张京英，杨 薇，佟献英，张 辉，张 彤



构建基于OBE的立体化制图教学新体系

张京英，杨 薇，佟献英，张 辉，张 彤

(北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081)

以机械工程大类的“机械制图”课程为载体，以成果导向教育(OBE)理念为牵引，以课内教学为主线，整合和挖掘课外教学资源，依托“互联网+”的技术手段，搭建了基于主动学习能力培养的“线上线下融合式教学平台”；构建了“课内与课外相结合、线上与线下相结合、必修课与开放实验课相结合、教师与学生相结合、理论与实践相结合”的全方位立体化制图教学新体系。经过7年的教学实践及逐步完善，适度解决了课内学时有限、生师比高、实践教学欠缺、课外辅导力量不足、学生学习兴趣不高等长期困扰工程类基础课教学中的难题，收到了良好的教学效果，为工程类基础课程教学提供改革思路。

图学教育；成果导向教育；工程图学；混合教学；新体系

工程教育专业认证遵循成果导向、以学生为中心、持续改进3个基本理念，其对引导和促进专业建设与教学改革、保障和提高工程教育人才培养质量至关重要。成果导向教育(outcome based education，OBE)亦称能力导向、目标导向或需求导向教育，作为一种先进的教育理念已成为美国、英国、加拿大等国家教育改革的主流理念，且被工程教育专业认证采纳。用OBE理念引导我国工程教育改革，具有现实意义[1]。

“工程教育认证标准”注重能力的培养和业界需求，对课程的培养目标提出了更高的要求。华盛顿协议对毕业生的基本要求是必须掌握一定的数学、科学、工程基础和专业知识，强调具备解决复杂工程问题以及设计复杂工程系统的潜在能力以及现代工具的应用能力——能在复杂工程活动中创建、选择并应用合适的技术、资源、现代工程与IT工具，包括预测和建模等；同时还要求毕业生必须富有社会责任感，意识到工程与环境及可持续性之间的重要性，具有良好的职业道德，具有团队工作能力、沟通交流能力、项目管理能力和商业意识、自主学习能力和终身学习意识等。这体现了社会发展对人才知识、能力和素质的普遍要求，与当前社会需求及学生发展相适应，为制定工科人才培养方案和本科培养标准提供借鉴和启示。工程图学课程作为工程教育的先导课程对学生能力培养具有重要的地位和作用[2]。北京理工大学工程图学教研室以机械工程大类的“机械制图”课程为载体，以OBE的教育理念为牵引，参照国外一流大学的教学理念和模式，强化师生互动、生生互动和实践教学，在工程基础课中改革和创新工程教育人才培养新模式，充分调动教师和学生的积极性和创造性，构建了以课内教学为主线，课内与课外相结合、线上与线下相结合、必修课与开放实验课相结合、教师与学生相结合、理论与实践相结合[3]的全方位立体化制图教学新体系(图1)，适度解决了课内学时有限、生师比高、实践教学欠缺、课外辅导力量不足、学生学习兴趣不高等长期困扰工程类基础课教学中的难题；以制图类学科竞赛促学、促教，持续改进，构建了课程改革、实践教学及学科竞赛一体化的人才培养新模式。

图1 立体化制图教学新体系

1 以业界需求为导向，整合教学内容，实现传统制图与计算机二维及三维设计软件一体化教学

信息技术的发展为传统制造业所涉及的各种技术带来了冲击与改变。多元化计算机辅助技术(computer aided X, CAX)包括：计算机辅助设计(computer aided design，CAD)、计算机辅助工艺规划(computer aided process planning，CAPP)、计算机辅助工程(computer aided engineering，CAE)等技术，其替代了原有的图纸设计模式，使设计、装配等繁琐流程可以借助计算机完成[4]。如今计算机二维及三维设计软件已融入到工程图学课程的教学之中。

