面向數字化制造的《機械制圖》教學改革

蔣麒麟

（南京工程學院 機械學院，江蘇 南京 211167）

《機械制圖》一直是我國高校機械類專業本科階段必修的重點課程之一，其屬于專業技術基礎課，具有較強的工程特點，實踐性要求較高。隨著時代的發展與科技的進步，《機械制圖》教學中存在的不足和問題引起了廣大高校教育工作者和企業的關注與重視，人們紛紛提出各種改革的觀點和設想。筆者根據多年的教學經驗，建議面向數字化制造，進行教學改革。

1 課程教學的現狀與不足之處

《機械制圖》課程內容一般主要由五個部分組成：制圖基礎、投影理論、表達方法、機械圖樣及計算機繪圖軟件應用。制圖基礎部分主要是制圖國家標準知識的介紹；投影理論部分主要研究空間幾何元素與平面圖形按照“長對正、高平齊、寬相等”的投影規律作相互轉換；表達方法部分主要介紹視圖、剖視圖、斷面圖等機件的常用畫法；機械圖樣部分主要介紹零件圖、裝配圖及部分機械標準件與常用件的畫法；計算機繪圖軟件應用部分一般介紹AutoCAD或CAXA等低端CAD軟件。在教學目標、教學內容、教學方法、教學模式四個方面，該課程的教學現狀與不足之處如表1所示。

2 數字化制造的內涵

數字化制造是指在數字化技術和制造技術相融合的背景下，在虛擬現實、計算機網絡、數據庫和多媒體等支撐技術的輔助下，根據用戶的需求，收集資源信息，對產品幾何信息、工藝信息和資源信息進行分析、規劃和重組，實現對產品設計、功能仿真和原型制造，進而快速生產出滿足用戶需求的產品的整個制造過程。

表1 《機械制圖》課程的教學現狀與不足之處

數字化制造將信息技術應用于產品設計、制造以及管理等產品全生命周期之中，以達到提高制造效率和品質，降低制造工時和成本、實現敏捷響應市場的目的。數字化制造是制造技術，計算機技術、網絡技術與管理科學的交叉、融合、發展與應用，是制造過程的數字化，也是制造企業、制造系統與產品設計制造過程、產品全生命周期不斷實現數字化的必然結果，其主要內容包括計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助工程分析（CAE）、計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助工藝規劃（CAPP）、產品數據庫管理（PDM）、企業資源計劃（ERP）、逆向工程（RE）和快速成型（RP）等。

數字化制造不僅是若干現代高新技術的綜合，也是一種制造理念，一種制造模式，更是制造業領域發展邁進的一種必然趨勢。

3 數字化制造對課程的基本要求

在數字化制造過程中，機械圖樣不僅要被“畫”到計算機里，而且還要把圖形的各種數據信息，以合理的數據結構存儲到計算機里，并且能夠為各種工程應用提供模型基礎。現代機械圖樣,就其本質來說,其是“數”而非“圖”，因為，其是以軟件為載體,包涵著實體的三維幾何信息、拓撲結構和物理特征,通過計算機軟件及其支撐系統的處理,在顯示屏幕上得到虛擬“實體”的“圖像”，作為技術人員進行設計、修改、檢查、分析與處理的依據[2]。基于數字化制造技術建立的三維幾何與資源數據庫，將構思設計、幾何造型、虛擬樣機、裝配檢查、工藝文件編制、數控加工等全過程由數據信息并行傳遞。產品開發不僅包含幾何建模，還要有力學分析、運動分析、仿真分析以及工藝安排、制造方法、測量測試等設計與制造一體化工作。在數字化制造技術的推動下，現代生產模式轉變為:需求分析—構思產品—計算機三維造型—計算機輔助分析—虛擬制造與裝配—數控加工刀軌生成—生產檢驗。

機械圖樣是機械工程技術人員交流的語言，貫穿產品的構思、設計、分析、制造、管理等產品全生命周期。熟練地繪制與閱讀現代機械圖樣是《機械制圖》課程的基本教學目標；具備現代設計與制造理念及相關能力是數字化制造對《機械制圖》課程教學的基本要求。

