深化機(jī)械制圖教學(xué)改革 培養(yǎng)高技能創(chuàng)新型人才

宋洪俠

（大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

1 世界技能組織及中國首次參賽簡介

世界技能大賽是世界技能組織（簡稱WSI）舉辦的世界頂級賽事。世界技能組織成立于1954年，總部設(shè)在荷蘭阿姆斯特丹，目前有58 個(gè)國家和地區(qū)成員。其宗旨是，通過成員之間的合作，促進(jìn)青年人和培訓(xùn)師的職業(yè)技能和水平的提升，并積極推廣職業(yè)技能，加強(qiáng)各國在職業(yè)技能領(lǐng)域的合作與交流[1]。世界技能組織自1989 年起每兩年舉辦一次世界技能競賽，被稱為世界“技能界的奧林匹克”。其核心價(jià)值觀是正直、透明、公平、合作和創(chuàng)新，這些精神被認(rèn)為是世界技能組織的支柱。大賽注重選手的綜合能力、作品創(chuàng)意、服務(wù)質(zhì)量、工藝精準(zhǔn)度的考察。

2011 年10 月5-8 日在英國倫敦舉辦了第41屆世界技能大賽，共設(shè)置了46 個(gè)競賽項(xiàng)目，涵蓋了交通與物流、構(gòu)造與建筑、機(jī)械制造、信息和通訊、創(chuàng)意與時(shí)尚、社會和個(gè)人服務(wù)等6 個(gè)方面。我國首次派選手分別參加了數(shù)控車、數(shù)控銑、機(jī)械設(shè)計(jì)CAD、網(wǎng)頁設(shè)計(jì)、焊接及美發(fā)共6 個(gè)項(xiàng)目的比賽。通過代表團(tuán)上下一心、共同努力，各位選手經(jīng)過4 天的奮力拼搏，獲得了參賽選手平均分在48 個(gè)參賽國（地區(qū)）中位列第二名的好成績，且焊工選手裴先峰在激烈角逐中獲得銀牌，其他選手均獲得了優(yōu)勝獎(jiǎng)。作為機(jī)械設(shè)計(jì)CAD 項(xiàng)目組的技術(shù)翻譯，我全程參與選手推薦、培訓(xùn)跟蹤、2011 年6 月倫敦?zé)嵘碣惣?0 月份的正式比賽，對大賽有比較深刻的了解，感受頗多。

2 41 屆WSC 機(jī)械設(shè)計(jì)CAD 競賽項(xiàng)目介紹

2.1 項(xiàng)目簡介

不同比賽項(xiàng)目具體規(guī)則不同，機(jī)械設(shè)計(jì)CAD項(xiàng)目所有賽題均當(dāng)天現(xiàn)場發(fā)放，這與其他大部分項(xiàng)目不同（一般提前3 個(gè)月給出，賽場改變30%）。因此，要求選手具有堅(jiān)實(shí)的機(jī)械工程基礎(chǔ)知識、靈敏的整機(jī)裝配意識、極強(qiáng)的設(shè)計(jì)應(yīng)變能力和高超的軟件應(yīng)用技能。這些都要基于平時(shí)的扎實(shí)學(xué)習(xí)和大量高強(qiáng)度的賽前訓(xùn)練功底，才能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)高質(zhì)量完成競賽項(xiàng)目。機(jī)械設(shè)計(jì)CAD 項(xiàng)目所用軟件是Autodesk 公司贊助的教育版Inventor professional 2012，所有競賽題目均由該公司資深設(shè)計(jì)專家提供，全部項(xiàng)目必須基于ISO 標(biāo)準(zhǔn)完成。選手在4 天22 小時(shí)內(nèi)共完成4 個(gè)模塊，涵蓋了機(jī)械制圖、機(jī)械設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)三維建模與裝配、三維動畫模擬、鋼結(jié)構(gòu)、鈑金件設(shè)計(jì)及測繪等，具體內(nèi)容如表1 所示。

表1 競賽時(shí)間安排表

從表1 可知，特征建模及裝配占總分值的46.5%（近1/2），尺寸與技術(shù)要求占25.5%（近1/4），圖樣表達(dá)（圖形、動畫、渲染）占28%（近1/4）。

