机类机械制图新课程体系的研究及实践.doc

机类机械制图新课程体系的研究及实践2o05年第5期工程图学JOURNALOFENGINEERINGGRAPHICS2005No.5机类机械制图新课程体系的研究及实践田凌,童秉枢,冯涓(清华大学精密仪器与机械学系,北京100084)摘要:在清华大学985一期精品课建设项目的支持下,探讨了研究型大学人才培养体系中,”机械制图”课程中的若干问题.确定了机械大类平台课程中”机械制图”的培养目标为面向素质培养,面向基础,面向后续课程,建立了以培养形体构造能力和图形表达能力为主线,内容涵盖机械制图的基本理论,基础知识,构形及表达基本方法和基本技能的新课程体系.介绍了自2000年以来,采用新的课程体系所开展的教学实践活动,包括所采用的教学模式和取得的初步成果.关键词:工程图学;课程改革;课程体系研究;精品课中图分类号:G642.0;TB23文献标识码:A文章编号:1003一o158(2oo5)o5012006为了实现建设世界一流大学的宏伟目标清华大学设立了985人才培养项目(简称教学“985”),从转变教育观念入手,以建立研究型大学人才培养体系为目标,大力推进教育教学改革.确定了”综合性,研究型,开放式”的办学模式和培养”高素质,高层次,多样化,创造性”的骨干人才的培养目标,新的培养目标促进了教育观念的转变:从以教师为中心向以学生为中心,教师为主导转变,从讲授型教学向研究型教学转变,从传统的以单一学科背景下的”专业对口”培养为主向以学科交叉与综合背景下的具有“通识教育”基础的宽口径专业培养转变.涵盖精仪系,机械系,汽车系,热能系,工业工程系,力学系的机械学院积极探索和推行按机械大类进行人才培养的新模式,整合和建设了一批学院平台课程,进一步明确了本科教育的定位为”通识基础上的宽口径专业教育”【lJ.课程是体现教育教学理念的主要载体,为此,清华大学教学”985”大力促进课程设置整体优化整合,着重开展精品课程建设.985一期精品课建设项目机械设计基础系列课程(涵盖机械制图,机械原理,机械设计和机械基础实践等课程)2000年启动,面向机械大类教学平台的机械制图课程体系改革是这一项目的重要研究内容,作者将介绍该课程体系的目标,内容,教学模式和5年来相应的教学实践成果.1机械制图新课程体系的背景及目标1.1清华大学机械学院平台课程简介在研究型大学人才培养体系新框架中,本科生的培养计划提出了”厚基础,宽口径”的特色,图1是机械学院本科生课程结构,总学分170学分,其中,课堂授课教学140学分,实践环节30学分.在课堂授课教学的140学分中,校公共基础课70学分(人文社科类公共平台课35学分,自然科学类公共平台课35学分),信息基础课程收稿日期:20050517作者简介:田凌(1963一),女,辽宁铁岭人,副教授,博士,主要研究领域为现代设计理论与方法,计算机辅助设计与图形学.第5期田凌等:机类机械制图新课程体系的研究及实践10学分,着重体现按大类培养思想的机械大类平台课占40学分,体现各专业特色的专业课程仅占20学分.信息基础10图1机械学院本科生课程结构机械学院平台课由设计与制造类,力学与材料类,热学与流体类和检测与控制技术组成,如图2所示,共12门课程,是机械大类学生必须掌握的专业基础知识.机械制图是机械学院平台课中的第_,但仅有3学分,48学时.如何在新的人才培养总目标及课程体系之下,确定机械制图的培养目标及课程体系内容,是一个迫切需要解决的问题.机械学院平台课设计与制造类力学与材料类热学与流体类检测与控制技术机械制图图2机械学院平台课组成1.2机械制图课程的培养目标在深入研究生产实际中机械制图的应用现状,充分调研国内外高校中机械制图及相关课程的教学实践状况的基础上【2】,【3】,逐步确立了本门课程的培养目标,即:面向素质培养,面向基础,面向后续课程.素质培养着重体现在空间想象能力,形象思维能力,图形表达能力和创新构形能力的培养上.空间想象能力和形象思维能力是创新的源泉,是工科学生必须具备的基本科学素质,机械制图课程的内容和特点,使之成为培养学生空间想象能力和形象思维能力的有效载体;图形表达能力是指能够绘制出合乎标准的图形以表达自己的设计思想,这是机械制图课程必须解决的基本问题;创新构形能力是指针对某种问题(或功能需求)构建相应形体的能力,是创新设计的基础,是机械类学生应该具备的一种基本素质.