試論基于數字化制造的職教機械制圖教學改革

高恒星

摘要：在數字化制造技術不斷發展和廣泛應用的背景下，工程圖讀繪方法和能力要求也在不斷發生變化。本文提出，職業教育機械制圖課程作為培養技能型人才工程圖應用能力的核心課程，需要緊跟技術進步和生產實際來改革教學內容和教學方法，將數字化制造軟件應用與工程圖讀繪能力培養相結合，達到基于數字化制造背景的職教機械制圖課程教學目標。

關鍵詞：數字化制造 職業教育 機械制圖 課程改革

課題：本文為江蘇省淮安技師學院國家級高技能人才培訓基地建設項目數控加工專業技能人才培養規律及培訓模式研究成果之一。

2015年8月，教育部印發《關于深化職業教育教學改革全面提高人才培養質量的若干意見》，要求推進專業教學緊貼技術進步和生產實際。對接最新職業標準、行業標準和崗位規范，緊貼崗位實際工作過程，調整課程結構，更新課程內容，深化多種模式的課程改革。機械制圖課程作為培養技術技能型人才應用工程技術語言能力的重要學科，也必須緊密結合產業發展實際，推動教育教學改革與產業轉型升級銜接配套。

一、基于數字化制造技術的機械設計與制造

數字化制造技術是數字化技術和制造技術的融合，它是制造技術、計算機技術、網絡技術與管理科學的交叉、融和、發展與應用的結果。隨著工業4.0時代的到來，國家出臺“中國制造2025”規劃，大力推進信息化與工業化深度融合，數字化制造技術成為推動企業產業升級的有力推手。在數字化制造技術不斷發展的時代，產品設計、制造信息平臺，從二維向三維轉變，從三維模型和二維工程圖信息獨立向數據關聯轉變，從設計、工藝、制造、檢驗、維修的獨立信息載體向基于模型定義（MBD）技術的集成-化信息載體轉變。當前，各類企業都在不同程度上應用數字化制造技術來實現生產和管理過程的信息化，提高生產效率和進行質量控制，數字化制造技術不斷影響和改變著制造企業傳統的生產以及管理方式。

二、數字化制造技術推動r程圖繪制和識讀方式的改變

傳統工程圖是建立在二維設計基礎上的，以二維視圖、各類符號標注和文字說明來定義產品設計和制造信息。隨著計算機技術的發展和CAD軟件技術的不斷成熟，作為產品設計制造信息載體，工程圖經歷了從二維工程圖到三維實體模型的三個發展階段，即：“二維設計，二維出圖”階段、“三維設計，二維出圖”階段、MBD全三維數字化設計制造階段。在中、小型制造企業中，數字化制造技術的應用處在三維模型和二維工程圖表達相結合的設計與制造階段，即“三維設計，二維出圖”階段，以三維CAD軟件為設計平臺，三維CAD模型以表達產品幾何特征等設計信息為主要任務，以二維CAD軟件為制造信息表達平臺，采用包含軸測圖的二維工程圖表達產品尺寸、公差、粗糙度、工藝等制造信息為主要任務，兩者都可以作為零部件生產和裝配的技術文件。基于數字化制造技術的三維CAD模型必須依存于信息技術載體，二維工程圖無論是無紙還是紙質載體，其與傳統工程圖讀繪能力要求都有明顯變化，如表1所示。

以數字化制造軟件技術為支撐的產品定義載體，工程圖的讀繪方式和相應的能力要求，都發生了明顯改變。從當前職業教育機械制圖課程教學目標看，傳統的工程圖樣讀繪能力培養占主導地位，而對數字化制造軟件在工程圖領域的應用能力培養，還沒有引起足夠重視，或者說傳統的工程圖讀繪能力與數字化制造技術條件下工程圖讀繪能力培養還沒有緊密結合起來，將計算機繪圖技術當做代替手工尺規繪圖手段的思想仍然流行，按照傳統教學方式對學生進行大強度讀圖和繪圖訓練的教學方法還普遍存在，部分計算機繪圖課程培養目標停留在“畫圖”層面，局限于具體繪圖命令的講解，而機械制圖課程對于計算機繪圖技術的應用不夠徹底，存在能力培養脫節現象。

