伊 鵬, 劉衍聰, 牛文杰, 趙軍友, 秦 臻
(中國石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266580)
以工程意識(shí)教育為導(dǎo)向的工程圖學(xué)能力培養(yǎng)方法探析
伊 鵬, 劉衍聰, 牛文杰, 趙軍友, 秦 臻
(中國石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266580)
本科階段加強(qiáng)學(xué)生工程意識(shí)培養(yǎng)重要而緊迫,分析了現(xiàn)代工程意識(shí)和能力培養(yǎng)的主要內(nèi)容,以工程圖學(xué)課程為切入點(diǎn)探究了課程教學(xué)內(nèi)容與工程意識(shí)的密切聯(lián)系,基于工程意識(shí)培養(yǎng)的可行方案,針對(duì)不同教學(xué)環(huán)節(jié)的培養(yǎng)方法進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì),并配套設(shè)計(jì)了工程意識(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),使得教學(xué)手段更為立體、方法更為多樣,為培養(yǎng)理論基礎(chǔ)扎實(shí)的現(xiàn)代工程創(chuàng)新人才提供了有效途徑。
工程意識(shí);圖學(xué)能力;培養(yǎng)方法;實(shí)驗(yàn)課程
知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代國際競(jìng)爭(zhēng)日益激烈,技術(shù)創(chuàng)新已經(jīng)成為競(jìng)爭(zhēng)力的決定性因素。我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展正處于從資源依賴型向創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)型的轉(zhuǎn)變過程中,其中也伴隨著從技術(shù)依賴型向自主創(chuàng)新型的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變。當(dāng)下,培養(yǎng)具有專業(yè)素質(zhì)又富有創(chuàng)新精神和能力的高層次人才顯得尤為重要,這對(duì)于高等學(xué)校本科的專業(yè)基礎(chǔ)課程培養(yǎng)水平也提出了更高的要求,而“人才培養(yǎng)模式改革取得突破,學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神顯著增強(qiáng)”成為國家對(duì)現(xiàn)階段高等教育人才培養(yǎng)的直接要求。為應(yīng)對(duì)新形勢(shì)下的人才需求,眾多高校已經(jīng)開始探索一種大工程教育背景下的工程教育體系改革,著重培養(yǎng)和提高學(xué)生的工程意識(shí)成為新型高教人才培養(yǎng)的共識(shí)[1-3]。
工程圖學(xué)作為工程類專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課程,以培養(yǎng)學(xué)生空間思維能力、繪制和閱讀工程圖樣的能力、以及增強(qiáng)學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)為目標(biāo)[4-5]。通常開設(shè)于大一和大二階段,也正是學(xué)生開始接觸工程問題、形成工程意識(shí)的啟蒙階段,所以該課程的教學(xué)對(duì)學(xué)生工程意識(shí)、創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)具有至關(guān)重要的作用。
根據(jù)學(xué)校制訂的“十二五”發(fā)展規(guī)劃,工程圖學(xué)所在的機(jī)械工程系列課程的教學(xué)改革與實(shí)踐要以工程意識(shí)養(yǎng)成教育和實(shí)踐動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標(biāo),構(gòu)建集教與學(xué)為一體、理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)為一體、課內(nèi)與課外教學(xué)為一體的實(shí)踐基地,不斷提高教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量[6]。因此,在已有改革的基礎(chǔ)上,依托工程圖學(xué)省級(jí)精品課程的建設(shè)平臺(tái),突出重點(diǎn)、開拓思路,分析課程中工程意識(shí)教育與現(xiàn)代工程圖學(xué)能力之間的內(nèi)在聯(lián)系,堅(jiān)持實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)相結(jié)合、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科學(xué)研究相結(jié)合,對(duì)工程圖學(xué)課程進(jìn)行創(chuàng)新建設(shè)。
