何岚岚 张海光 胡庆夕

（上海大学工程训练国家级实验教学示范中心，上海市 200444）

一、引言

继德国提出“工业4.0”，美国、日本、中国相应提出“工业互联网”“工业智能化”“中国制造2025”，掀起了第四次工业革命的浪潮。为主动应对这一轮新的科技革命与产业变革，2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，支撑“中国制造2025”等一系列国家战略，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”，全力探索形成领跑全球工程教育的中国模式、中国经验，助力高等教育强国建设。“新工科”（Emerging Engineering Education:3E）是基于国家战略发展新需求、国际竞争新形势、立德树人新要求而提出的我国工程教育改革方向。“新工科”的内涵是以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才。它具有战略性、创新性、系统化、开放式的特征。对新工科的“新”可以理解为两个方面:一是针对新兴产业的专业，如人工智能、智能制造等；二是对传统工科专业的升级改造。建设新工科并不等于一味增加新工科专业，更应注重传统工科的改革，它为新工科建设提供了重要基础。机械工程是传统的工程专业，在现代工业领域中占有重要的地位，其人才培养课程体系的构建也应紧跟形势，为国家培养工程实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型“新工科”人才。《工程制图》课程是重要的专业基础课，对于《工程制图》课程的改革也一直进行着，如王熙雏等对电气工程类专业的《工程制图》课程进行改革，从教学内容，教学模式和考核方式等进行探讨研究，制定了适合该专业的《工程制图》课程模式，取得了一定的成效，提高了学生的创新实践能力；更多是探讨针对该课程教育中存在一些具体的问题从而改进教学方式研究，注重学生的能力培养；穆志浩是顺应时代特征的《工程制图》课程改革，该文提出工程教育专业认证背景下的工程制图课程改革，体现以学生为中心的教育理念，培养适应区域发展和国际化需求的工程技术人才。新工科建设如火如荼，传统专业基础课程更不应该一成不变，特别是以往工程制图的授课方式已经出现一系列问题:课堂主要是以老师主动式传授，学生被动式接受，课堂多现“低头族”，不符合新工科“以学生为中心”的理念；手绘几张工程图纸作为检验课堂效果的标准，费时效率低，跟不上计算机辅助设计（CAD）时代的步伐，并且与新工科重实践的初衷相悖，学生在学完课程后进入课程设计或毕业设计环节时，绘图实践能力欠缺，指导老师苦不堪言。因此针对以往《工程制图》课程传授存在的问题，并且顺应新时代工程技术人员培养的目标，提出了新工科背景下的《工程制图》课程改革，将目前流行的CAD软件-CATIA引入了工程图学教学中，以全国大学生综合能力竞赛命题小车为教学载体，完成三视图、剖视图、螺纹连接、零件图、装配图等理论知识传授，采用CATIA软件经历从三维建模到二维工程图纸的绘制等一系列流程，既完成了工程图学理论知识的传授，又培养了学生的计算机绘图能力，而且将项目教学渗透到课程中，将竞赛命题作为一个课程大项目，学生需完成方案设计、图纸绘制，很好地培养了学生的工程思维能力和实践能力。此次改革内容针对传统专业的基础课程，是新工科内涵中典型的“旧瓶换新酒”类型。

二、改革内容

1.改革必要性

众所周知，所有工科专业中，机械类专业对制图课的要求最高，因此必须保证改革后的制图课教学满足专业目标要求，顺应新工科形势。

传统的工程制图课程覆盖两个学期，第一学期的内容从投影的基本概念开始，按照点的投影、线的投影、面的投影、基本立体投影、立体截交、立体相贯、立体组合(组合体)，形体表达方法，循序讲授，这部分内容偏理论；而第二学期的机械制图部分包含三视图、螺纹连接、齿轮、弹簧等零件知识和再装配知识，这部分内容注重应用，与后续的课程设计、毕业设计紧密相连，直接影响学生绘图与看图能力的培养。而以往的教学模式主要是讲练结合，辅以大量的课外练习（计算机绘图或徒手绘图），没有项目驱动或是整体案例规划，缺乏对学生创新思维或项目实践上面的训练，与新时代人才要求脱节，特别是新工科形势下，对人才培养提出了新的标准，如果按照原有的教学模式教学，必然不能适应人才培养的教学要求。因此本文针对第二学期的《工程制图》课程内容提出改革，将CATIA软件作为绘图工具，以全国大学生工程能力综合竞赛命题的无碳小车为载体，如图1、2所示（无碳小车爆炸视图和装配图），实践无碳小车的三维零件图和装配图，并将理论知识穿插其中，学生应该学的工程制图基础知识、三视图、零件工程图和装配工程图等知识点并没有减少，并且新增加了从三维建模到工程制图的正向设计流程，既完成了基础课程的传授，又培养了学生的创新实践能力，为培养实践型和创新型复合新工科机械专业人才提供了途径。

