软件技术的工程制图课程教学改革

将多媒体技术和三维实体建模软件，如三维CAD、UG、Pro/E、Solidworks等广泛应用到工程制图课程教学改革中[3-5]。多媒体技术和三维实体建模软件的使用，使抽象的视图变得更加直观，所有零部件实例都可以构建模型，使学生能从整体到局部地认识零件的空间结构，由表及里地了解各组成部分之间的联系，有助于学生空间概念的逐步形成，提高学生的学习兴趣，课堂教学效率获得很大提高。同时，建立实物模型进行教学，对于一些学生比较难理解的内容，能起到事半功倍的效果，如相贯线的求解和三视图的绘制等，形象生动，学生更易于理解接受。

优点：提升学生学习兴趣，突出培养学生空间思维能力和工程设计能力。

弊端：由于学生空间构形思维能力弱，缺乏系统训练，难以根据所见到的构件或零件二维视图进行正确的三维模型构建，从而感到学习枯燥没吸引力。

（二）  基于网络技术的工程制图课程教学改革

利用互联网技术将翻转课堂、线上线下混合式教学应用于工程制图课程教学中是目前教学改革中重要的改革措施[6]。翻转课堂、线上线下混合式教学的共同点是需要学生主动在网络上进行学习，观看教师提供的学习资料，从而拓展课堂教学信息。在课堂中，有效利用各种教学方法，如分组讨论、教师引导、师生互动等，完成知识的进一步消化吸收。

优点：符合当代大学生知识获取途径，提升学生对课程学习的主动探索欲和创新主观能动性，加强学生空间想象力的培养。

弊端：学生主动网络学习是实现翻转课堂、线上线下混合式教学的前提条件，在现有学生课程安排体系下，存在教学过程连贯性差，知识内容分散，教学内容无法深入展开的问题。

（三）  基于图学竞赛的工程制图课程教学改革

围绕图学知识竞赛内容进行工程制图学习，组织学生参加各级图学竞赛，为学生搭建创新学习、交流、展示个人才能的平台。对于一个具体竞赛，教师不能逐个知识点进行讲解，需要学生进行自主学习，可以有效提升学生技能创新水平。通过这些课外相关竞赛活动，从根本上解决学生“为什么学习”工程制图的问题，使学生重视学习并认真掌握制图基础知识和技能，提高工程意识和创新意识。

优点：提升学生解决工程问题的能力及技能，促进理论学习向实践能力的转化，提高学生图学知识应用能力，强化学生工程实践能力。

弊端：强调提升学生的图学素养，专业制图知识缺乏严重。

上述三种工程制图课程教学改革本质都为教学方法上的改革，利用三维建模软件、线上教学资源及项目、竞赛引导，实现以学生为中心、教师为主导的教学改革。借鉴以上三种教学改革模式的优点，根据现阶段工程制图课程改革中存在的问题，在“双一流”学科建设与发展方向上，本文阐述了基于“两性一度”的工程制图课程改革与研究。

二  工程制图课程改革方案

（一）  课程内容改革

针对目前教学内容侧重于制图基础知识的传授，注重投影规律，忽略形体的构形基础理论，无法建立形体各组成部分之间的逻辑关系，导致学生“图与形”思维转换困难这一难题，依据学生认知特点和教学背景，重构教学内容，重新编写教材，强化形体特征构形理论和集合运算理论，并通过3D软件自学和集合体3D打印培养学生工程实践能力，注重工程实际锻炼，增强工程意识（图1）。

图1  课程内容重构

重构的教学内容将特征构形理论、集合运算理论、数据结构分析与集合体特征构形3D打印融入课程原知识体系，从而形成具有数学、计算机、图论相融合的工程制图理论知识支撑的新学习体系。新学习体系以制图国家标准为主线，投影理论、构形投影理论、专业制图内容紧密联系，互为支撑。重构的课程内容注重图形理论学习的逻辑记忆，兼顾特征构形、集合运算与实践操作，遵循“视-触-感”的认知规律，解决了工程制图学习过程中学生对图形分析、理解、掌握困难的问题。

（二）  教学模式改革

针对教学过程授课方法相对单一，教学环节重制图技能，轻基础理论与工程设计能力培养的问题，在教学方法上，重在图形逻辑的解析，在教学过程中强调以学生为中心，创建“线上”+“线下”两条腿，“课前”+“课中”+“课后”三阶段有机结合的教学模式，让学生在课堂上更多地发挥主观能动性，改变以往被动的学习方式（图2），形成“视-触-感”一体化依次递进相互衔接的教学方法。

图2  教学方法

1  投影理论，“视觉”引导式教学

学生通过课前观看线上教学视频及其他教学资源，了解知识背景，完成自主学习。课中从学生和老师的互动做起，采用板书和PPT结合的方式讲解投影基础理论，在对重点、难点进行分析讨论的基础上，设计“群课堂”进行问题讨论、随堂测试，强化学生基础理论。通过教师引导、生生讨论、师生互动，建立自由课堂环境，将投影基础理论知识点内化。课后为学生创建微信群、QQ群自学答疑平台，并提供中国大学慕课自学链接，完成教学内容自主复习。