工程图学课程的基本任务是培养构形、表达、读图及制图能力，每种能力中既有对二维也有对三维能力的要求。我国高校对于在工程图学课程中引入三维几何建模教学采用“外挂式、分段式、融合式”等方式[5-6]，“外挂式”、“分段式”教学多是将工程制图传统教学、计算机二维绘图(AutoCAD等)和三维设计软件(Inventor、Solidworks、UG等)课程分别设置在不同学期进行，学生在学习各课程之间相关知识点时常会出现遗忘，教师在传统制图理论教学中常使用实物模型或制作电子立体模型帮助学生理解“二维图”与“三维物”之间的对应关系，由于立体模型的数量有限，不足以覆盖到教材和习题集中涉及的全部内容。“融合式”引入的思想是将三维建模的原理、方法和技能融入、渗透到工程图学课程中，形成新的教学体系、教学内容和过程[6]，课程之间相关知识点的教学可相互支撑。

北京理工大学以多学时“机械制图”课程为依托，打破传统制图课程与计算机二维及三维设计软件课程教学的界限，整合相关知识点的教学内容，实现传统制图与计算机二维及三维设计软件的一体化教学。

1.1 《机械制图I》中的一体化教学

借助计算机三维设计软件，将传统制图教学中“由二维想三维”的“读图”过程用计算机进行三维呈现，并通过投影生成工程图将“由三维画二维”的“画图”过程进行二维表达。

在“立体的截交、相贯、组合体、图样画法”等教学环节，穿插讲授三维设计软件的三维建模和二维投影表达。三维建模的过程就是运用“形体分析法”中“读图”过程的三维呈现，学生在建模的过程中能更深刻地理解“形体分析法”的意义和作用，同时对尺寸的分类以及尺寸标注的要求有较深刻的理解；通过投影生成工程图，可更好地体会“三等规律”的含义以及图线、线框与立体结构之间的对应关系，可与“由二求三”尺规作图进行对比，自我检验读图、绘图正确性。

学生掌握了三维设计软件，便可根据二维视图进行三维建模，全方位动态地观看立体，使二维图样“立”起来，激发学生的学习兴趣；通过投影生成二维工程图检验三维建模的正确性。传统制图教学与三维设计软件的教学互相促进、相得益彰(图2)。

图2 组合体的三维建模及工程图

在讲授“制图国标及平面图形绘制”时，及时讲授用AutoCAD绘制平面图形，通过“图幅、图框、线型、线宽、字体样式、尺寸样式”等的正确设置，及时复习、巩固国标中的相关规定；通过正确完成几何图形的绘制复习、巩固几何作图的要点、同时完成二维绘图软件的教学，二者相辅相成，加深印象。

在讲授图样画法时，再次利用AutoCAD绘制剖视图，并与尺规作图以及三维设计软件投影练习一同巩固和强化图样画法教学内容，从而实现将传统制图与计算机二维及三维设计软件一体化教学，如图3所示。

图3 《机械制图I》的一体化教学

北京理工大学《机械制图I》共48学时(第一学期)，含16学时上机和尺规绘图实践。在完成“几何作图、组合体、图样画法”3次尺规作图大作业和习题集小作业的基础上，还要完成“几何作图、图样画法” 2次AutoCAD电子作业和“截交相贯、组合体、图样画法” 3次Inventor (或UG)电子作业。期末总评成绩的构成：15%尺规作业(含考勤)+15%电子作业+70%期末考试。

1.2 在《机械制图II》中的一体化教学

以“项目驱动”的理念整合机械制图(II)的教学内容，引导学生完成涵盖标准件、常用件、轴系、各类典型零件和装配体的学习以及零件图和装配图的绘制，分阶段完成装配体(如：齿轮油泵或齿轮减速箱)的全套建模、虚拟装配、运动仿真以及生成工程图，如图4所示。

图4 《机械制图II》的一体化教学

(1) 充分利用Inventor(或UG)三维设计软件中标准件库的强大资源及设计加速器的功能，完成螺纹紧固件及轴系中相关零件的建模、调用、装配和投影，强化学生对常用标准件的国标代号、规格尺寸、结构、用途以及装配关系和投影的认知。

