基于多結構集成模型的機械制圖教學實踐

梁曉娟，鄒鳳樓，陳 冰，朱樂西

機械制圖課程的實用教學目標是教會學生繪圖與識圖。繪圖講授把三維形體表達為二維工程圖樣的投影規則及技術方法，識圖講授根據二維圖樣回溯設計者所表達三維形體的思路與方法。機械制圖課程的學習是從三維形體到二維圖樣、從二維圖樣到三維形體的不斷反復的思維活動過程［1］。如何引領學生在課堂上跨過形體想象障礙以提高空間想象能力，從而完成簡單形體的截交、相貫畫法，直至復雜形體的正確表達與工程圖樣的規范繪制和正確讀識，一直以來都是教師教學的重點與難點，也成為教師不斷探索更好的教學方式和方法的領域之一。

結合浙江科技學院卓越工程師項目改革，為培養應用型機械工程技術人才，對機械制圖課程在不斷進行著教學改革與實踐。機械制圖課程群教師在多年教學實踐的基礎上，分析、總結了影響學生形體想象的瓶頸，將典型立體的切割與疊加、常見機械工藝結構匯聚于一個實體模型，制成了便于學生攜帶的直觀的多結構集成模型。經過3年來的機械制圖教學實踐，效果良好。

圖1 多結構集成單體模型Fig.1 Structural integrated single model

1 多結構集成模型的結構特點

多結構集成模型總體設計為帶安裝底板的空心圓柱體結構，采用工程塑料注塑成形。該模型結構具有3個特點。

1.1 多結構集成單體模型與合體模型

為了滿足剖視表達需要，兼顧教學模型及注塑模具制造成本，模型采用非對稱的沿縱面剖分的多結構集成單體結構，如圖1所示。所有單體模型用同一個注塑模型成形，結構、大小完全相同。兩個單體沿縱面合體，并用銷連接即成多結構集成合體模型，如圖2所示。

1.2 常見機械結構綜合展示

集成模型上盡可能多地綜合典型的學生較難理解的常見基本立體切割、鉆孔和虛實相交相貫等結構［2］。圖1和圖2所示的模型共包括19種常見結構特征：圓柱結構，圓柱同軸臺階孔結構，與軸線平行平面和垂直平面截切圓柱結構，空心圓柱U形切口與矩形切口結構，圓柱與空心圓柱正交虛實相貫結構，正四棱柱與空心圓柱正交虛實相貫結構，沉孔結構，肋板結構，底板及其與圓柱體相切相交結構，底板開槽結構，內螺紋結構，退刀槽，鍵槽及銷孔結構。各種結構在教學環節的不同階段均可使用。

1.3 常見機械工藝結構展示

集成模型在一定程度內還組合了常見的機械工藝結構［2］，以方便機械類專業學生從組合體表達到機械零件結構設計的學習。模型包括機械零件典型的底板安裝沉孔結構、肋板結構、臺階孔結構、螺紋結構、退刀槽結構、鍵槽結構、銷孔結構及可減少加工面積的底槽結構。在機械制圖課程教學過程中，也能初步培養學生設計、繪制工藝結構的專業素質。

圖2 多結構集成合體模型Fig.2 Fabricated structural integrated model

2 基于多結構集成模型的教學實踐

2.1 空間思維與想象能力及創造性思維能力的培養

空間思維和想象能力不僅是學好機械制圖課程的必要條件，更是創造性思維、創新設計的必備基礎。從這一意義上說，空間思維和想象能力的培養應是機械制圖課程講授者追求的比實用教學更高層次的教學目標［3］，但在教學實踐中，實現這一目標是非常困難的。由于傳統的教育方法使很多學生從幼兒園到中學過多地被禁錮在書本知識和課堂教學里，對自然界的感知認識極度匱乏，對幾何形體形狀的積累、形體變化及與常見器具零件間的關系的聯想少之又少，使得他們在課程學習過程中遇到了困難。相對于儲備較少的空間思維和想象能力，復雜幾何體的切割、疊加甚至組合對學生是一個較高的臺階，因此，他們在課堂上難聽懂，在作業中錯誤百出，幾個學時下來，學習信心大受打擊，學習興趣、欲望快速下降，以致直接影響到課程的學習效果，更影響他們在創新領域的發展。

在當前的機械制圖教學方法中，一直都在使用實體模型和三維模型來輔助教學［4－6］，但其各有局限。首先，與教材配套的實體模型基本上能夠把各章節的圖例、作業圖樣展示為實體，具體而直觀，對學生理解投影原理、認知實體輪廓與投影圖的對應關系有較大幫助。但實體教學模型多數是教師上課時帶來的，尺寸大、數量少，邊上課邊示范，滿足不了學生對多種結構模型的需要；或者實體模型存放在某個固定地點，滿足不了學生自主學習的隨時隨地性。其次，隨著多媒體教學的深入，三維實體造型模型演示也已廣泛使用。三維模型在課堂教學中發揮了明顯的作用，模型在顯示屏幕上可旋轉、可剖切，能生動地增進學生對結構的認識和理解，但是由于多媒體技術對設備的依賴性和直觀教學在制圖教學中的必要性，三維模型終究不能適應學生更多的學習需要。雖然有多媒體技術的輔助教學，機械制圖課程的學習仍然需要直觀的模型教學，需要將抽象的概念轉變為能看得見、摸得著的實物，而且需要無論在何時何地學習都能在手邊的模型，以幫助理解復雜結構，逐步提高空間思維和想象能力。

