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2012年12月24日

蒋丹:图学教育的变革与启示

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■ 图可以用来记录过去、创造现在、构想未来。

■ 课程的实践环节最能培养学生的各种能力,通过课程设计贯穿整个教学过程,以做带学,对知识的吸收和运用有了一个载体。

■ 在人才培养中迫切需要打破壁垒,走出去,请进来,使学生和企业面对面,社会力量真正参与到教学过程中。

■ 从传统的知识传授到能力培养,教学主体也从教师转移到学生。

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图可以用来记录过去、创造现在、构想未来。在工程应用和科学研究中,图以其直观生动的特征更有效地用于表达交流。500年前的达芬奇是伟大的艺术家,他的蒙娜丽莎位于法国卢浮宫的三宝之首。而同样令人惊叹的是他在机械方面的非凡创造力,他的飞行器、汽车、机器人构想还有许多精湛的机械装置也通过设计草图记录下来,几个世纪以来引领着人们探索实践,最终成就梦想。三国时期蜀汉丞相诸葛亮也是个发明家,他的木牛流马是可以群行二十里,载重 “一岁粮”(大约4百斤以上)的运输工具,在北伐时为蜀国十万大军提供粮食,可惜的是年代久远,未有图样记载,所以确切的方式、样貌现在仍然不明,我们只能从文字上品味当时的风采,感叹一千多年前古人的神工。

图和设计创造其实是密不可分的。作为图学工作者,我一直从事图形的应用研究和教学工作。在20多年的教学生涯中,图学教育也发生了很大的变革,与社会需求的结合更趋紧密。

教学的变革要顺应时代的变迁

传统的工程图学课程包括画法几何和机械制图,这一格局延续到上世纪九十年代。画法几何是法国学者G.蒙日提出的,他在十八世纪中期为了解决军事工程的修建问题,将空间的立体通过两个投影描画在同一个平面上,这样一来,有关工事的复杂计算就被作图方法取代了。画法几何是机械制图的投影理论基础,这一发明,为19世纪机器的大规模出现奠定了基础。因此画法几何和机械制图一直是机械专业学生以及其他工程专业学生的必修课。

随着八十年代计算机图形系统的引入和普及,计算机绘图逐渐成为设计和制图人员不可缺少的工具。为顺应社会需要,我们率先将计算机绘图引入课程教学中,使图学教育进入到画法几何、机械制图和计算机绘图三合一的第二阶段。课程内容设置有包含投影基础、视图表达、标准件常用件、公差配合、零件图装配图和二维计算机绘图的现代机械工程图学。当三维计算机绘图软件成为设计和制造的有效工具逐渐为企业采用后,我们随即开设了这一工程应用软件的课程,以及包含曲线曲面相关内容的计算机图形学等选修课程,提高了学生的工程应用能力。

在经济全球化形势下,各国所面临的产业转移、转型和升级的挑战与机遇,对工程人才在质量和数量方面提出更高的需求,工程教育国际化成为必然。对照国际先进工程教育的培养方法,我国传统的工程人才培养,主要致力于培养某一专业的技术人才,课程设置条块分割,专业面窄,缺少能够把握大工程的、具有工程战略思维的创新人才。根据这一要求,在本世纪初我们率先在学院试点班将传统的图学课程拓展为“设计与制造基础”课程,课程吸取了国外一流大学机械设计系列课程的培养模式,引入了设计与制造的基础知识,根据产品的设计制造全过程重新整合了知识点,教学方法上以课程设计带动知识学习,学生的能力和素质有了很大提高。2009年起课程向全院学生推广,在新的“设计与制造”系列课程中,明确了课程的定位及核心价值。

创新和实践是我国工程教育的重要环节

国际先进的工程创新人才培养大都是在强调人的个性全面发展的同时突出创新意识、创新能力的培养。其实施策略是通过教育经历,来发展学生的知识领域、能力和素质,以使他们能够根据需要,在经济、社会和文化方面给出有效的解决方法。而我国传统的工程教育学术体系分界明显,理论性强,应用性不足。教师知识传授为主,忽视了学生这一学习主体的响应,创新和实践无处落实,学生的能力和素质也难以提高。有数据反映中国有210万工程师,而“适合全球化要求”的工程师只有16万,不足工程师总数的1/10。

图学课程在拓展为“设计与制造基础”之时,教学理念和教学方法都有了本质的变化。课程汇聚了现代机械设计图学、创新设计方法、课程实践三大模块,将设计与制造整个过程最为基本也是必须的组成模块展现在学生面前,并对零件级的简单产品进行实践。使传统的图学表达的内容,与实际应用的产品设计制造环节结合起来,这样学生就不只是被动地接受知识,而是充分发挥其创新能力进行设计,然后运用知识来表达自己的设计,进行交流,直至完成原型制作。

课程的实践环节最能培养学生的各种能力,通过课程设计贯穿整个教学过程,以做带学,对知识的吸收和运用有了一个载体。知识传授的节点配合课程设计的进展,提高了学生的学习自觉性和主动学习、自主学习的能力。开放式的设计题目增强了学生发现、分析和解决问题的能力,创新思维的能力,强烈的责任感以及在失败中继续探索的精神。

加强了创新和实践,教学活动也变得生动。在课堂教学和课程设计的实施中,采用多种教学形式,如团队合作,讨论、演讲,动手实践、原型制作等,培养学生的空间思维能力,培养学生把空间思维变成图形的能力,培养学生把图形变成模型的能力,培养学生技术交流和表达的能力。

