基于數(shù)字化制造的《機(jī)械制圖》教改策略

高恒星

（江蘇省淮安技師學(xué)院，淮安 223001）

基于數(shù)字化制造的《機(jī)械制圖》教改策略

高恒星

（江蘇省淮安技師學(xué)院，淮安 223001）

在數(shù)字化制造技術(shù)條件下，工程圖樣繪制和識讀方法發(fā)生了深刻變化，《機(jī)械制圖》課程作為培養(yǎng)學(xué)生繪圖和讀圖能力的核心課程，其教學(xué)方式和培養(yǎng)目標(biāo)也隨之改變。CAD軟件是數(shù)字化制造技術(shù)的核心載體之一，在《機(jī)械制圖》教學(xué)中，以CAD軟件為輔助手段，應(yīng)對教學(xué)中存在的問題，提高教學(xué)效果。

數(shù)字化制造 職業(yè)教育 機(jī)械制圖 教學(xué)改革

隨著工業(yè)4.0時代的到來，國家出臺了《中國制造2025》，規(guī)劃了未來10年中國制造業(yè)從“大國”走向“強(qiáng)國”的道路，數(shù)字化制造成為推動制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的必由之路。職業(yè)教育擔(dān)負(fù)著培養(yǎng)技能型人才的重任，其教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式必須適應(yīng)制造業(yè)未來的發(fā)展需要。隨著教育部《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》的出臺，教育信息化發(fā)展越來越受到關(guān)注，為教師的教學(xué)方式提供了更多手段。當(dāng)前，隨著職業(yè)學(xué)校教學(xué)條件的不斷改善，教學(xué)場所基本具備多媒體教學(xué)條件，為《機(jī)械制圖》課程利用信息化技術(shù)，采用數(shù)字化制造技術(shù)核心載體之一的CAD軟件輔助教學(xué)提供了保障。

1 CAD軟件輔助《機(jī)械制圖》課程教學(xué)的意義

在職業(yè)教育中，《機(jī)械制圖》作為訓(xùn)練學(xué)生識讀、繪制工程圖樣能力的專業(yè)基礎(chǔ)課程，對培養(yǎng)應(yīng)用型、技能型人才具有關(guān)鍵性作用，對后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和未來從事工程技術(shù)工作影響深遠(yuǎn)。在職業(yè)教育教學(xué)改革不斷深化，以實踐操作為主線的理實一體化課程逐步成為職教課程體系主體的背景下，及數(shù)字化制造技術(shù)推動傳統(tǒng)制造業(yè)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級過程中，新知識、新技術(shù)、新工藝不斷涌現(xiàn)，《機(jī)械制圖》教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法要滿足教改和數(shù)字化制造技術(shù)的新要求。

《機(jī)械制圖》具有較強(qiáng)的理論性和實踐性，以掛圖、教模、多媒體課件為教學(xué)輔助手段，采用講練結(jié)合的傳統(tǒng)教學(xué)方法，對學(xué)生的學(xué)習(xí)能力要求較高，在職教《機(jī)械制圖》課程教學(xué)中，要進(jìn)一步全面提高教學(xué)質(zhì)量，需要在傳統(tǒng)教學(xué)方法的基礎(chǔ)上，探討教法創(chuàng)新。針對職業(yè)學(xué)校學(xué)生的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀，以數(shù)字化制造技術(shù)核心載體之一的CAD軟件輔助《機(jī)械制圖》教學(xué)，是《機(jī)械制圖》教法創(chuàng)新的重要方向。

2 CAD軟件輔助《機(jī)械制圖》課程教學(xué)策略

2.1 用3DSmax軟件輔助三視圖的形成教學(xué)