集成模型適應了這種需求，體積小、方便攜帶與保管，結構上盡可能多地組合典型的學生較難理解、掌握的和工程設計中常見的實體結構，并在教學過程中逐步給出各結構的各向投影圖，在工程圖表達學習階段給出綜合模型的規范工程圖。教師在課堂教學過程中結合教學內容講解結構，引導學生借助手中的模型加以理解，增加結構的感性認知與積累，提高教學效果；學生在課后自主學習的過程中，借助涵蓋結構較寬的模型可以消化課堂內容、完成作業，進一步了解和想象空間結構，提高空間思維與想象能力及創造性思維能力。

2.2 典型結構正確表達方法的培養

集成模型包括19種常見的典型結構，各種結構在教學的不同階段使用。其中，圓柱結構、與軸線平行平面截切圓柱結構、圓柱同軸臺階孔結構、空心圓柱U形切口與矩形切口結構、圓柱與空心圓柱正交虛實相貫結構、正四棱柱與空心圓柱正交虛實相貫結構，底板及其與圓柱體相切、相交結構等，與機械制圖教學的基本立體的投影、平面與立體相交的投影和立體與立體相交等教學內容結合使用；內螺紋結構、退刀槽、鍵槽及銷孔結構，與連接件與標準件教學內容結合使用；沉孔結構、肋板結構及底板開槽結構等，與零件工藝結構內容結合使用。教學過程中，結合教學內容，通過模型幫助理解結構，有助于典型結構的正確表達。

對照實體集成模型，結合課堂教學內容和課后習題作業，可以給學生對某種結構單獨進行講解，練習其表達方法，如：與軸線平行的平面截切圓柱的截交線畫法、空心圓柱U形切口的投影畫法、空心圓柱矩形切口的投影畫法、圓柱與圓柱外表面相交的畫法、圓柱與空心圓柱正交虛實相貫線畫法、正四棱柱與空心圓柱正交虛實相貫線畫法、肋結構剖與不剖畫法、底板與圓柱體相切相交的投影畫法，內螺紋孔剖視畫法，退刀槽、鍵槽、沉孔及銷孔畫法等。涵蓋結構較寬的集成模型可以幫助學生對典型結構進行充分的認識，對表達方法作不斷的練習，幫助他們培養正確的繪圖能力。如圖3所示，學生從集成模型的正面結構中，可以直觀地觀察到底板與圓柱體相切、相交產生的不同交線，理解其投影畫法。

圖3 集成模型正面結構視圖Fig.3 Front view of integrated model

2.3 規范完整的工程繪圖能力的培養

集成模型為包含安裝底板與空心圓柱的類箱體結構，制作過程中為了滿足剖視表達需要及模型制造成本和攜帶性，采用工程塑料注塑成形制成單體結構。在機械制圖教學過程中，可結合組合體的畫法、常用表達方法及正確繪制零件圖等教學內容，通過模型幫助學生理解與應用三視圖、剖視圖及斷面圖，掌握完整的零件圖繪制方法。

在課堂講授完三視圖的畫法后，可指導學生按照合體模型繪制三視圖，如圖4所示，幫助學生理解基本的三視圖投影規律。

圖4 集成模型三視圖Fig.4 Three－plane projection drawing of integrated model

在深入學習機件的常用表達方法后，學生可進一步改進主視圖，將主視圖改畫成剖視圖（剖切面沿縱面，即單體結構投射），補畫C－C斷面圖，對模型結構完整清晰地表達。結合工程圖表達教學內容，為了保持工程圖樣的完整性、真實性，給學生提供一個規范工程圖模板，將模型尺寸、技術要求及標題欄內容進行完整標注，給出綜合模型的規范工程圖（圖5），幫助學生完整地標注零件圖尺寸、公差及表面粗糙度，撰寫技術要求，填寫標準的標題欄等內容。通過這些過程的學習，提高學生正確繪制規范完整工程圖的能力。

圖5 集成模型規范工程圖Fig.5 Standard engineering drawing of integrated model

3 結 語

機械制圖課程的核心教學目標是提高學生的空間想象力，培養繪制和閱讀規范、完整的工程圖的能力。近幾年來，雖然各種教學方法和教學手段在制圖課程的教學中被廣泛采用，但是實踐證明，傳統的直觀模型教學仍然在機械制圖的課堂教學和學生自主學習過程中起著不可或缺的作用［6］。多結構集成模型作為機械制圖課程教學改革的一部分，使用3年以來，很受學生歡迎，成為學生培養空間想象力和空間思維能力，以及對基本結構認識與掌握等方面的助手，取得了良好的教學效果。

［1］ 邢蕾，姜東華，劉春山.機械制圖課程的三維實體二維機械圖樣轉換教學的思考與實踐［J］.黑龍江科技信息，2009（26）：177.

［2］ 王蘭美，馮秋官.機械制圖［M］.北京：高等教育出版社，2010.

［3］ 謝志燕.利用經典模型在機械制圖教學中激發學生的空間想象力［J］.考試周刊，2012（91）：180.

［4］ 宗榮珍，段江軍，康寶來.卓越工程師背景下《機械制圖》課程教學研究［J］.裝備制造技術，2013（8）：209－211.

［5］ 李大林.《機械制圖》課程教學方法探討［J］.大學教育，2013（17）：123－124.

［6］ 何人葵.機械制圖教學方法的創新分析［J］.科教文匯，2013（26）：46，56.