机械制图是机械大类学生的核心课和基础课,在强调”厚基础,宽口径”的人才培养体系中占有十分重要的地位.由于在机械大类平台课中,机械制图课程只有48学时,因此,将机械制图的整体课程内容分为基础部分和提高部分,基础部分(机械学院平台课,48学时)面向机械学院全体学生,目标是使学生掌握以计算机为支撑环境的现代产品设计构思与表达的基础知识,基本理论,基本方法和典型手段,为后续结合专业方向继续深入学习机械制图打下坚实的基础.与此同时,针对研究型大学学生的特点,还必须注重在课程内容中体现学科发展的前沿性.作为机械设计系列课程和诸多设计制造类课程,实践类课程的先修课,机械制图课的重要目的之一是为后续课程打下良好的基础,必须与后续课程统筹规划,协调发展,保证知识的连续性,系统性和完整性,实现整体优化.同时,机械制图本身的基础部分(机械学院平台课)又必须与后续的机械制图提高课统筹规划,做到基础性和实用性的良好结合.2课程内容体系结构2.1机械制图课程体系结构建立一个科学合理的课程体系,是落实培养目标的保证.针对上述提出的课程目标,结合制图课程的具体特点,确定了机械制图平台课程的内容和体系结构.该课程内容以形体构造能力和图形表达能力为主线,包括正投影的基本理论,常用的二维视图表达方法,用于创意与构思的轴测草图,支持现代设计及系统集成的三维实体模型,计算机绘图基础等.在投影理论的基础上,将二维视图,轴测草图,三维实体模型等典型的产品设计构思及表达手段有机地结合在一起,将徒手绘图,仪一一一豳圃一一工程图学2005生器绘图与计算机绘图结合在一起,以形体构造和图形表达为核心,以形象思维为主线,培养机械大类工科学生的基本科学素质,并为后续课程提供必备的基础知识与基本技能.该课程由4个层次构成:基本理论,基础知识,基本方法和基本技能.其中,基本理论包括:投影理论,图示与图解方法,计算机绘图基本概念与方法,三维几何造型的基本概念和方法;基础知识包括:机械制图的基本概念,基本规范,基本方法和基本技术;基本方法指构形及表达方法,包括二维建模及表达方法,三维建模及表达方法,轴测图表达方法等;基本技能指徒手绘图,仪器绘图和计算机绘图的技能.机械制图课程的总体体系结构如图3所示.回同专业的械制图局缴课程,买践讣节_匿r_丁_多制讦自面向维何种图算维由功能形体多种多视投b形表基机建构的形的构绘图图表影图体达本绘模思体设造与方法达能理解的方规图方计及多种训练力训论方构法范基法表表达表达练方法_广法_广T丁广丁TL_一_1_课堂教学专题实践其他环节Ill机械制图平台课程图3机械制图课程体系结构2.2机械制图课程内容安排该课程体系适用于机械大类,将机械制图分为基础部分和提高部分.基础部分就是作者重点讨论的平台课程,对于基本理论和基础知识,主要采用课堂教学的方式,对于基本方法和基本技能,则主要采取专题实践和其他实践性,研讨性的教学方式.提高部分是机械制图平台课程的后续提高课,内容是与各专业背景密切相关的零部件图绘制方法及计算机辅助零部件设计方法,结合不同的专业特点和需求,采取不同的解决方案.例如,在精密仪器与机械学系采取实践教学的方式解决,在第l学年夏季学期安排为期3周的机械基础认识实践,通过课堂教学,参观企业,典型零部件拆装实践等多种环节,使学生在实践中学习,在认识机械,了解机械的过程中,学会分析和表达机械,以应用实例为线索,掌握表达机械产品的基本方法.在汽车系,则专门开设了一门”机械零部件绘制”的课程,内容包括常用件及标准件,公差与配合,零部件绘制,计算机绘图应用(2D和3D)等,结合汽车系的专业特点和需求,加强了所表达的零部件的难度,同时,强化了计算机绘图的应用.在规划课程内容体系时,特别注重处理好基础部分和提高部分的关系,使两者既相互联系,又各自成为一个内容独立的课程,注意保证机械制图平台课的基础性和完整性.新体系加强了构形及表达内容的深度,特别增加了”综合表达方法应用”这部分内容,引导学生从过去被动地了解国标中规定的各种表达方法转换到自觉提高构造形体和表达形体的能力.学生在学习完机械制图平台课后,通过3种途径继续学习机械制图的后续内容.第一,学习由制图教研室正式开设的提高课程;第二,结合实践教学环节,掌握机械制图的后续知识;第三,学生根据各自的专业爱好和研究课题任务的需要,通过自学,掌握零部件图绘制的方法.3教学模式及教学实践在清华大学新的培养目标的指导下,机械制图新课程体系自2000年开始确立之后,在教学模式和方法手段上也进行了一些新的探索.