三視圖的形成是講解正投影原理的核心內(nèi)容，也是組合體、圖樣表達(dá)方法等后續(xù)知識學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，正確建立起三視圖的形成空間概念十分重要，是學(xué)生對《機(jī)械制圖》課程學(xué)習(xí)盡快入門的關(guān)鍵。3DSmax軟件具有多視窗顯示功能，可以在不同視窗中方便地設(shè)置六個方位正投影圖或軸測圖，通過分別改變實體長、寬、高的參數(shù)，動態(tài)顯示三視圖的“三等”對應(yīng)關(guān)系；通過改變實體中不同結(jié)構(gòu)要素的空間位置，動態(tài)顯示三視圖的方位關(guān)系，直觀反應(yīng)三視圖的形成教學(xué)內(nèi)容中“三等”關(guān)系和方位關(guān)系，可協(xié)助學(xué)生盡快理解應(yīng)用正投影原理形成三視圖的過程。如圖1所示。

圖1 三視圖形成過程圖

2.2 用CAD軟件輔助軸側(cè)圖畫法教學(xué)

軸測圖畫法是機(jī)械制圖教學(xué)中的難點，學(xué)生采用常規(guī)繪圖工具畫軸測圖時，如果不進(jìn)行大量的作圖訓(xùn)練，將不易掌握軸側(cè)圖的繪圖技巧，雖然手工繪制簡單零部件軸測圖難度相對較小，但對復(fù)雜零部件軸測圖的手工繪制，不僅費時費力，學(xué)習(xí)難度也很大。在傳統(tǒng)工程圖樣中很少應(yīng)用軸測圖，但隨著CAXA、中望、UG、SolidWorks、Inventor等三維CAD軟件的普及，在實際工程中，信息化制造軟件被廣泛應(yīng)用，無論是在設(shè)計還是在制造階段，更多的是直接采用三維設(shè)計模型，再自動生成二維工程圖。在復(fù)雜零件制造過程中，加工程序的編制也有賴于三維實體數(shù)據(jù)進(jìn)行自動編程，通過三維實體數(shù)據(jù)可以很方便地形成不同視角軸測圖，在工程圖樣中的軸測圖可以很好地輔助工程技術(shù)人員提高讀圖效率。應(yīng)用三維CAD軟件，通過繪制草圖，采用拉伸、切割等簡單造型方法演示和實踐，引導(dǎo)學(xué)生掌握手繪軸測圖的基本思路，引導(dǎo)學(xué)生采用三維CAD軟件新技術(shù)畫軸測圖，來突破軸測圖繪制的教學(xué)難點，達(dá)到化難為易，激發(fā)學(xué)生興趣的目的。

2.3 用CAD軟件輔助組合體、機(jī)械圖樣的表示法教學(xué)

組合體、機(jī)械圖樣的表示法教學(xué)在《機(jī)械制圖》課程中有重要作用，學(xué)生必須進(jìn)行足夠的習(xí)題訓(xùn)練，才能掌握有關(guān)知識和讀圖、繪圖技能。如何輔助學(xué)生做好具有一定數(shù)量，又有一定難度的習(xí)題，并不斷激發(fā)出學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，是教師在教學(xué)過程中需要考慮的問題。根據(jù)傳統(tǒng)教學(xué)方法，教師可以借助教具，學(xué)生可以通過繪制軸測圖等方式來輔助學(xué)生讀圖和繪圖，但由于使用教具存在數(shù)量、類型等方面的局限，繪制軸測圖不僅耗時，而且存在一定難度，容易消磨學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，使學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒。由于當(dāng)前CAD軟件都具有十分強(qiáng)大、便捷的三維造型功能，在教學(xué)過程中以CAD軟件設(shè)計組合體或機(jī)件的三維造型來代替繪制軸測圖，不僅可以全方位展示三維造型的結(jié)構(gòu)特征，化難為易、化抽象為具體，有效降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，輔助學(xué)生完成組合體或機(jī)件讀圖、繪圖訓(xùn)練，而且常用三維CAD軟件的造型過程與組合體的形成過程具有一定的相似性，對培養(yǎng)學(xué)生讀圖、繪圖思維習(xí)慣及對零件制造工序的理解有一定幫助。