(2) 用AutoCAD绘制零件工程图，巩固典型零件的表达及零件图中相关内容。

(3) 对装配体中各零件进行三维建模并生成二维零件工程图，使学生充分理解各类零件的结构形状、尺寸标注及投影表达。

(4) 通过虚拟装配并生成装配工程图，深刻理解零件在装配体中的位置和作用，掌握装配工程图的绘制。

(5) 通过运动仿真及拆装动画，深入了解装配体的工作原理及装配过程，提高工程认知。

这种项目驱动式一体化教学，不但使二维工程图样“立”起来，还能“动”起来，二维工程图样不再是抽象和难以想像的。很多学生对三维模型进行精心渲染并对制作的装配体工作原理运动仿真和拆装动画配乐，使三维表达有声有色。传统的制图理论教学与现代设计技术手段教学的有机结合，使教学不再是枯燥难懂的，而是生动、有趣、有吸引力的，大大提高了学生学习的积极性和主动性。

《机械制图II》共48学时(第二学期)，含16学时上机和尺规绘图实践学时，其中部分上机实践以项目小组课外完成。在完成习题集小作业的基础上，再分别完成1张AutoCAD零件图、螺纹紧固件尺规图、A2齿轮油泵装配图尺规图以及螺纹紧固件连接及轴系装配三维电子作业以及一套装配体项目作业，课程结束前进行小组汇报展示。期末总评成绩的构成：20%尺规作业+20%电子作业(含项目作业)+60%期末考试。

1.3 在《数字化设计表达实训》实践周中强化项目驱动实践教学

以装配体为起点进行测绘或以装配图为起点进行拆画，以小组为单位完成《机械制图II》中装配体项目全套作业，形成实验报告。教学中强化过程管理，注重能力的培养和协作学习，使所学知识得以融会贯通。

实践周(一周)32学时，课程结束时各小组汇报、展示学习成果，注重能力培养和协作学习，巩固教学效果。

2 引入基于OBE能力培养的教学理念及团队协作学习模式

如前所述，在传统制图教学内容基础上又增加了计算机二维及三维设计软件的教学，如此多的教学内容和作业量在没有增加学时的基础上若沿用以往的教学模式是难以完成的。为此，引入基于OBE能力培养的“项目驱动”同伴式学习的教学理念，特别是在《机械制图II》中，依托三维设计软件，以装配体为载体设计项目作业，各班分成项目小组完成装配体的三维建摸、虚拟装配、工作原理运动仿真及拆装动画，并投影生成零件工程图和装配工程图。

教师提前在第二学期初公布项目作业并确定学习成果，使得最终学习成果既是OBE的终点又是起点。随着教学内容的深入，分段布置阶段作业，如图4所示。各项目组组长负责分解任务，组员分工合作，共享三维建模零件完成项目作业。在项目完成过程中，同学之间必须充分沟通，互相协作，一个错误的尺寸或建模都会影响到其他同学的装配和最终作业的完成，因此必须要有团队精神和责任心，形成团队协作的学习模式。在课程结束前各小组汇报展示，且互评打分，可进一步提升学生对所学知识的理解和再认识(图5)。

图5 小组汇报展示

3 依托“互联网+”技术手段，搭建基于主动学习能力培养的线上线下融合式教学平台，探索以学生为中心的教学新模式

以学生为中心，要解决学生“学”的问题。在未增加学时的情况下增加了计算机二维和三维设计软件的教学内容，必须将课堂教学延伸到课外方可完成教学任务。MOOC为解决问题提供了有效的技术手段。

本文教学团队根据教学需求在“中国大学MOOC”平台(http://www.icourses.cn/)开设了《工程图基础及数字化构型》和《机械制图及数字化表达》慕课课程，分别对应北京理工大学《机械制图I》和《机械制图II》本科课程。

3.1 课前预习、自测，课内加强实践应用

将教学知识点以授课视频的形式上传到慕课在线课程平台，要求学生课前预习，充分利用线上教学资源完成知识点的学习。慕课教学可使学生按照自身需求随时随地学习请教，并能反复学习和复习。

通过在线完成选择、判断等客观自测题，并由系统在线实时批改，从而督促和检验学生的预习效果。客观自测题可提供多次答题机会，以巩固学习效果。

线下的课堂教学则增加讨论和实践的时间比例，侧重解题、绘图、上机操作实践指导，以综合例题覆盖相关知识点，突出知识点的综合应用。

课内学时有限，课外以学习小组形式同伴式学习，互相帮助，充分讨论，共同提高。这样线上线下相结合的混合教学模式，充分体现了以学生为中心的教育理念，可有效提高学习效果。