2.2 項(xiàng)目具體內(nèi)容

第1 天的項(xiàng)目主要考察選手的讀圖、建模、裝配、動畫、制圖、ISO 標(biāo)準(zhǔn)掌握及軟件應(yīng)用等機(jī)械設(shè)計(jì)CAD 的基本技能。題量大，難度中上，對于各國的頂尖選手，也有一半完不成規(guī)定的任務(wù)。圖1 為組裝后的汽車模型，其中車體、車輪、前部間壁支架、底盤等零件是給定的，將大約60個(gè)零件（含標(biāo)準(zhǔn)件）要組裝到一起，并完成子裝配和整車裝配過程的動態(tài)演示及復(fù)雜結(jié)構(gòu)—前部間壁支架（如圖2 所示）的制造工程圖。

圖1 組裝后的遙控汽車模型

圖2 車前部間壁支架

第2 天的項(xiàng)目重點(diǎn)考察選手車體零件運(yùn)輸系統(tǒng)的整體拼裝能力、焊接桁架設(shè)計(jì)、鈑金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動畫表達(dá)能力。該物料輸送機(jī)構(gòu)是現(xiàn)代工廠流水線上比較典型的輸送機(jī)構(gòu)，如圖3 所示。

具體分析可知，前兩個(gè)項(xiàng)目屬常規(guī)化的技能型項(xiàng)目，選手經(jīng)過一定的訓(xùn)練拿到20 分以上沒太大問題。但第3 天的項(xiàng)目以設(shè)計(jì)為主，注重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、運(yùn)動傳遞的可行性、概念設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性、運(yùn)動過程模擬的真實(shí)性。

從比賽進(jìn)程看，因設(shè)計(jì)是難點(diǎn)，設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是拉開分值的關(guān)鍵項(xiàng)目。計(jì)量泵如圖4 所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，含有蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)。在沒有裝配圖的情況下，選手憑借對設(shè)備的敏感度，將所給零部件組裝成計(jì)量泵。同時(shí)，根據(jù)給定的參數(shù)，利用設(shè)計(jì)加速器或旋轉(zhuǎn)切出蝸桿，完成蝸桿設(shè)計(jì)。蝸輪上的曲柄驅(qū)動帶滑槽的擺桿以帶動活塞實(shí)現(xiàn)泵的吸、排工作過程。

圖3 車體物料運(yùn)送機(jī)構(gòu)

圖4 改進(jìn)后的計(jì)量泵

圖5 為項(xiàng)目給定剪刀式升降運(yùn)輸機(jī)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)草圖。其下部液壓缸為主動件，驅(qū)動剪刀機(jī)構(gòu)升降。此項(xiàng)目要求磙子輸送托盤在下方有驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動下回轉(zhuǎn)90°以銜接下一個(gè)輸送軌道，圖6 為滿足全部要求的概念設(shè)計(jì)結(jié)果。

第4 天的項(xiàng)目屬反求設(shè)計(jì)，即根據(jù)給定的零件，如圖7 和圖8 所示。通過手工測量后，構(gòu)造其三維模型，并生成制造工程圖。考察測量的精準(zhǔn)性、特征建模的正確性、尺寸標(biāo)注的完整性、技術(shù)要求的合理性。初步觀察零件似乎不難，實(shí)際存在大量的孔、凸臺、圓角及傾斜特征，且基準(zhǔn)定位面不明顯。易導(dǎo)致測量不準(zhǔn)、尺寸標(biāo)注缺失、幾何公差基準(zhǔn)難確定等。因此，要求選手具備一絲不茍且高超的測量、建模及工程圖編輯能力（零件在選手處只保留2 小時(shí)）。

圖5 剪刀式升降運(yùn)輸機(jī)構(gòu)概念草圖

圖6 剪刀式升降運(yùn)輸機(jī)構(gòu)模型

圖7 測量用零件下面

圖8 測量用零件上面

3 世界技能機(jī)械設(shè)計(jì)CAD 項(xiàng)目帶來的啟迪

從4 天競賽項(xiàng)目的復(fù)雜程度和難度可見機(jī)械設(shè)計(jì)CAD 的發(fā)展趨勢及其在現(xiàn)階段和未來工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程中所起的作用。使我們清楚地意識到當(dāng)今機(jī)械設(shè)計(jì)類高技能創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的基本目標(biāo)及人才需求的大方向。