2.4 用CAXA實體設(shè)計軟件輔助零件圖、裝配圖教學(xué)

在機(jī)械圖樣教學(xué)中，零件圖、裝配圖尺寸、技術(shù)要求的標(biāo)注和識讀是重點，也是難點。由于學(xué)生缺少足夠的生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，其對標(biāo)準(zhǔn)的掌握及對制造工藝的理解都還處于初級階段，要達(dá)到“正確、完整、清晰、合理”的標(biāo)注尺寸，理解圖樣中技術(shù)要求含義，存在比較大的困難。CAXA軟件使北京數(shù)碼大方科技股份有限公司開發(fā)，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)字化制造系列軟件，其中，CAXA實體設(shè)計內(nèi)嵌的電子圖板二維繪圖軟件，依據(jù)中國機(jī)械設(shè)計的國家標(biāo)準(zhǔn)和使用習(xí)慣，具有專業(yè)繪圖工具盒輔助設(shè)計工具，操作簡單，提供符合國標(biāo)的尺寸標(biāo)注、坐標(biāo)標(biāo)注及工程標(biāo)注；支持尺寸、公差、文字和符號位置等的智能關(guān)聯(lián)；支持GB、ISO、JIS、ANSI等多種繪圖標(biāo)準(zhǔn)，針對機(jī)械專業(yè)設(shè)計的要求，提供了符合最新國標(biāo)的參量化圖庫和構(gòu)件庫。由于CAXA電子圖板軟件幾乎不需要進(jìn)行過多設(shè)置，就可以繪制出符合制圖國標(biāo)要求的工程圖樣，因此，在進(jìn)行零件圖、裝配圖尺寸、技術(shù)要求的標(biāo)注和識讀內(nèi)容教學(xué)時，一方面，可以靈活應(yīng)用軟件符合國標(biāo)的特點，在下拉菜單、工具欄、列表中鞏固和強(qiáng)化有關(guān)尺寸標(biāo)注、技術(shù)要求的制圖標(biāo)準(zhǔn)；另一方面，可以依據(jù)其操作簡便、快捷的特點，提高繪圖效率，為學(xué)生進(jìn)行更多數(shù)量的零件圖、裝配圖繪制和識讀相關(guān)訓(xùn)練。

2.5 用CAD軟件構(gòu)建模型庫輔助教學(xué)

在傳統(tǒng)《機(jī)械制圖》課程教學(xué)中，為幫助學(xué)生解決抽象思維面臨的困難，教師通常會利用教學(xué)模型進(jìn)行直觀教學(xué)，模型直觀、觸手可及，能吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)興趣，但也存在一定的弊端，如攜帶不便、類型不豐富、缺少變化等問題。當(dāng)前，常用CAD軟件三維建模功能豐富、強(qiáng)大，特別是對沒有不規(guī)則空間曲面元素的三維模型建模十分便捷，通過CAD軟件構(gòu)建《機(jī)械制圖》課程教學(xué)中常用模型庫，完全可以替代課堂教學(xué)中教學(xué)模型的應(yīng)用，而且可以通過軟件旋轉(zhuǎn)、縮放、剖切等功能，動態(tài)展示三維模型的內(nèi)外結(jié)構(gòu)特征，根據(jù)需要還可以對模型進(jìn)行修改，起到舉一反三的效果，比傳統(tǒng)教模使用起來更生動，更清晰，更靈活。

2.6 用CAD軟件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能輔助教學(xué)