現(xiàn)階段學(xué)生的工程意識(shí)和能力的培養(yǎng),主要從工程實(shí)踐意識(shí)培養(yǎng)和工程創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)這兩個(gè)方面著手,兩方面培養(yǎng)雖然在層次上為遞進(jìn)關(guān)系,但通過設(shè)置合理的課程教學(xué)環(huán)節(jié)能夠得到互為補(bǔ)充和促進(jìn)的教學(xué)效果。
1.1 實(shí)踐意識(shí)培養(yǎng)
理工科院校是培養(yǎng)工程技術(shù)人才的重要基地,因此需要培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐意識(shí)和能力作為其課程體系的建設(shè)導(dǎo)向。近年來,雖然眾多院校一再呼吁要加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),包括實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)和設(shè)計(jì)等;但由于各方面條件所限,考試成績(jī)一定程度上仍然是教學(xué)的主導(dǎo)方向,學(xué)生的工程實(shí)踐興趣沒有得到引導(dǎo),學(xué)校的課程建設(shè)投入沒有得到保證[7]。因此,課程中實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)比重較低,學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣,也很少有時(shí)間和機(jī)會(huì)參與產(chǎn)品設(shè)計(jì)、機(jī)械制造甚至加工裝配等第一線的工程實(shí)踐活動(dòng)。
課程教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)置過程中,要體現(xiàn)工程實(shí)踐意識(shí)的特征,切實(shí)加強(qiáng)工程實(shí)踐訓(xùn)練。一方面,避免過多的理論教學(xué)純學(xué)術(shù)化和學(xué)科化傾向,加強(qiáng)工程基礎(chǔ)類課程的教學(xué),并在這些課程中結(jié)合課程內(nèi)容開展工程教育,讓基礎(chǔ)課程工程化、近現(xiàn)場(chǎng)化,幫助學(xué)生建立工程實(shí)踐的概念;另一方面,構(gòu)建新的實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)體系,整體提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力。從而逐步將依附性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)楠?dú)立性實(shí)驗(yàn),增加設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn),從單純技術(shù)性實(shí)習(xí)向綜合性實(shí)習(xí)轉(zhuǎn)變,同時(shí)增加和加強(qiáng)課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),提高設(shè)計(jì)內(nèi)容的綜合性、設(shè)計(jì)過程的實(shí)踐性以及完整性。
1.2 創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)
工程實(shí)踐意識(shí)逐漸建立起來的同時(shí),工程創(chuàng)新意識(shí)教育也開始在學(xué)習(xí)過程中萌發(fā),學(xué)生會(huì)針對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行自覺地綜合運(yùn)用,期待能夠解決實(shí)際問題,解決問題又不可避免地激發(fā)創(chuàng)新意識(shí),從而形成對(duì)工程創(chuàng)新意識(shí)的自覺培養(yǎng),所以兩者是密不可分的??梢酝ㄟ^啟發(fā)、誘導(dǎo)等教育手段,激發(fā)學(xué)生探求新知和新技術(shù)的興趣,自我學(xué)習(xí)、自我提高,從而能夠推陳出新,有所發(fā)現(xiàn)和突破。
以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新精神為目標(biāo),應(yīng)注重3個(gè)方面的培養(yǎng):①樹立創(chuàng)新教育觀念,改變傳統(tǒng)的繼承式教學(xué)模式,釋放學(xué)生的創(chuàng)新熱情,不僅注重理論知識(shí)的學(xué)習(xí),更要重視學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)創(chuàng)造性地解決問題的能力;②營造有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的文化氛圍,開設(shè)有關(guān)創(chuàng)造學(xué)、創(chuàng)造力開發(fā)訓(xùn)練和創(chuàng)造工程的課程,同時(shí)調(diào)動(dòng)自主創(chuàng)新的積極性等;③樹立個(gè)性教育的觀念,知識(shí)的個(gè)性可以有效驅(qū)動(dòng)并產(chǎn)生創(chuàng)造能力,通過還原教育的生機(jī)和活力,賦予學(xué)生知識(shí)的靈性和創(chuàng)造性。