4 課程教學改革的具體措施

根據前面的分析，筆者建議面向數字化制造進行教學改革，教改措施與特點如表2所示。

表2 《機械制圖》課程的教改措施與特點

4.1 教學目標的改革

在教學目標方面，筆者建議三點：

（1）增強構型設計能力。

（2）增強徒手繪圖能力。

（3）增強中高端數字化制造軟件應用能力的培養。

形體的構型設計是創造性設計的重要表達形式。構型設計教育是一種關于創造的教育，其教學目標是培養學生機構形體設計的創造性，這是培養學生形象與邏輯思維能力的關鍵，也是培養學生工程意識、工程素養以及創新能力的關鍵。在學生創造性構型設計能力培養中，應重點突出三維形體的造型能力[3]。

徒手繪圖是計算機和尺規無法替代的繪圖方式，也是表達設計創意、交流設計思想的有效工具，對于培養學生觀察能力、動手能力以及空間想象能力起著重要的作用，其特點是心想、手到、速成，有利于學生捕捉設計靈感、啟發設計思維。有了計算機繪圖以后，這一方面顯得尤其突出和重要。徒手繪圖應貫穿于該課程教學的始終[4]。

脫離具體軟件的數字化制造是沒有意義的，掌握主流的數字化制造軟件是必須的。在繪制平面圖形方面，AutoCAD或CAXA具有一定的優勢，而在數字化制造領域，它們則顯得捉襟見肘：三維實體造型能力不足、無法做到參數化的全相關尺寸處理、缺少工程輔助分析模塊、沒有數控加工后置處理功能。因此，Catia、Pro/E、UG、MasterCAM、Inventor等一些數字化制造領域應用較廣的中高端計算機軟件應被引入《機械制圖》課程的教學之中。

4.2 教學內容的改革

在教學內容方面，筆者建議四點：

（1）投影理論以“體”為中心。

（2）擴大表達方法的范圍。

（3）三維為主、二維為輔的機械圖樣繪制與閱讀。

（4）數字化制造基礎知識的介紹。

投影理論是前人在長期實踐中創造并不斷完善的一種實用圖示方法，前人用這種方法表達了設計者的思想、傳遞了科技發展的成果，至今仍發揮著巨大的作用。但是，它是手工繪圖時代的產物，雖然其對于開發人的智力、培養與發展空間思維與想象力起到了一定的作用，但是，以點、線、面、體為順序和基礎的畫法幾何學把原本直觀的的立體抽象化了，畫圖和讀圖始終處在一個抽象思維的環境之中，會使得學生更加迷惑。按照人類認知規律，在三維空間中去直接認識和感知幾何形體，才是發展和提高空間想象力的最好方法。所以，投影理論應以“體”為中心，面、線、點作為輔助和補充。

國家標準里規定的視圖、剖視圖、斷面圖等若干表達方法作為《機械制圖》課程的主要教學內容無可非議，但是，其他一些表達方法，包括軸測圖、透視圖、展開圖等，也應納入該課程的教學范圍。表達方法的寬泛性有助于設計思維的拓展，如軸測圖、透視圖在提高形象思維能力和表達設計理念方面功不可沒，而在特定機械行業，如鈑金制造業，展開圖的作用則非常明顯[5]。

與傳統的以二維視圖表達產品的設計相比，從三維構形開始的設計更符合人的設計思維邏輯。隨著計算機造型與輔助設計能力的日益提高，產品的設計過程常常是從三維構形開始的。因此應從三維設計開始，圍繞數字化制造這一主題，從形體的三維構形和表達出發，向二維視圖輻射，同時突出多種視覺表達方式在設計和加工過程中的綜合應用。

作為一門技術基礎課，在《機械制圖》教學中，一些數字化制造的基本概念與基礎知識應作一些簡單的介紹，讓學生了解一定的專業入門知識，如現代設計與制造的理念、尺寸驅動的參數化建模、形狀特征對應的典型加工方法、數控加工前置與后置處理等。這對于學生后續專業課程的學習也奠定了一定的概念基礎。