當(dāng)前，主流三維CAD軟件都具有三維實體與二維工程圖的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，可以很方便地利用三維模型數(shù)據(jù)生成二維工程圖，這一功能不僅改變了工程設(shè)計方式，也降低了工程技術(shù)人員二維繪圖能力要求，可幫助職業(yè)學(xué)校學(xué)生樹立學(xué)好《機(jī)械制圖》課程的信心，激發(fā)其對學(xué)習(xí)新知識、新技術(shù)的興趣。用CAD軟件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能輔助教學(xué)具體內(nèi)容可包括：輔助繪圖作用，即檢查組合體三視圖、機(jī)件表達(dá)方法手工繪圖正確性；降低零件圖、裝配圖手工繪圖教學(xué)難度，提高繪圖效率和正確性。輔助讀圖作用，即利用軟件造型功能，根據(jù)讀圖思路，進(jìn)行機(jī)件三維特征造型，經(jīng)過不斷對比和修正造型來輔助讀圖，達(dá)到迅速、準(zhǔn)確識讀機(jī)件內(nèi)外結(jié)構(gòu)形狀的目的；根據(jù)三維造型結(jié)果，應(yīng)用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能再生成二維工程圖，用來驗證讀圖的正確性。

2.7 用CAD軟件輔助教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生數(shù)字化制造理念

數(shù)字化改變了制造技術(shù)，改變了制造企業(yè)，深刻影響著社會的方方面面。從手工作業(yè)使用圖板進(jìn)行設(shè)計到計算機(jī)二維繪圖和NC加工，從三維設(shè)計到數(shù)字樣機(jī)，由數(shù)字化工藝過程設(shè)計到數(shù)字化制造、虛擬制造，從CAD應(yīng)用到數(shù)字化企業(yè)的發(fā)展，使傳統(tǒng)制造業(yè)發(fā)生了質(zhì)的變革。數(shù)字化制造技術(shù)是縮短產(chǎn)品研制周期，降低研制成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效途徑，是建立現(xiàn)代產(chǎn)品快速研制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。作為新世紀(jì)的機(jī)械制造業(yè)人才，在世界科技蓬勃發(fā)展的今天，了解和掌握新技術(shù)、新科技已成為時代的要求。《機(jī)械制圖》課程教學(xué)過程中，引入CAD軟件輔助教學(xué)，學(xué)生在專業(yè)技術(shù)學(xué)習(xí)之初，了解CAD軟件技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生的現(xiàn)代設(shè)計和制造理念，為后續(xù)課程中，學(xué)生能更快速地適應(yīng)、深入學(xué)習(xí)數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

3 用CAD軟件輔助教學(xué)的利弊分析

3.1 用CAD軟件輔助教學(xué)的益處

3.1.1 與制造業(yè)技術(shù)發(fā)展要求同步

從國家和企業(yè)推動“甩圖板”工程到“甩圖紙”工程，及在“工業(yè)4.0”時代，國家出臺《中國制造2025》規(guī)劃背景下，職業(yè)學(xué)校課堂教學(xué)需要緊跟信息化制造技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用步伐，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注新技術(shù)，學(xué)習(xí)新技術(shù)。

3.1.2 與《機(jī)械制圖》課程教學(xué)特點相適應(yīng)

在CAD軟件繪圖中強(qiáng)化制圖標(biāo)準(zhǔn)概念；化抽象為直觀，提高課堂教學(xué)直觀性，化解教學(xué)難點，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；解決教師課堂黑板作圖效率低的問題，方便教師“舉一反三”，提高課堂教學(xué)容量；制圖課程作業(yè)量大，部分學(xué)生完成作業(yè)存在困難，學(xué)生可以用手機(jī)拍攝或下載組合體，或機(jī)件的三維模型，輔助完成課后作業(yè)；通過二維視圖設(shè)計三維模型的反復(fù)訓(xùn)練，可迅速提高學(xué)生讀圖能力，借助三維模型生成二維視圖的功能，可突出機(jī)件表達(dá)方法選擇、尺寸和技術(shù)要求標(biāo)注等重點教學(xué)內(nèi)容，提高繪圖能力訓(xùn)練效率。