图1 无碳小车爆炸图

图2 无碳小车工程图

2.课程内容

课程内容以无碳小车为载体，包含常用的典型机械零件类型和标准件，难度适中，非常适合做教学案例。无碳小车结构图如图3所示，其中的转向机构中有转向轴、绕线轮、轴承等典型零部件，涵盖了轴套类零件（转向轴）、盘类零件（绕线轮）等大部分典型机械零件类型以及螺纹连接件、轴承、齿轮、弹簧等标准件和常用件，将该学期的《工程制图》的所有知识点（零件图知识、标准件与常用件知识和装配图知识）展露无遗，通过案例的形式使理论知识传授的更加生动形象，有利于学生融汇贯通。

图3 无碳小车知识结构图

将三维CAD技术引入了工程图学教学中，使传统工程制图的理论知识与三维CAD的实践技能很好的结合在一起，实现了理论与实践教学的紧密结合。传统工程制图的理论知识与操作技能没有很好的结合，学生通过空间想象生成工程图，不但复杂而且容易出错。而改革后，学生可以通过CAD软件三维建模过程理解典型零件的结构，淡化了相贯线等知识难点，突出零件特征及制造工艺性等知识点，同时将传授通过三维模型利用图学知识，生成工程图，准确清楚表达零件及产品信息的实践能力。图4为前轮上架的教学示例，学生可完成单个零件建模，前轮子装配图虚拟装配，无碳小车总装配，以及各个部分的工程图，既能体现从建模到装配的纵向知识又体现了从零件到工程图、装配到工程图的横向知识，这是传统的制图课程无法比拟的。

图4 前轮上架教学实例

总的来说，此次课程改革将通过无碳小车案例将工程图学、三维建模装配以及二维工程图的绘制串联起来，真正做到了三维建模贯穿于整个传统的工程制图教学中，使三维CAD技术很好地融合在工程图学知识中。

三、实施过程

1.实施基础

上海大学工程技术训练中心成立于1999年，是面向全校的综合实践教学基地，是国家级实践教学示范中心。中心拥有普通切削、数控加工、加工中心等多个机加工实训室，并且也承接外协加工服务，聚集了一批制图和工艺知识丰富的工程技术人才，此外，中心的CAD/CAM室在2014年与法国达索公司建立教育合作伙伴关系，成为中国首个CATIA V5认证考试中心，具有深厚的三维CAD软件基础。因此将CATIA软件与传统机械制图内容融合，以CATIA软件作为工具，将传统的制图内容展现出来，是最合适不过的。最后，中心在国家和省级大学生工程训练综合能力大赛上成绩逐步上升，目前一直保持名列前茅的好成绩，共获得国家和省级训练大赛奖项二十余项，因此可提供成熟的课堂案例素材，特别是对无碳小车的设计和制造已经非常成熟，为课程内容提供零件、装配等整体素材，并将工程制图的理论知识贯穿无碳小车始终。

2.教学方式

（1）团队授课，发挥特长。《三维建模与工程制图》授课团队既有理论基础知识扎实、三维CAD软件熟练的青年教师，又有几十年制造经验的工程技术人员，他们对图纸表达方式的合理性以及工艺合理性等知识是通过几十年的实际加工经验积累下来的。因此课程以多人授课的方式，分工明确，针对自身擅长的部分来专门授课。例如在传授工艺特性在零件图和装配图中的表达、产品技术要求及公差配合等知识时，由经验丰富的工程技术人员完成，他们可结合加工案例，给学生讲解工艺和配合知识，生动形象，加深了学生对制造设计的印象。而三维建模及生成工程图的软件操作，则安排获得达索公司全球认证的CATIA机械设计模块证书的青年老师来传授，老师们会将自己的建模经验和注意点及方法传授学生，使学生学习CAD软件操作事半功倍。而且在上课过程中，落实以学生为中心的理念，由一名老师主讲，多名老师辅助教学，学生在练习操作过程中可以实时与老师交流互动，使课堂知识高效吸收，效率大大提高。这样的授课团队分工明确，取长补短，授课效果明显。