中國在由制造大國向制造強(qiáng)國邁進(jìn)的過程中，急需大批高技能創(chuàng)新型人才。中國參加世界技能大賽就是本著熟悉規(guī)則，了解動態(tài)，積累經(jīng)驗(yàn)，學(xué)習(xí)交流和提高技能人才培養(yǎng)水平為目的[3]。競賽給我們帶來了深刻的啟迪，即在注重設(shè)計(jì)和制圖效率的同時(shí)，更注重設(shè)計(jì)及圖紙的質(zhì)量、精度和可加工性、以及設(shè)計(jì)表達(dá)及模擬的真實(shí)性，這恰恰是我們教學(xué)中容易忽略之處。

縱觀國內(nèi)高校機(jī)械大類培養(yǎng)計(jì)劃，機(jī)械設(shè)計(jì)CAD 通常融匯在機(jī)械制圖、機(jī)械加工基礎(chǔ)、機(jī)械精度設(shè)計(jì)及檢測技術(shù)、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)等必修課及CAD/CAM 選修課中，這些課程一般要大三結(jié)束時(shí)才能學(xué)完。按照我國大學(xué)生的基本入學(xué)年齡計(jì)算，那時(shí)都超過22 歲，不具備基本的比賽資格。由于各課程學(xué)習(xí)的銜接性不強(qiáng)，缺乏課程獨(dú)立性項(xiàng)目設(shè)計(jì)及各課程間綜合性應(yīng)用項(xiàng)目的研究，我國大學(xué)生應(yīng)對這樣的高水平國際賽事有相當(dāng)?shù)碾y度。誠然我們培養(yǎng)人才的目的不只是為了參賽，而參照參賽項(xiàng)目重新審視人才培養(yǎng)的大方向更是我們應(yīng)該思考的問題。

機(jī)械制圖屬工科大類技術(shù)基礎(chǔ)課，一般設(shè)在大學(xué)一年級，此時(shí)，學(xué)生年齡大多不到20 歲，是最佳的學(xué)習(xí)年齡，卻也是基本不具備任何專業(yè)知識的年齡。對學(xué)生而言，機(jī)械制圖是他們最早接觸到的專業(yè)課，充滿了好奇和求知愿望，如何利用這個(gè)極好的契機(jī)帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)到更多的有關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)CAD 方面的知識是機(jī)械制圖教師的責(zé)任和義務(wù)。同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生積極參加與世界技能大賽相關(guān)的各類選拔賽，展現(xiàn)中國機(jī)械設(shè)計(jì)年輕技能人才實(shí)力、推動中國技能人才培養(yǎng)進(jìn)程。

4 國內(nèi)高校機(jī)械制圖課程教學(xué)需要改革

4.1 機(jī)械制圖課程教學(xué)目標(biāo)定位需要提高

機(jī)械制圖教學(xué)內(nèi)容和難度同該競賽項(xiàng)目相比差別甚大[3]。教學(xué)大綱重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)投影規(guī)則、視圖表達(dá)、簡單的二三維CAD 繪圖知識等。國內(nèi)機(jī)械制圖教材很少涉及與繪圖關(guān)聯(lián)十分密切的設(shè)計(jì)應(yīng)用內(nèi)容，主要以介紹投影規(guī)則和解析國家機(jī)械制圖標(biāo)準(zhǔn)為主，學(xué)生學(xué)完了機(jī)械制圖課程不知道為什么而學(xué)、學(xué)了做什么、今后怎么做的大有人在。

4.2 教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用的聯(lián)系需要加強(qiáng)

通過選手培訓(xùn)和競賽的全過程可知，我國選手機(jī)械設(shè)計(jì)CAD 基礎(chǔ)教育非常欠缺。教學(xué)內(nèi)容能夠用到生產(chǎn)設(shè)計(jì)實(shí)踐中的不足20%，尤其是工程圖中的尺寸和技術(shù)要求標(biāo)注不注重可測性和可加工性，大多遵從與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)相一致的原則，這與國外高等教育或職業(yè)技能教育注重緊密聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際形成巨大的反差。如何縮小差距以增強(qiáng)我國在該項(xiàng)目上的實(shí)力是教師必須深思和要解決的問題，并從整體上提升機(jī)械制圖教學(xué)水平。