4.3 教學方法的改革

在教學方法方面，筆者建議：在講授法、練習法的基礎上，融合討論法、參觀法、案例法等多種教學方法。

在《機械制圖》教學中，傳統的教學方法是講授法和練習法：理論部分教師講解，一定的課時讓學生來動手練習。雖然在知識傳遞和能力培養方面，兩種方法具有一定的積極作用，但是對于師生之間的充分交流、學生創新能力的訓練、學生學習興趣的產生、學生動手實踐能力的提高等方面，傳統的教學方法顯得力不從心。

針對具體的教學內容，如表達方法的綜合應用部分，應采用討論法教學，拓展學生思路，不拘泥于狹窄的、甚至單一的思維空間，鼓勵和促進學生充分的思考和討論；如基本體與組合體部分，應采用參觀法教學，引領學生參觀實體的和虛擬的（網絡）制圖模型室（庫），在完成對形狀各異、品種繁多的立體模型參觀之后，感性認識與視覺觀察力自然得到了提高；如裝配圖部分，應采用案例法教學，教師將實際的設計開發類課題引入課程教學，或者把課題分解成多個子課題，交給多個小組，雖然學生缺乏足夠的工程應用知識與能力，距離課題完成的總體目標相距甚遠，但是學生在查閱資料、綜合分析、構型設計、繪制圖樣、作品展示等工作過程中，他們的自主學習能力、綜合表達能力、實踐動手能力和溝通技巧、團隊協作精神都會得到一定的訓練和培養。

4.4 教學模式的改革

在教學模式方面，筆者建議：更新傳統面授教學，采用循環動態教學模式。

在傳統的教學模式中，教師決定著教學方向和內容，掌握著教學進程、方法和結果，雖然有時也要求發展學生的主觀能動性，但學生更多地是處在一個被動接受的位置，因此傳統的教學過程實質上是一個以“教”為主導的過程。

循環動態教學模式以建構主義學習理論為基礎，采用協作學習的結構化模型，在數字化校園平臺之上，通過對多種教學媒體信息的選擇與組織來反映教學過程和教學策略。在循環動態教學模式中,學生不再是被動地接受課程教學信息,而是主動地參與教學過程,他們采用新穎而熟練的現代學習方法,對知識進行提取、整合、再創造,并作為自身的學習成果。因此，循環動態教學模式強調的重點體現在學生的學習上，而不是教師的講課上，體現在名副其實地改變學生的學習方式，實現真正意義上的、以培養學生探索精神和創新能力為目的的“交互式學習”和以培養學生協作精神和溝通能力為目的的“合作式學習”[6]。

循環動態教學模式基本框架如圖1所示。

圖1 循環動態教學模式基本框架

5 結束語

在機械工程領域，數字化制造正朝著網絡化、集成化、智能化的方向發展，作為重要制造信息載體的機械圖樣，理應與數字化制造技術的發展趨勢相適應，為現代化生產提供先進、實時、可靠的基礎信息。熟練地繪制與閱讀現代機械圖樣是《機械制圖》課程的基本教學目標，該課程的教學改革必須與數字化制造技術相適應。這對于培養具備綜合素質的、適應數字化時代發展要求的專業技術人才具有十分重要的現實意義。

[1]梁治鋼.數字化制造的研究及數控代碼自動編程的實現[D].蘭州理工大學碩士論文，2007:1-7．

[2]王成剛.對二維與三維工程圖的思考[J].湖北工業大學學報，2007,(6):86-89．

[3]陳錦昌，陳熾坤.基于構型設計的工程圖學教學體系的探討[J].工程圖學學報，2008,(5):130-132．

[4]馮 涓.美國高校工程圖學教育特色分析[J].工程圖學學報，2008,(3):139-144．

[5]胡 琳，程 蓉.淺論中、英“工程圖學”教育的差異[J].北京大學學報，2007,(5):110-114．

[6]李勇帆.論新世紀數字化教學的內涵與特性及對教師的基本要求[J].電化教育研究，2002,(5):3-8．