（2）理论课与实践操作课穿插进行，教学互补。将原来每周4学时的课程改成5学时，其中2学时为上机操作实践，安排在3学时理论课后，学生可以在上机操作过程中理解先前讲授的理论知识，并利用所学理论知识完成对工程图的准确表达，理论知识由实践践行和检验，实践操作由理论来支撑。学生能基本掌握基于三维CAD技术的产品设计方法和产品的图形表达方法，综合工程素养有较大提升。

三、考核方式

考核方式改变纯理论知识的笔试，注重理论和实践检验，进行全方位考核，分别从平时成绩、随堂上机实践操作、理论知识笔试三个方面考核，所占比例分别为总评分的30%、30%和40%，如表1所示:平时成绩由考勤和作业成绩，其中还包一个大的项目作业，即创新设计一辆无碳小车，课程结束后上交。实践操作考核穿插在平时的课堂中。分别设计两个随堂考核，一是从零件三维建模设计——零件工程图的上机随堂测试；二是考核一个自底向上的装配三维设计——装配工程图的随堂测试；理论知识考试形式为笔试，在学校考试周统一考核，由于增加实践考核环节，因此理论知识考试所占比例由以往的70%降为40%。

此外，课程结束后，学生可自愿报名参加达索CATIA全球认证证书，包含零件设计模块、装配模块，通过考试者可获得CATIA认证考试证书，此证书为行业内全球权威认证，具备高含金量和实用价值。

表1 考核指标分布与所占比例表

四、教学成效

课程改革首次在卓越工程师班试行，教学成果显著，受到专业教师的一致好评，该模式成为学院的特色专业基础课。其成果影响总结如下:

（1）学生由难以接受到喜爱的转变。从一开始学生认为课程难，不知道从何学起，到最后对课程喜爱，特别是最终自己完成作品时的欣喜不言而喻。他们发现，通过课程学习后，自己可以用CAD软件去尝试体验，大大提高了对学习专业知识的兴趣。

（2）课程为大学生工程训练综合能力竞赛和机械创新大赛培养了实力竞赛选手。工程训练综合能力、机械创新大赛等专业性较强的比赛学生都没有底气参与，经过课程的训练后，该类比赛报名人数增加50%以上。在2018年5月举办的第七届上海市机械创新大赛，两个班近百人均参加了该比赛，并且一组学生获得了一等奖。而全国大学生工程训练综合能力竞赛是纳入中国高校创新人才培养暨学科竞赛教育部重点资助项目之一，中心非常重视。以往学生参与少，指导老师选人比较困难，经过课程改革后，报名参加学生人数大幅度提升，为竞赛选拔人才提供了重要基础。此次第八届上海大学大学生工程训练综合能力竞赛报名课程中比较优秀的学生大多数参与其中，为竞赛提供了优质的选手。

（3）参加认证考试，拓展学生的知识和技能。通过课程，获得CATIA全球认证证书的学生占总人数的20%，说明这些学生获得了扎实的CATIA建模基础知识和实际操作经验。初步具备机械从业人员的工程素养，在新时期增强了自身的竞争优势。

（4）课程为《机械制造基础与实践》、《机械基础实践与创新》等专业后续课程的项目式教学奠定了基础，学生的设计能力显著提高。

五、总结

国家正在实施创新驱动发展、“中国制造2025”“网络强国”“一带一路”等一系列重大战略，为服务国家战略需求，高校课程体系和课程内容改革也应顺应时代，推进新工科建设。新工科建设需要加强研究和实践，而此次《工程制图》的改革，无疑为传统基础课程的升级做了一次大胆的尝试，并且已初具成效，使得高校的人才培养跟进时代步伐，培养科学基础厚、工程能力强、综合素质高的工程人才，掌握我国未来技术和产业发展主动权。