4.3 教學(xué)模式需要更新

多年來的教學(xué)改革成效不甚明顯。教學(xué)模式總脫離不了課堂教授為主，課下完成局部知識點(diǎn)對應(yīng)的簡單作業(yè)為輔的教學(xué)模式。課程缺少綜合性、深入性、與實(shí)際應(yīng)用緊密聯(lián)系的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，亦缺少客觀考核學(xué)習(xí)效果的評價(jià)方式，致使學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力得不到應(yīng)有的鍛煉和提高。尤其是缺乏引導(dǎo)學(xué)生深入學(xué)習(xí)較復(fù)雜機(jī)構(gòu)圖樣的項(xiàng)目，無法更好地激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的潛能。

5 機(jī)械制圖教學(xué)改革的具體措施

切實(shí)轉(zhuǎn)變觀念，加大改革力度。在機(jī)械制圖教學(xué)中融入更多的設(shè)計(jì)元素、實(shí)際應(yīng)用元素、現(xiàn)代設(shè)計(jì)表達(dá)元素等，以期調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激勵(lì)他們奮發(fā)向上，主動探索，打好機(jī)械設(shè)計(jì)CAD 基礎(chǔ)。我們培養(yǎng)的是具有創(chuàng)新能力的人才和現(xiàn)代設(shè)計(jì)工程師，要徹底改變單一化理解“機(jī)械制圖”的陳舊觀念，才有助于高技能創(chuàng)新型人才培養(yǎng)這一國家戰(zhàn)略性大計(jì)的貫徹和實(shí)施。

5.1 調(diào)整教學(xué)重點(diǎn)，加強(qiáng)上機(jī)實(shí)踐環(huán)節(jié)

壓縮畫法幾何內(nèi)容，把更多的時(shí)間分配給機(jī)械制圖及上機(jī)實(shí)踐指導(dǎo)。教學(xué)中注重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理化、圖紙表達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)化、尺寸及技術(shù)要求標(biāo)注可測性及可加工性。

5.2 急需編輯出版融機(jī)械制圖、設(shè)計(jì)、三維軟件應(yīng)用為一體的新型教材

繼承原有機(jī)械制圖教材細(xì)膩與規(guī)范的優(yōu)點(diǎn)，需要更多地結(jié)合設(shè)計(jì)和應(yīng)用實(shí)例，從設(shè)計(jì)、工作過程仿真、工程圖出圖等方面，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)好、用好“機(jī)械制圖”知識的教材盡早問世。強(qiáng)化設(shè)計(jì)、制圖、表達(dá)三者間的關(guān)系，切實(shí)提高學(xué)生的綜合運(yùn)用能力和現(xiàn)代設(shè)計(jì)能力。

5.3 圍繞工程應(yīng)用實(shí)踐培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力[4-6]

從機(jī)械設(shè)計(jì)CAD 技能大賽的競賽分值所占百分比可知三維設(shè)計(jì)、工程圖表達(dá)及標(biāo)注、動態(tài)模擬是高技能人才必備的現(xiàn)代設(shè)計(jì)技能。教學(xué)中應(yīng)圍繞工程應(yīng)用實(shí)踐，著重結(jié)合項(xiàng)目學(xué)習(xí)法深入剖析部件的工作原理、設(shè)計(jì)特色、功能結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、視圖表達(dá)、制造工程圖的生成、動態(tài)拆裝及工作過程模擬等內(nèi)容的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，以掌握這些現(xiàn)代設(shè)計(jì)基本技能，為優(yōu)秀人才成長打下良好基礎(chǔ)。

5.4 解放思想，轉(zhuǎn)變觀念，大力推廣應(yīng)用研究型教學(xué)模式

機(jī)械制圖絕不是簡單意義上的基于投影對應(yīng)關(guān)系的二維繪圖。一方面二維圖形信息已遠(yuǎn)不能適應(yīng)現(xiàn)代設(shè)計(jì)和制造的需求；另一方面為縮短設(shè)計(jì)周期，三維虛擬設(shè)計(jì)已成為必然，因此，當(dāng)今的機(jī)械制圖應(yīng)該是建立在三維設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上，無法將制圖與設(shè)計(jì)割裂開來，這就給機(jī)械制圖教學(xué)帶來了挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