3.2 计算机设计软件个性化“翻转”教学

由于计算机设计软件的教学实践性强，学生对计算机软件的掌握程度差异较大，很难“齐步走”，必须采用个性化教学。因此，计算机二维及三维设计软件的教学内容采用依托慕课的翻转课堂形式：学生根据自己的速度学习指定的教学视频，根据作业要求和评分标准在线提交电子作业，并在指定时间参加互评。互评的过程也是再学习的过程。教师在课内教学中的主要任务是设计作业题目，给定评分标准，指出软件操作中的要点，针对学生操作中遇到的困难和具体问题进行个性化辅导。

3.3 后台数据、在线答疑，多种资源助力教学

慕课后台的数据统计可帮助教师及时了解学生的在线学习状况，以便有针对性地开展教学；教师的答疑，从线下的见面答疑扩展到利用线上的讨论区与学生互动，以及利用微信、QQ、邮件等多种形式个性化在线答疑，线上线下师生充分互动，能有效促进师生之间、学生之间资源共享、互动交流以及学生自主式与协作式学习。

为了帮助学生提高工程认知，在慕课中增加了学生欠缺的机加工相关视频；慕课中展示学生的优秀作业，以榜样的力量激发学生的学习兴趣，增加学生对工程的热爱。

为了更好地与线下教学对接，采用基于慕课的异步SPOC[7-8]，发布时间灵活，并可有针对性地增加教学资源。同时，借助“北理在线——乐学”网络课堂平台以及我校建设的国家级《工程制图》精品共享课的网络资源辅助教学，搭建了线上线下融合式一体化教学平台，为学生提供多样化的学习资源，引导学生自主学习，培养终身学习的意识和自学能力。

4 选修课和“第二课堂”助力教学改革，竞赛检验，促学促教，持续改进

4.1 开设制图类实验选修课和开放实验课——加强实践教学，提升学生的工程素质

为了提高制图实践能力，在课内加大了实践教学的比例，课外开设以实践教学为主的《基于制图的二维和三维工程能力训练》的开放实验课和实验选修课，弥补课内实践教学欠缺的问题，进一步强化和完善实践教学，提升学生的工程实践能力和工程素质，使优秀学生脱颖而出。

4.2 参加制图类学科竞赛，促学促教，持续改进

积极组织参加北京市及全国制图类学科竞赛以及机械产品数字化设计竞赛，既可使优秀学生脱颖而出，以点带面，带动和激发周围学生的学习热情，又可发现教学中的问题和不足，从而检验教学成果，以赛促学，以赛促教，持续改进。

北京理工大学2014至2018年连续5年组织参加全国大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛，2015至2018年连续4年参加北京市大学生工程设计表达竞赛，均获得团体一等奖和诸多单项奖。这些脱颖而出的优秀学生在后续的机械产品数字化设计大赛以及一系列学科竞赛中都成为骨干力量。

4.3 组建学生学习型社团，助力教学改革

以高年级制图类竞赛获奖学生为主体组建学生学习型社团。学生们在教师的指导下利用课外时间深入钻研计算机三维设计软件，组队参加数字化设计等系列科创活动和比赛；并组织对低年级的学生进行课外辅导和培训，形成“第二课堂”；自发组织3D打印比赛并协助组织校级制图比赛，助力教学改革。每期参加社团活动的低年级学生可达200余人，在各教学班的项目小组的学习中成为骨干、高手，起到了很好的带动作用。学生完成的项目作业以及小组展示的作业作品无论是三维设计建模、装配、运动仿真，还是生成的二维工程图表达，质量逐年提高。同伴式学习，营造良好的学习氛围，弥补课内学时有限和课外辅导力量不足的问题，提升学生的综合素质。