三、機械制圖課程融合CAD技術是產業轉型升級的需要

傳統的機械制圖課程教學強調學生二維圖樣的繪圖和讀圖基本功訓練。這部分內容是教學重點，也是課程學習的難點。由于工程圖表達的信息與工程實踐結合緊密，需要一定實踐經驗積淀和反復練習才能熟練掌握工程圖讀繪技能。因此，在課程學習階段，即使師生花費大量的時間和精力，效果有時也不盡如人意。在數字化制造技術引領制造業信息化的時代，計算機繪圖技術已經超越代替傳統手工繪圖的功能，成為工程技術語言的新載體，不僅促進了“甩圖板”和“甩圖紙”的技術更新，更是當前整個產品生命周期過程中不可或缺的信息載體。機械制圖課程作為培養應用工程技術語言的核心課程，其培養目標和對應教學內容必須與這一變化相適應。機械制圖課程以培養工程圖的識讀與繪制能力為基本目標毋庸置疑，CAD軟件技術作為數字化制造技術的核心，機械制圖課程教學需要借力和順應數字化制造技術，來有效提高技能型人才基于數字化制造技術的工程圖識讀與繪制能力。因此，需要將CAD軟件技術應用能力真正融合到工程圖讀繪能力培養過程中，而不僅僅是作為代替手工繪圖的工具，存在于相互獨立的教學中。

在課程教學中以CAD軟件三維造型為主線，應用易學易用的國產軟件CAXA實體設計或UG、solidWorks等其他常用的數字化制造軟件，按照在制圖課程學習中“實用、夠用”原則，教會學生基本三維造型方法，三維模型轉二維視圖基本方法，以及二維工程圖標準化設置、尺寸標注、技術要求標注等基本方法。學生在學習機械制圖課程過程中，就能習慣于應用數字化制造軟件，按照工程圖標準來表達產品定義相關信息。

四、機械制圖課程教學內容和方法的滯后性

職業教育所培養的是中、高級技術技能型人才，突出人才職業能力的應用型和技術的實用性。在企業廣泛采用數字化制造技術背景下，作為培養應用工程技術語言能力的機械制圖課程，其教學目標和教學內容必須與制造業技術發展同步。

受機械制圖課程教學內容、教學方法的傳統慣性影響，以及大部分職業院校教師到企業實踐的機會有限，缺乏足夠的工程實踐經驗，課程教學內容與企業新技術應用存在一定的滯后性，培養目標與企業要求存在一定差距。從當前各類職業院校選用的機械制圖課程教材看，無論從傳統到當前的縱向比較，還是從中職到高職的橫向比較，機械制圖課程主要教學內容的結構體系基本沒有太大變化。基本按照制圖基本國標與基本技能、正投影作圖基礎、點線面投影、軸測圖、組合體、機件表示法、零件圖、裝配圖、零部件測繪、計算機繪圖、其他圖樣（選學）來編排。對于計算機繪圖內容，通常有三種教學方式，即單獨開設計算機繪圖課程，制圖課程中集中教學授，或者分散教學。機械制圖課程的實踐性和職業性，要求學以致用、用以促學、學用相長，教學改革要求與產業與技術發展同步，但教學內容的滯后性影響基于數字化制造技術的工程圖讀繪能力培養。

由于新知識、新技術不斷涌現，以培養應用型技能人才為目標的職業教育課程體系逐步以實踐教學為中心，不斷推進教學模式改革，導致機械制圖課程總教學課時有相對壓縮的趨勢，由于機械制圖課程學習對抽象思維的高要求，課程與工程實踐結合的緊密性，學生缺少工程實踐經驗等因素，課程學習客觀上存在一定困難。因此，要達到滿足企業需求的職業能力，必須進行有效的課程改革。在本校多屆的畢業生就業雙選會上，如富士康（富準、鴻準）模具、舍弗勒（昆山）等眾多企業對畢業生筆試選拔中，工程圖讀繪能力測試是必考項目，而且占有筆試成績的很大比例，其中第三角畫法、與數字化制造技術相關的圖樣讀繪能力等企業正在應用的技術，都是常見的考核內容，企業對應用型技能人才工程圖讀繪能力的要求可見一斑。

五、基于數字化制造技術的機械制圖教學內容改革

基于數字化制造技術在工程圖表達中的應用，對機械制圖教學內容進行增減處理。一方面，增加新技術、新方法，強化相關內容學習，為適應技術發展需要和后續課程學習奠定基礎。另一方面，對教學內容中脫離培養目標和生產實際的知識、技能進行刪減，不僅突出了教學重點，體現教學內容的先進性，也體現職業教育“實用性”原則。至于在傳統教學內容中，利用尺規繪圖技能訓練和讀圖技能訓練，雖然可培養學生一絲不茍、嚴謹認真的工作作風，以及空間想象能力和抽象思維能力，但針對職業教育培養對象和培養目標，教學內容應有利于緊貼崗位需求的應用性和實用性能力培養，而更高層次的職業素養應在未來的職業生涯中逐步提升。基于數字化制造技術的機械制圖教學內容增減建議，如表2所示。