同时在课程评价体系中,也引导学生更加关注和投入到课程实践环节,这部分的考核占总成绩的大部分。考核的组成部分包括了学生知识的掌握,知识的运用,学习的过程,以及学生能力和素质的体现。一套完善的考核方案改变了以往平时作业+考试的常规方法,课程设计的考核包括设计报告、答辩演讲、制作原型三部分。每个团队还有队员间的互评。这套方案对学生能力和素质的提高有较为全面的评估。

正因为和时代变迁、社会需求紧密相连,又注重了创新和实践,学生在学习以及工作之后给予课程这样的评价:这门课程是我进入大学以后第一门全面介绍机械工程领域完整的产品开发过程的课程,这种环环相扣、理论联系实践的教学方法让我收益非浅。通过这门课,我了解到产品设计的基本过程:从市场调查开始,把顾客需求转化为设计特点,确立设计方案。并且,我也加深了与同学之间的交流,提高了团队合作意识…… 。这门课程的知识面覆盖范围极其广泛,又有纵深层次。从阐述工程师道德准则开始,进入产品设计与开发,融入工程图学,QFD质量功能展开,UG三维建模的使用;到产品实现阶段,介绍计算机辅助制造,制造加工工艺,过程控制,系统优化,它带给了我们一幅完整的产品发展的蓝图,引导我们全面而系统地学习。最后,我和我们团队的其它成员一起,共同努力达成了我们的设计目标,并将我们的作品参加了通用全球PACE设计竞赛。课程给我留下的宝贵财富,无论是我毕业后在上海通用汽车的工作中还是现在在威斯康辛大学继续学习的过程中,无不最容易地被我重温与应用……。

人才培养需要建立社会和高校尤其是企业和高校间的协同机制

我们曾把高校叫做象牙塔,也曾希望我们的学生一心读书,不闻窗外事。但是闭门造车的结果就是与社会脱节,学生进入社会后不得不度过漫长的适应期。当高校的围墙拆除或透明化后,社会了解了高校,距离近了,但隔阂依然存在。因此,在人才培养中迫切需要打破壁垒,走出去,请进来,使学生和企业面对面,社会力量真正参与到教学过程中。

我们在教学中,课程设计的题目都直接来自企业,并有资深的设计工程师给予提示和辅导。企业参与教学,未来工程师与企业工程师直接对话。将现代产品开发的理念和开发流程融合在设计类课程中,要求学生结合市场需求设计产品方案,使学生从低年级开始就有了面向市场需求设计产品的概念。在教学实践中,学生对设计表达的学习兴趣日益浓厚,在设计制造的各环节中大胆创新,认真完成。最终以本科生课程设计竞赛的方式,由学校和企业共同评审优胜方案。在此过程中,企业获得了来自未来工程师的新鲜理念,而在校学生则得到了珍贵的工程实践经验。

在工程人才培养中,需要更多的企业以更加深入的方式渗透到教学中,协同机制还有待完善。

大学教育要构筑以学生为中心的教学环境

从传统的知识传授到能力培养,教学主体也从教师转移到学生。大学教育应以学生为中心,建立适合学生系统学习的知识体系,激发学生学习兴趣的教学过程,提供学生自主学习的资源保障,给予学生学以致用的检验平台。

图学课程的设计表达是一种形象思维的学习,学生个体差异很大,有必要发挥学生自主学习的能力。因此提供资源保障,是学生对课程内容的掌握,以及后续课程用到相关知识时的快速回顾都有极大帮助。为此我们根据学生自学的特点,建立了培养学生整体工程素养的资源库,首先工程图样是学生大学四年不断使用的,资源库除了包含工程制图习题解析、试题汇编外,还收录了课程设计图样、毕业设计图样、制图大赛图样以及国外图样选读等,保障学生学习的长效性。其次资源库的信息面广,其建设平台可跨越学校,采用名校联合的方法,以使各校的优质资源充分共享,使学生获得广泛的信息和知识,找到最适合自己的识图、画图和解题的途径。并且资源库的更新易于教材,可以随时根据新标准的制定进行修改,使学生及时掌握最新制图标准。

组织课程竞赛,指导学生参加上海市和全国的成图技术大赛都是对学生学习效果的检验,将课堂内的教学向课堂外延伸。参加大赛的学生有正在课程学习中,也有刚学完课程的学生,通过大赛,更好地消化吸收了课程知识,深层次的提高知识应用能力,得到全方位的锻炼。教师全程参与大赛培训、指导、阅卷、结果分析,并在大赛期间进行高校间的教学研讨,促进教学。

图学教育只是工程教育中的一个点、一条线,转变观念,将培养学生的综合能力和工程素养有机地融入到第一课堂中,充分体现以学生为中心的现代教学理念,使学生在课程学习中能够保有足够的动力和热情。

学者小传

蒋丹,上海交通大学机械与动力工程学院教授,博士生导师。美国密歇根大学机械工学院、法国里昂第二大学访问学者。教育部高等学校工程图学教学指导委员会委员;中国工程图学学会理事、理论图学专委会委员;上海市工程图学学会副理事长,数字化设计与制造专业委员会主任;国际ISGG Group Member。九三学社上海市文教委员会委员,九三学社交大委员会委员。

主要从事现代设计及理论、计算机图形学,数字化设计与制造技术,科学计算可视化等方面的研究和应用。负责国家科技重大专项、上海市核电中心项目,主参“973”、国家自然基金重点项目等。出版著作十余部,论文近四十篇。

主讲学院核心课设计与制造基础、现代机械工程图学,以及工科专业基础课——工程图学等课程。1996年获得上海交通大学首届教学新秀奖,曾获得国家和上海市教学成果一等奖、教育部优秀教材二等奖。“现代机械工程图学”课程获得首届国家精品课程,主持了上海市教委重点建设课程“设计与制造基础”,并获得上海市精品课程。获上海交通大学教学成果奖、优秀教材奖和优秀教师奖多项。

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