从单纯讲授本门课程的知识向传授知识与能力素质培养并重的教学方式转变;从单纯注重基础理论的完整性向基础理论与应用目标并重的教学方式的转变;从单纯注重讲清基本概念和方法向提出问题,引导学生自主探索解决问题的教学方式转变.第5期田凌等:机类机械制图新课程体系的研究及实践3.1构形能力和图形表达能力的培养为了培养学生的构形及图形表达能力,增强创新意识,并且使学生学会运用所学的知识去解决实际问题,结合不同阶段的教学内容,布置了一些开放性的训练题目.例如,在学习完画法几何的点,线,面及相对位置这部分内容之后,学生已经初步具备了单视图表达的能力,这时,在教学安排上协调配合,及时介绍计算机绘图的基础知识和基本操作方法,然后,安排了一个如图4所示的训练题目.在这个题目中,鼓励学生运用已有的知识解决实际问题,培养构型及图形表达的基本工程科学素质,对计算机绘图软件工具的使用方法,则采取边学边用,以研究,讨论,自学为主的方式掌握.这个题目的开放性和面向实际需求的特点,极大调动了学生的学习积极性,他们各自从不同的角度出发,设计出新颖别致的作品,图5是一位学生提交的具有民族工艺品风格的作品,既满足了开启瓶盖的功能要求,又具有美观新颖的造型,可以挂在墙上作装饰.专题训练一训练目的:(1)根据功能需求构造几何形体(构形能力):(2)用图形表达出自己的设计构思(图形表达能力):(3)计算机绘图的初步能力.要求:设计一个开启汽水瓶盖的工具.参考现有产品,通过实际调研,自行完成开口尺寸及整体构形的设计,并用计算机绘制出图形.要求作品实用,美观,新颖.盐励哥露砂担!叠孝知识约束.图4专题训练之一图5作业示例3.2面向应用组织教学传统的制图教学组织严谨,注重基础理论的完整性,但是,却不太重视体现制图在生产实际中的应用情况.学生常常处于被动学习的状态,将制图等同于画图,没有将图形的生成过程与产品的设计过程紧密联系在一起.往往出现低年级学制图,高年级做毕业设计时却不会画图的现象.出现上述情况的原因之一是在制图教学中没有将制图教学的相关内容与产品设计,特别是现代产品设计的过程紧密联系在一起.在以计算机为支撑环境的现代产品设计中,设计方法,设计手段和相应的软件支持工具都得到了快速发展,无论是二维设计方法还是三维设计方法都获得了巨大的发展空间,图形的形成过程在一定程度上反映了设计结果的形成过程,这反映出”构形”能力对产品设计,特别是创新设计的重要性.同时,产品复杂性的增加对图形表达能力也提出了更高的要求,学习的重点应该在于如何基于投影理论和制图规范将设计结果准确地表达出来,而不在于能否记住这些理论和规范.因此,在本课程中注重以生产实际为背景,以产品设计过程为线索组织教学内容.在这样的教学模式中,强调如何运用所学到的知识解决实际问题,以及为了解决实际问题需要学习哪些知识.学习的目的性更加明确,学生由被动学习转变为主动学习,不仅增强了学习的积极性,更重要的是加深了对所学知识的理解和应用能力,既知其然,又知其所以然,提高了解决实际问题的能力.图6是体现面向实际应用组织教学思想的一个讲课片段示例.在传统的教学模式中,学习完组合体的三视图之后,会继续安排组合体的多视图画法,然后学习六面视图,剖视图及断面图.学生往往被各种各样的规定画法及规范所困扰,而忽视了如何表达形体这一根本问题.在本课程中,以复杂形体的表达方法为主线组织相关内容,在学习完组合体的三视图之后,适时提出”如何表达更加复杂的形体?”这一问题,然后介绍现代产品设计的过程和方法以及产品的构型及表达方法,并以复杂形体的表达为目标组织相关教学内容.从2D表达方法出发,对于简单形体工程图学2005丘的表达,采用13个视图即可,对于复杂形体的表达,则需要采用多种方法和手段,如:多视图(外形),剖视图(内形),断面图(断面)等,而现代产品设计中,也常常采用3D的表达方法.在这样的教学组织模式中,重点集中在怎样表达一个复杂的形体,培养学生图形表达的能力,即分析问题和解决问题的能力.一旦学生掌握了解决问题的思路和方法之后,就能够站在设计中如何表达形体的角度理解制图中的规定画法和规范,遇到问题,会主动学习,查阅相关资料,自行解决问题.1二维瓤图(2D)的表遮方法:豳蕊在三规圈的基础上,叠翼更丰膏的裹达手段.