六、基于數字化制造技術的機械制圖教學方法改革

1.圍繞數字化制造技術重新把握教學重難點

機械制圖課程傳統內容結構體系符合工程圖知識技能認知和發展規律，但由于信息化技術，特別是數字化制造技術的廣泛應用，其傳統意義上的部分教學重、難點已經不能適應當前機械制圖課程培養目標的需要，圍繞數字化制造技術條件下工程圖讀繪能力要求，重新確定教學重點、難點，才能在有限的教學時間內保證教學目標的實現。如突出制圖標準、平面圖形分析、組合體和機件圖樣正確的讀繪思維方法和步驟、尺寸和技術要求標注及其含義、圖樣表達方法的正確應用、CAD軟件三維造型和二維視圖轉換及其標注等。

2.CAD軟件應用與工程圖讀繪教學有機結合

要緊跟數字化制造技術發展和應用步伐，工程圖讀繪能力的培養過程就必須貫穿CAD軟件技術應用，利用多媒體等信息化教學手段，將工程圖讀繪能力培養與CAD軟件應用緊密結合，兩者相輔相成，有利于培養學生基于數字化制造技術的工程圖讀繪意識和能力。

當前機械制圖課程在職業院校通常開設兩個學期，其中包含集中講解或分散講解的計算機繪圖知識，隨后計算機繪圖（CAD）課程再開設一到兩個學期。由于兩門課的教師和教學時間不一致，教學內容被割裂開來，即使計算機繪圖知識包含在機械制圖課程兩個學期中教學，其教學時間也會嚴重不足，難以達到基于數字化制造技術的工程圖讀繪能力培養要求。如將兩門課程融合在三到四個學期教學，作為重要技術基礎課的機械制圖課程總課時有所延長，也避免將計算機繪圖軟件僅當成“畫圖”的工具，而忽視其作為工程圖讀繪重要手段和產品信息表達載體的本質作用。

3.應用信息化技術手段提高教學效果

隨著教育部《教育信息化十年發展規劃（2011-2020年）》的出臺，信息化對教育的影響越來越廣泛，為教師的教學方式提供了更多的手段。靈活應用多媒體技術、網絡技術、計算機技術等信息化教學手段，教學內容可化抽象為具體，提高課堂教學直觀性，化解教學難點，激發學生學習興趣；解決教師課堂板圖效率低的問題，方便教師“舉一反三”，提高課堂教學容量，學生則“見多識廣”；部分學生獨立完成課外練習有困難時，可以借助手機、計算機等工具獲得網絡教學資源庫中相關文件，輔助學生完成課后作業；采用CAD軟件教學，通過二維視圖設計三維模型的反復訓練，可迅速提高學生讀圖能力，而借助三維模型生成二維視圖的功能，可突出機件表達方法選擇、尺寸和技術要求標注等重點教學內容，提高繪圖能力訓練效率。

4.吸收企業生產和技能競賽圖樣作為教學素材

基于數字化制造技術的工程圖已經在企業得到廣泛應用，將企業生產實踐中所應用的二維工程圖、三維實體模型，以及基于CAM軟件的零件二維和三維模型數控加工刀路文件作為教學素材，讓學生了解基于數字化技術的工程圖在企業生產中的實際應用。職業教育開展技能競賽活動，是我國教育工作的一次重大制度設計與創新，各類職業技能競賽成為引領和推動職業學校加快課程改革、提升教學質量、展示教學成果的重要平臺，其中加工制造類競賽項目多、范圍廣、影響大，產生了大量的實操競賽圖樣，由于賽件具有典型結構的集成性、與生產實際的關聯性以及加工工藝復雜性等特征，實操項目的設計和競賽過程廣泛采用數字化制造技術。例如，在國內各級競賽和世界技能大賽（Worldskins）中，賽件的紙質零件圖、裝配圖等二維圖樣都包含軸測圖，競賽過程也主要依賴于CAD/CAM軟件技術。在不涉及知識產權的前提下，可以將這些實操賽題引入到機械制圖課程教學中，來豐富教學素材，也能激發學生的學習興趣。

七、基于數字化制造技術的機械制圖教學改革實施效果

按照以上機械制圖課程教學內容和教學方法改革思路，對本校五年制數控加工專業和模具制造專業人才培養方案進行修訂，并在13、14、15級班級中執行調整后跨四個學期的機械制圖新課程標準，教學效果提升十分明顯。主要表現在：課后作業完成率和正確率明顯提高；學生學習興趣和主動性明顯增強；利用軟件技術輔助繪圖和讀圖能力和意識明顯增強；CAD軟件實際應用能力顯著提升；培養了學生對新知識、新技術的學習熱情和求知欲望。