工程圖學(xué)是理工科學(xué)生在本科期間首先接觸的專業(yè)類基礎(chǔ)課,學(xué)生能夠在圖學(xué)課程的學(xué)習(xí)中,或抽象或具體地接觸大量的工程元素,是大學(xué)本科工程意識(shí)培養(yǎng)的重要陣地,因此對(duì)其課程教學(xué)方法進(jìn)行了設(shè)計(jì),主要內(nèi)容如圖 1所示。圖學(xué)能力培養(yǎng)可以分為 4個(gè)方面:圖感檢索能力、圖學(xué)表達(dá)能力、空間分析能力以及現(xiàn)代制圖能力。在實(shí)驗(yàn)支持方面,搭建石油石化特色裝備的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)供學(xué)生進(jìn)行拆裝測(cè)繪實(shí)踐,同時(shí)配套進(jìn)行教材建設(shè)和軟硬件支持。
圖1 基于工程意識(shí)培養(yǎng)的課程內(nèi)容示意圖
2.1 圖感檢索能力的培養(yǎng)
圖感是對(duì)所看到圖形的直觀感覺,在靈活應(yīng)用圖學(xué)理論的基礎(chǔ)上,以形象思維和抽象思維為依托,經(jīng)過大量訓(xùn)練逐漸形成,其對(duì)圖形的敏感程度是圖學(xué)能力的重要度量[8-9]。因此真正用圖學(xué)的語言進(jìn)行思考,調(diào)動(dòng)圖感直接對(duì)相關(guān)知識(shí)檢索進(jìn)而將對(duì)象結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速分析,成為提高工程意識(shí)、鍛煉圖學(xué)能力的有效途徑。
(1) 在點(diǎn)、線、面和組合體環(huán)節(jié),適當(dāng)壓縮幾何關(guān)系和投影規(guī)律的推導(dǎo),轉(zhuǎn)而明確提出圖感的概念,帶領(lǐng)學(xué)生展開空間想象及形象思維,在腦中建立空間點(diǎn)、線、面和基本形體的虛擬模型,并積極進(jìn)行對(duì)應(yīng)和聯(lián)系,進(jìn)而建立起條件反射,此為圖感的形成階段。
(2) 在軸測(cè)圖環(huán)節(jié),重點(diǎn)鍛煉學(xué)生根據(jù)投影圖繪制軸測(cè)圖的能力,訓(xùn)練學(xué)生快速繪制空間形體的軸測(cè)草圖,如同模型在腦中一樣,使用起來得心應(yīng)手,由此進(jìn)一步掌握典型形體結(jié)構(gòu)及其特征,促進(jìn)圖感的逐漸建立,此為圖感能力的輔助提升階段。
(3) 在畫圖和讀圖環(huán)節(jié),大量使用實(shí)物模型,將模型與平面視圖進(jìn)行比對(duì),旋轉(zhuǎn)實(shí)物模型進(jìn)行多視角觀察、剖切,以此引導(dǎo)學(xué)生對(duì)虛擬模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換思考,然后脫離模型繼續(xù)思考,依托基本的投影規(guī)律,可以將空間形體想象清楚從容作圖,此為圖感的增強(qiáng)和運(yùn)用階段。
(4) 在表達(dá)方法和零件圖環(huán)節(jié),依托計(jì)算機(jī)3D建模軟件,根據(jù)教學(xué)安排中的例題,對(duì)應(yīng)制作零件模型,以3D環(huán)境中零件模型的動(dòng)態(tài)教學(xué)為主,PPT靜態(tài)教學(xué)為輔,綜合前面圖感能力的培養(yǎng),引導(dǎo)學(xué)生熟練運(yùn)用圖感進(jìn)行零件圖的繪制,此為圖感的熟練、綜合運(yùn)用階段。
2.2 圖學(xué)表達(dá)能力的培養(yǎng)
注重表達(dá)能力的培養(yǎng)有助于增強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用已有知識(shí)解決工程問題的自覺性,因此在機(jī)件表達(dá)方法的輔導(dǎo)、一般類零件表達(dá)方法、典型機(jī)構(gòu)零件表達(dá)方法、行業(yè)特色典型機(jī)構(gòu)零件表達(dá)方法、行業(yè)特色圖樣閱讀方面對(duì)課程體系進(jìn)行調(diào)整。
(1) 在機(jī)件表達(dá)方法的輔導(dǎo)和一般類零件表達(dá)方法環(huán)節(jié),加強(qiáng)理論教學(xué)手段,開發(fā)理論教學(xué)多媒體CAI課件以體現(xiàn)課程教學(xué)內(nèi)容、思維特點(diǎn)以及反映軸、盤、支架、殼體類零件幾何形體表達(dá)、尺寸標(biāo)注、技術(shù)條件的課程培養(yǎng)特點(diǎn),通過教學(xué)使其得到不斷完善,在圖學(xué)表達(dá)能力培養(yǎng)方面發(fā)揮作用。
(2) 在機(jī)件表達(dá)方法和一般類零件表達(dá)內(nèi)容環(huán)節(jié),根據(jù)圖學(xué)實(shí)踐教育的重要性,與理論教學(xué)對(duì)應(yīng)配套1:1學(xué)時(shí)的實(shí)踐環(huán)節(jié),以軸、盤、支架、殼體類零件的課內(nèi)工程測(cè)繪、表達(dá)方案的討論以及相應(yīng)的工程圖樣繪制加強(qiáng)學(xué)生這兩方面能力的培養(yǎng)。
(3) 在典型機(jī)構(gòu)零件表達(dá)方法和部件表達(dá)方法環(huán)節(jié),主要采取與工程測(cè)繪實(shí)踐相結(jié)合的方式進(jìn)行,以部件實(shí)物測(cè)繪方式對(duì)部件及其典型零件進(jìn)行工程圖樣的表達(dá)繪制,以加深學(xué)生對(duì)工作原理、裝配關(guān)系、零件的組成、零件之間的相互作用、尺寸公差、材料以及表達(dá)方案的選擇等內(nèi)容的理解。
