機械制圖測繪課程“四位一體”的教學改革研究

蘇金英，高小慶

（湖南有色金屬職業技術學院機電工程系，湖南 株洲412006）

0 引言

機械制圖測繪是一門實踐教學課程，其教學目的是鞏固所學的機械制圖理論知識，進一步提高繪圖和讀圖能力，以培養學生綜合運用所學知識解決實際問題的能力和創新能力，為后續專業課程的學習奠定堅實的基礎。機械制圖測繪在設備維修、改造、仿制、技術資料完善等方面具有重要的實踐的意義，是機械工程技術人員必須掌握的職業技能。

1 問題的提出

制圖測繪課程在國內誕生到現在已有30年歷史，但現有制圖測繪教學仍以傳統教學方式為主[1]。傳統制圖測繪對學生要求一般如下：（1）了解測繪模型的工作原理、內部結構；（2）正確拆裝測繪模型；（3）選用合適測量工具測量零件，徒手繪制草圖；（4）尺規繪制工程圖樣。上述教學目標自開設制圖測繪課程以來一直如此，幾十年未曾改變。

隨著信息技術、數字技術的迅猛發展，機械行業的設計手段和制造手段均發生了翻天覆地的變化。企業作為用人的終端單位，對各崗位從業人員的職業技能要求也在不斷發生變化。高職院校作為高技能人才的主要供給側，如不與時俱進、積極開展教研教改，就會出現“專業課程內容與職業標準脫節，教學過程與生產過程脫節”，導致輸出的人才與社會需求脫節。傳統的制圖測繪課程要求學生尺規作圖，事實上，得益于CAD技術的強勁來襲，我國幾乎所有工程技術人員在2000年前后已“甩掉圖板”，采用計算機進行輔助繪圖和輔助設計，與此同時，計算機二維繪圖能力及三維建模能力已悄然成為企業用人的基本要求。近年來，美國一些高校加強了徒手草圖和三維構型建模的教學內容[2]，去掉了尺規作圖訓練。

鑒于傳統制圖測繪教學的種種弊端，本文提出了“徒手草圖、計算機二維繪圖、三維建模技術、3D打印技術”四位一體的融合式教學改革（具體見圖1），力求實現“專業課程內容與職業標準對接，教學過程與生產過程對接”，以期輸出與時代需求相匹配的制圖測繪人才。

圖1 機械制圖測繪課程“四位一體”教學改革

2 構建“四位一體”的教學內容

2.1 加強徒手草圖能力訓練

徒手草圖具有成圖速度快、不受場地限制等顯著特點。只需一支筆、一張紙便可順利表達自己的設計構想。在徒手繪制草圖的過程中，繪圖人員忽略繪圖工具的影響，將思維集中到零件的結構分析、圖形的表達方法研究中。因此，通過徒手草圖的訓練學習，可以有效培養學生對于方向、空間的認知能力，并提高二維工程圖與三維實體相互轉換的空間思維能力及思維速度。

徒手草圖在工程實踐領域中應用廣泛，如有些急需加工生產的零件，由于任務的緊急性，沒有時間繪制完整的工程圖樣，可用徒手草圖予以表達；技術人員在現場調研、參觀學習或靈感突現，需要迅速記錄或表達設計構想，也可用徒手草圖做記錄。與他人進行技術交流時，往往也需要通過徒手繪制的草圖來表達自己的設計構想。其次“徒手繪圖是一種發現行為，是對視覺思維能力、想象創造能力、圖形表達能力的有機結合”[3]。在徒手繪圖的過程中繪圖人員的發現、思考以及手、眼、腦的互動被強調，是培養學生形象化思維、設計分析及開拓創新思維的有效方法和途徑。制圖測繪是徒手草圖學習的深入，更是訓練徒手草圖能力最合適的課程。

學生在開始徒手繪制草圖時，因缺乏相關驗，對線段長度、線段角度目測估算不準確等問題異常突出。因此，建議先讓學生在帶有柵格的方格紙上徒手繪制草圖，然后逐漸脫離方格紙，進行完全徒手草圖的訓練。