教學(xué)中從探究出發(fā)，結(jié)合不同的工程項(xiàng)目或產(chǎn)品，給學(xué)生提供關(guān)鍵性的指導(dǎo)，讓他們發(fā)揮主觀能動性，自覺投入到項(xiàng)目學(xué)習(xí)中，以團(tuán)隊(duì)形式完成項(xiàng)目作業(yè)[4,6]。同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生盡量從身邊看得見、摸得著的實(shí)物出發(fā)，從概念設(shè)計(jì)、改進(jìn)設(shè)計(jì)、發(fā)明創(chuàng)造的角度發(fā)掘設(shè)計(jì)靈感。完成設(shè)計(jì)的過程就是他們階段性自我實(shí)現(xiàn)的過程，巨大的成就感會促使他們不斷進(jìn)取。從而扎實(shí)掌握建模及裝配、拆裝過程及工作原理仿真、制造工程圖編輯和出圖等一系列必備知識，打好機(jī)械設(shè)計(jì)CAD 基礎(chǔ)，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)和現(xiàn)代設(shè)計(jì)技能的進(jìn)一步提高奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。

多年來，國內(nèi)不少高校在機(jī)械制圖教學(xué)改革中做了很多工作，各有特色。以大連理工大學(xué)機(jī)械制圖課程教學(xué)為例簡要說明該教學(xué)模式的優(yōu)點(diǎn)。我們一直秉承著繼承與創(chuàng)新并重，制圖與設(shè)計(jì)并行的教學(xué)理念，全程采用應(yīng)用研究型教學(xué)模式，因此，每年都有80%以上的學(xué)生通過機(jī)械制圖課程的學(xué)習(xí)，不僅掌握了機(jī)械制圖的基本知識，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新上都有嘗試和突破。自2009 年以來有多名學(xué)生參加亞太地區(qū)、國家級、省級的機(jī)械設(shè)計(jì)大賽，CAD 二維、三維認(rèn)證，全國大學(xué)生機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)大賽，以及2 名非常優(yōu)秀的學(xué)生作為世界技能大賽的最終備選選手等，他們都取得了很好的成績。這些是得益于機(jī)械制圖課程的研究型教學(xué)模式，學(xué)生們在后續(xù)課程的學(xué)習(xí)中柔韌有余，受益匪淺。

6 總 結(jié)

切實(shí)加大改革力度，將機(jī)械制圖教學(xué)作為技術(shù)基礎(chǔ)和學(xué)生職業(yè)生涯的重要素質(zhì)來培養(yǎng)。中國從制造大國向制造強(qiáng)國邁進(jìn)靠的是人才，參加世界技能大賽的親身感受使我們清楚地意識到還有很長的路要走。為此，機(jī)械制圖教師必須增強(qiáng)使命感、時(shí)代感、責(zé)任感，為高技能創(chuàng)新型人才培養(yǎng)做出自己的貢獻(xiàn)。

[1] 劉 杰, 席冬梅. 啟示與借鑒——世界技能競賽考察報(bào)告[J]. 中國職業(yè)技術(shù)教育, 2012, (4): 11-17.

[2] 王曉初. 五措并舉 備戰(zhàn)2013 世界技能大賽[J]. 職業(yè), 2012, (2): 8.

[3] 郭慧婷, 曾 珠. 誰能決勝于世界技能舞臺_第41屆世界技能大賽六大賽項(xiàng)技術(shù)點(diǎn)評[J]. 職業(yè), 2012, (2): 12-14.

[4] 胡 琳. “工程制圖”工程項(xiàng)目引入法實(shí)踐教學(xué)模式的研究與實(shí)踐[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 31(2): 167-173.

[5] 李冬梅, 張持重, 張耀娟, 等. 以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標(biāo)的設(shè)計(jì)圖學(xué)課程改革的研究與實(shí)踐[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 31(3): 161-164.

[6] 宋洪俠, 王丹虹. 實(shí)施工程圖學(xué)應(yīng)用研究型教學(xué)模式[C]//教育與教學(xué)研究論文集. 大連: 大連理工大學(xué)教務(wù)處, 2011: 347-351.