(4) 在行業(yè)特色典型機(jī)構(gòu)零件表達(dá)方法環(huán)節(jié),主要結(jié)合目前正在開展的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)相關(guān)的研究工作,如石油鉆采用的泵閥及運(yùn)動(dòng)裝置等都由結(jié)構(gòu)典型的各類零件組成,教師帶領(lǐng)并輔導(dǎo)學(xué)生通過集體討論、分工協(xié)作的方式,繪制其工程圖樣,如圖2所示,增強(qiáng)學(xué)生對(duì)具有行業(yè)特色零部件的表達(dá)能力。
2.3 空間分析能力的培養(yǎng)
空間分析能力的培養(yǎng)方面主要在基本體組合分析、形體構(gòu)形分析、圖與物的相互轉(zhuǎn)化分析、畫圖與讀圖的形體分析和線、面分析環(huán)節(jié)開展課程教學(xué)工作。
(1) 在基本體組合分析和形體構(gòu)形分析環(huán)節(jié),采取案例教學(xué)結(jié)合課上、課后作業(yè)練習(xí)的方式,課內(nèi)測(cè)繪組合體模型,通過視圖選擇、組合體形體分析、三視圖繪制等內(nèi)容加強(qiáng)學(xué)生對(duì)形體分析方法的理解和應(yīng)用。另外,與圖感培養(yǎng)相結(jié)合,給出組合體的一組視圖,如圖3所示,讓學(xué)生盡可能多的構(gòu)想空間形狀,鍛煉學(xué)生空間想象能力。
(2) 在畫圖與讀圖的形體分析、線、面分析和圖與物的相互轉(zhuǎn)化分析環(huán)節(jié),以課上講解具體實(shí)例、課下作業(yè)實(shí)踐輔導(dǎo)方式為主,一方面讓學(xué)生分析基本體形狀和空間位置,利用形體分析方法對(duì)形體進(jìn)行假想拆分,并應(yīng)用于讀圖和畫圖,此外,還要鍛煉學(xué)生還原基本體、分析截面及交線,并應(yīng)用于讀圖與畫圖的能力。
2.4 現(xiàn)代制圖能力培養(yǎng)
現(xiàn)代制圖能力是能夠直接反映學(xué)生的課程學(xué)習(xí)效果的可靠手段,課程教學(xué)的最后階段,補(bǔ)充制圖能力的培養(yǎng),可以激發(fā)學(xué)生的工程實(shí)踐意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí),提高動(dòng)手能力,主動(dòng)運(yùn)用圖學(xué)知識(shí),得到設(shè)計(jì)成果。在工程圖學(xué)教學(xué)內(nèi)容改革的基礎(chǔ)上,課程中補(bǔ)充工程圖樣的計(jì)算機(jī)輔助繪制以及工程零部件的三維幾何建模的教學(xué)和實(shí)踐內(nèi)容[10],分別采用最新版本的AutoCAD和SolidWorks工程軟件。
AutoCAD軟件輔助工程圖樣繪制的教學(xué)內(nèi)容包括圖樣繪制、編輯、圖層、圖塊、尺寸標(biāo)注等,在實(shí)踐環(huán)節(jié)中[11],主要針對(duì)具體的組合體、曲線圖案、一般類零件,如軸、盤、支架、殼體等的圖樣繪制、尺寸標(biāo)注為內(nèi)容對(duì)學(xué)生進(jìn)行培養(yǎng),示例圖樣如圖4(a)所示。SolidWorks軟件輔助三維幾何建模的教學(xué)內(nèi)容包括草圖繪制、零件特征造型、零部件智能裝配、工程圖樣的生成設(shè)計(jì)等,在實(shí)踐環(huán)節(jié)中主要針對(duì)典型的一般類零件的三維特征建模,以及齒輪泵、快速閥等部件所組成零件的三維幾何建模和裝配進(jìn)行培養(yǎng)實(shí)踐,示例圖樣如圖4(b)所示。
圖2 用于學(xué)生實(shí)踐鍛煉的防噴器裝配和零件圖
圖3 用于鍛煉空間想象能力的一組視圖
工程圖學(xué)課程的實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)一直以來課時(shí)安排不夠充分,實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)不夠清晰,學(xué)生很容易將其認(rèn)為學(xué)期末簡(jiǎn)單的拆裝測(cè)繪,未能達(dá)到課程安排的培養(yǎng)目的[12],然而合理設(shè)置這一環(huán)節(jié),是可以很好地培養(yǎng)學(xué)生的工程自覺意識(shí)。因此,依托本校的石油石化行業(yè)背景,開展工程圖學(xué)課程石油鉆采機(jī)械測(cè)繪實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)工作。
實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)突出我校圖學(xué)課程的石油、石化行業(yè)特色,從大一開始加強(qiáng)對(duì)石油機(jī)械的認(rèn)知,為學(xué)生后續(xù)石油類專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ),所采購的鉆采機(jī)械裝備用于師生的室內(nèi)拆裝、工程測(cè)繪和主要工作原理的講解,并在圖學(xué)課程教學(xué)中增加石油鉆采機(jī)械圖樣教學(xué)內(nèi)容。此外可以在假期課程設(shè)計(jì)中,針對(duì)部分有興趣、有潛力的學(xué)生開設(shè)鉆采機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的選修課,進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和實(shí)踐能力。