3.1.3 有利于培養(yǎng)正確的識讀、繪制思維習(xí)慣

根據(jù)二維圖樣采用CAD軟件進(jìn)行三維造型的過程，即反映了圖樣的讀圖過程，與采用形體分析法識讀、繪制組合體或機(jī)件視圖過程一致，引導(dǎo)學(xué)生按照形體分析法識讀、繪制組合體或機(jī)件圖樣。

表1 各班級期末考試成績及技能競賽班集訓(xùn)選拔結(jié)果表

3.2 用CAD軟件輔助教學(xué)的弊端

由于增加CAD軟件應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容，《機(jī)械制圖》課程教學(xué)時間更顯不足，導(dǎo)致學(xué)生手工繪圖能力和空間思維能力培養(yǎng)有所削弱，學(xué)生聽課和課后作業(yè)難度降低，思維受到抑制，且存在依賴心理。

4 用CAD軟件輔助教學(xué)效果檢驗

通過分別在13級、14級數(shù)控加工和模具制造專業(yè)三個高級技工班中進(jìn)行對比教學(xué)實驗，采用CAD軟件輔助教學(xué)的S13503數(shù)控加工和S14503數(shù)控加工班級，學(xué)生課后作業(yè)完成率和正確率明顯高于其它班級。對各班級期末考試成績及技能競賽班集訓(xùn)選拔結(jié)果統(tǒng)計如表1所示。

《機(jī)械制圖》課程期末考試平均成績差異明顯：S13503數(shù)控加工班第一學(xué)期均分高出對照班8.39分，第二學(xué)期均分高出對照班7.74分，S14503數(shù)控加工班第一學(xué)期均分高出對照班6.19分，第二學(xué)期均分高出對照班7.03分。由于數(shù)控銑工競賽訓(xùn)練工件結(jié)構(gòu)形狀比較復(fù)雜，對零件圖的讀圖能力和繪圖能力要求較高，在數(shù)控銑工競賽選手培養(yǎng)和選拔中，13級和14級參訓(xùn)學(xué)生分別經(jīng)過半年的集訓(xùn)后，最終選拔出12名競賽選手，其中有9人來自教學(xué)實驗班。

應(yīng)用CAD軟件輔助《機(jī)械制圖》課程教學(xué)，能有效化解課程教學(xué)難點，培養(yǎng)學(xué)生對新知識、新技術(shù)的應(yīng)用意識，解決學(xué)生學(xué)習(xí)困難，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果，也為教師開展《機(jī)械制圖》與《計算機(jī)繪圖》課程進(jìn)一步融合教學(xué)探討可行之路。

[1]何麗，孫文磊，朱穎.Web三維模型共享平臺在工程制圖教學(xué)中的應(yīng)用[J].機(jī)械工程與自動化，2015，（4）.

[2]于莉，蔣奎.淺析多媒體輔助教學(xué)在機(jī)械制圖課程中的運用[J].職業(yè)，2013，（36）.

[3]羅鵬程.信息化教學(xué)手段在機(jī)械識圖中的應(yīng)用分析[J].科技展望，2015，（19）.

[4]盧淑群，鄧景泉.計算機(jī)輔助技術(shù)與機(jī)械制圖融合的教學(xué)改革探索與實踐[J].中國教育技術(shù)裝備，2013，（33）.

[5]王霄琳.機(jī)械制圖與機(jī)械CAD的結(jié)合[J].中國科技信息，2014，（17）.

Teaching Reform Strategy of "Mechanical Drawing" Based on Digital Manufacturing

GAO Hengxing
(Huaian Technician College of Jiangsu Province, Huaian 223001)

Under the condition of the digital manufacturing technology, engineering drawing and reading methods occurred profound changes, "mechanical drawing" course as a core curriculum to cultivate s tudents' abilities of reading and drawing, the teaching mode and training objectives is also changed. CAD software is one of the core carriers of the digital manufacturing technology. In t he teaching of mechanical drawing, the CAD software is a supplementary tool to deal with the problems in teaching and improve the teaching effect.

digital manufacturing, vocational education, mechanical drawing, teaching reform