5 效果与展望

“基于OBE的立体化制图教学新体系”贯彻了工程教育专业认证的3个基本理念“成果导向、以学生为中心、持续改进”。从2011年起，经过7年多的摸索与实践，已逐步完善，每年有500余名北京理工大学机械工程和车辆工程大类学生从中受益，至今已累计3500余人。该体系的教学效果未以学习成绩作简单对比，是因为同一教师同时授课的班级之间也会出现整体分数存在差异的情况。本教学体系更关注学生反馈的学习效果和作业完成的质量，发现问题及时调整，持续改进。该体系环环相扣、互相支撑方能较好地在有限的课内教学学时完成如此大量的教学任务。新体系的正常运行还需要学校的政策支持以及教师更多的辛勤付出。

该体系中的教学内容及教学思想已在《工程图基础及数字化构型》和《机械制图及数字化表达》2门慕课中有所体现。其中《机械制图及数字化表达》已被认定为国家级精品在线开放课程。

以课内教学为主线，课内与课外相结合，教师与学生相结合，使制图课程教学逐步实现从灌输课堂走向对话课堂、从封闭课堂走向开放课堂、从知识课堂走向能力课堂、从重学轻思向学思结合转变、从重教轻学向教主于学转变，探索新型工程人才培养的新模式，为培养未来优秀的工程类人才打下坚实的基础。

[1] 李志义. 解析工程教育专业认证的成果导向理念(OBE) [J]. 中国高等教育, 2014(17): 7-10.

[2] 张京英,佟献英,杨薇. “互联网+”时代图学教育现状调查与研究[J]. 图学学报, 2017, 38(6): 919-924.

[3] 杨薇, 张京英, 张辉, 等. 机械制图三结合实践教学模式的探索[J]. 图学学报, 2014, 35(1): 127-130.

[4] 李清, 唐骞璘, 陈耀棠, 等. 智能制造体系架构、参考模型与标准化框架研究[J]. 计算机集成制造系, 2018, 24(3): 395-549.

[5] 张京英, 罗会甫, 张彤, 等.三维造型设计与工程图学的有效融合[J].工程图学学报, 2010, 31(6): 151-154.

[6] 童秉枢, 易素君，徐晓慧.工程图学中引入三维几何建模的情况综述与思考[J].工程图学学报, 2005, 26(4): 130-135.

[7] 费少梅, 王进, 陆国栋.信息技术支持的SCH-SPOC在线教育新模式探索与实践[J].中国大学教育, 2015(4): 57-60.

[8] 曾明星, 李桂平, 周清平, 等.从MOOC到SPOC: 一种深度学习模式构建[J].中国电化教育, 2014, 35(11): 28-34.

Constructing a New System of Three-Dimensional Engineering Graphics Teaching Based on OBE

ZHANG Jing-ying, YANG Wei, TONG Xian-ying, ZHANG Hui, ZHANG Tong

(School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Based on a new system of integrated mechanical engineering teaching within an Engineering Graphics curriculum, following the outcome-based-education (OBE) concept as a key guideline, mainly relying on in-classroom format of teaching, integrating and exploring additional extracurricular teaching resources, this study constructs an “online-to-offline integrated teaching platform” that promotes students’ ability and motivation for learning using various “Internet+” technologies and tools. This new and all-around multi-dimensional Engineering Graphics teaching system “integrates in-class learning and after-class learning, combines online tools and offline tools, brings together mandatory courses and open-ended hands-on experiment courses, bonds teachers with students, and integrates theory and practice.” Through seven years of practical teaching experience, the system has gradually improved, and could reasonably resolve some common problems that have previously troubled lots of teachers of fundamental-level engineering curriculum--problems such as insufficient scheduled hours in class, excessively high student-teacher ratio, lack of hands-on experiments or practice, insufficient after-class supplementary assistance, and students’ relatively low self-motivation in learning. Decent teaching results have been observed through the new system, and can provide some reformatory ideas for teaching basic engineering curricula.

graphics education; outcome based education (OBE); engineering graphics; mixed teaching; new system

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2019010201

A

2095-302X(2019)01-0201-06

2018-06-06；

2018-07-01

张京英(1963-)，女，北京人，教授，博士，硕士生导师。主要研究方向为机械制造及其自动化、工程图学、CAD等。E-mail：zjy2721@bit.edu.cn