目前實(shí)驗(yàn)平臺(tái)正在建設(shè)中,現(xiàn)階段購置的設(shè)備包括:井口轉(zhuǎn)盤套、鉆機(jī)傳動(dòng)減速器、螺桿馬達(dá)鉆具、液壓油管鉗、井下抽油泵、實(shí)驗(yàn)臺(tái)架及設(shè)備的拆裝工具等各兩套,并配套鉆采機(jī)械測(cè)繪網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)室和測(cè)繪展示櫥窗等進(jìn)行支持。根據(jù)教學(xué)安排和工程意識(shí)培養(yǎng)目標(biāo),盡可能發(fā)揮實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的最大作用,計(jì)劃開設(shè)的圖學(xué)課程及其他相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如表1。
表1 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的課程設(shè)計(jì)
依托工程圖學(xué)精品課程的快速建設(shè),在學(xué)生的工程意識(shí)、實(shí)踐意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)的教學(xué)培養(yǎng)方面得到了進(jìn)一步的重視,進(jìn)而開展了充分的課程改革探索?;诠こ桃庾R(shí)培養(yǎng)創(chuàng)新課程教學(xué)方法并配合設(shè)計(jì)行業(yè)特色的工程實(shí)驗(yàn)課程環(huán)節(jié),為學(xué)生圖學(xué)能力和工程能力的提高提供了廣闊的空間,也適應(yīng)了本科階段的基礎(chǔ)理論課程與工程意識(shí)培養(yǎng)的人才教育目標(biāo)?,F(xiàn)階段課程建設(shè)和改革是一個(gè)長期的系統(tǒng)工程,還需要不斷優(yōu)化課程內(nèi)容、配套特色實(shí)驗(yàn)設(shè)備和條件,循序漸進(jìn)地提升教學(xué)質(zhì)量,同時(shí)重視加強(qiáng)教學(xué)師資隊(duì)伍的建設(shè),通過豐富中青年教師的工程經(jīng)歷提高教學(xué)水平。
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Analysis of Engineering Graphics Ability Training Methods Driven by the Engineering Consciousness Education
Yi Peng, Liu Yancong, Niu Wenjie, Zhao Junyou, Qin Zhen
(College of Mechanical & Electronic Engineering, China University of Petroleum, Qingdao Shandong 266580, China)
It is important and urgent to cultivate students′ engineering consciousness in undergraduate education. In this paper, the main contents of modern engineering consciousness and ability are analyzed by taking the engineering graphics course as an instance, and the teaching contents in close contact with the engineering consciousness are explored. Based on the feasible scheme of engineering consciousness cultivation, various teaching methods are innovatively designed, and experiment platforms for engineering consciousness improvement are constructed. As a result, a three-dimensional teaching system with diverse methods is finally formed, which provides an effective way for the cultivation of modern innovative engineering talents with strong theory foundation.
engineering consciousness; graphics capabilities; cultivate methods; experimental courses
G 642.0
A
2095-302X(2014)06-0935-06
2014-07-24;定稿日期:2014-10-04
中國石油大學(xué)(華東)青年教師教學(xué)改革資助項(xiàng)目(QN201411);中國石油大學(xué)(華東)研究性課程教學(xué)改革資助項(xiàng)目(YK201319)
伊 鵬(1983-),男,山東淄博人,講師,博士。主要研究方向?yàn)楣こ虉D學(xué)。E-mail:yipupc@163.com