外形一多个视圈内形一剖视圈断面形状一断面圈2三堆几何骥整(3D).蠹表迭方法计算机三维几何造型.髓.:准确,简便,清晰地裹达机件.图6教学组织方式示例3.3加强基础平台课程的作用基于”通识基础上的宽口径专业教育”这一出发点,在清华大学机械学院平台课程中,仅包含机械制图的基础部分(具体安排见2.2节),为了给后续课程(包括自学)打好基础,着重加强了基础部分的广度和深度,使其既涵盖了画法几何的主要内容,也包括了机械制图的基础知识和基本方法,如,轴测图,形体的多视图表达方法,剖视图,断面图,尺寸标注基础和机械制图基本规范等,同时,在深度上也比以前有所加强.例如,在讲解”综合表达方法应用”这部分内容时,由于在该阶段还没有学习与零件图相关的专业性知识,所以在讲解表达方法时仍然只能从复杂形体的几何特征出发.但是,所讨论的题目的复杂程度已经超出了以往组合体的范畴,不仅难度比以前加深,而且更接近生产实际,所采用的例题均为中等以上难度的零件,如图7所示,但只讲解结构特点和表达方法,不涉及工艺知识.这样,使学生可以更自然地过渡到下一阶段零件图和装配图的学习,甚至可以自学这部分内容,为后续的深入学习和提高打下了良好的基础.固e1ICD直自.4-A0-0劳E垦KXD-.匆(d)方案-图7多视图表达示例4结束语自2000年以来,开始采用新的课程体系.最初从1个系(机械系)的4个班中开始试点,积累经验,并逐步扩大试点范围.从2004年开始,在整个机械学院6个系20个班中全面推广,取得了良好的效果.由于新的课程体系具有加强基础,培养能力,面向应用的特点,充分调动了学生学习的积极性,学生普遍反映这门课程内容丰富,信息量很大,而且课程体系科学合理,既注重加强基础,又注重面向应用,在掌握制图基础知识的同时培养了分析问题,解决问题和构形及图形表达能力,为培养工科学生良好的工程科学素质打下了坚实的基础.在新课程体系中,学生成为学习的主体,这也对教师提出了更高的要求,不仅要教好书本知识,而且还要在研究型教学环节中做好学生的良师益友.教师在具备丰富的制图教学经验的同时,还应该具有深厚的科学研究基础,能够把握现代产品设计技术的发展趋势及特点,了解生产实际中产品的构形及表达方法,引导学生提出问题,研究问题和解决问题.新课程体系既给教师带来了新的压力,也更多地发挥了教师的潜力,使教师能够结合教学环节将书本知识之外的科学研究方法传授给学生.该课程受到了学生的热烈欢迎,在期末学生对任课教师的教学评估中,机械学院机械制图平台课的全体6位任课教师均获得了教学奖励,其中,有3位教师的教学评估第5期田凌等:机类机械制图新课程体系的研究及实践.125成绩排名位于全校前5%,获得了一等奖.教学实践表明,在研究型大学的人才培养体系中,机械制图作为机械大类的基础课程,具有十分重要的作用,其内容体系必须与总体培养目标相一致.在有限的学时条件下,必须把加强基础和培养能力放在突出的位置,为学生进一步学习提高打下坚实的基础;同时,又必须与生产实际和学科发展紧密相联,使学生对所学知识有更深刻的理解,增强解决实际问题的能力.在后续教学研究和实践中,将在本文建立的框架之下开展更深层次的教改工作.深入研究本课程的核心内容与机械工程学科前沿的关系,丰富和完善课程的基础理论体系;增加实践性专题的种类,不断提高各个专题的质量,为开展研究型教学和培养学生解决问题的能力提供更加有力的支持;积极探索评价方式的改革,建立涵盖知识,能力,技能等多项指标的综合评价体系.通过对课程的进一步调整和优化,使该课程能够在研究型大学的人才培养体系中发挥核心作用.参考文献1】王大中.转变教育思想,更新教育观念,推进教育改革J】.清华大学教育研究,1998,(2):1-9.2】焦永和,张彤,陈军,等.我国高校图学教育的现状与发展J】.工程图学,2004,25(4):123-130.3】陈锦昌.论本科工程图学课程教学基本要求的修订J】I工程图学,2004,25(3):101-105.ResearchandPracticeontheNewArchitectureofMechanicalEngineeringGraphicsCourseTIANLing,TONGBingshu,FENGJuan(DepartmentofPrecisionInstru