2.2 計算機二維繪圖代替尺規繪圖

一直以來，尺規繪圖貫穿于傳統的制圖測繪全過程。多年的教學實踐表明：在制圖測繪過程中，學生們消耗在尺規作圖的時間往往達測繪總課時的40%～60%，然即便如此，尺規作圖仍未達到最初的教學目標。首先，學生知道尺規繪圖方式在企業已完全被計算機繪圖取代，內心深處抵觸尺規繪圖，學習態度就不端正。但迫于老師要求或需通過這門課程的考核，只好敷衍了事，有的甚至將其他同學已畫好的圖拿過來，“依葫蘆畫瓢”生硬地抄襲一遍，純粹為“繪圖”而“繪圖”。以至于圖雖然畫完了，卻不知道圖為什么要這么畫，表達的是什么內容，其次，由于大部分同學們尺規作圖不熟練，作圖速度慢，有的同學因繪圖比例定得不恰當或視圖布局不合理導致圖形超出圖幅范疇又重新繪制，既影響了作圖效率，又耗費了大量時間。在作圖過程中，因各種原因，多數同學都有對局部圖形“擦了改，改了擦”的改圖經歷，不僅影響圖面的整潔，同時也延緩了整個課程的學習進程。再者，學生在尺規繪圖的過程中，過分關注線條的均勻度，圖面的整潔度，容易忽視對零件設計、工藝結構、尺寸標注合理性等方面知識的理解和綜合運用[4]。

早在1992年，我國就開始實施“CAD應用工程計劃”。國家教委在九五規劃中提出要求全國重點高等工科院校在九五末基本甩掉圖板，省屬地方高等工科院校也應根據省情和各校特點擬定實施可行的改革方案以求逐步實現甩圖板的教改目標[5]。CAD技術應用于機械工程設計中最早也是最基礎的功能就是輔助繪圖[6]，至今用計算機輔助繪圖已儼然成為工程實踐領域的常態。其完善的繪圖功能和強大的編輯功能大大提高了繪圖效率，學生無須再糾結線條的質量，圖面的整潔等，而是擁有更多的時間去關注和思考測繪零件及所繪圖形的本身，如零件的結構、零件的表達方法、視圖的合理性等。

計算機繪圖和尺規作圖對當下的機械工程技術人員來說，前者猶如硬筆寫字，不可或缺；后者猶如軟筆寫字，錦上添花。

2.3 增加三維建模技術

高職院校的學生普遍來講，自信心不足，依賴思想嚴重。在制圖測繪課程中，學生面對自己繪制的工程圖樣是否正確心存疑慮，常常完全依賴老師的批閱來糾錯。如果有讓學生通過某種方式能多方位地自主檢查工程圖樣的視圖錯誤，不但可以讓學生從中體會到自我發現問題和解決問題的樂趣，培養自主學習的能力，更能增加學習信心。三維建模可恰到好處地解決上述問題。

學生依據自己繪制的工程圖樣進行三維建模，模型建好之后，將計算機里的三維模型與被測繪的零件比較，檢查修改確認后，導出相應的工程圖，再比較由三維模型導出的工程圖與事先繪制的工程圖樣的一致性，檢查修改。期間反復比較，反復思考，可有效修正前面實踐環節中的視圖表達等錯誤。其實質是從多個角度自我檢查繪制的工程圖樣的正確性，目的是保證學生繪制的工程圖樣能真正表達被測繪的零件。在這個過程中，學生的讀圖能力、繪圖能力、三模建模能力、觀察能力、嚴謹的作風都得到了很好的訓練。另可進行三維虛擬裝配，進一步了解各零部件之間的裝配關系。有興趣的同學還可嘗試運動仿真。

筆者不建議“實物（測繪模型）→三維虛擬模型→工程圖”，即以被測零件為依據進行三維建模，再用三維模型導出的工程圖呈現為制圖測繪的最終工程圖樣。這樣看似走了一條捷徑，其實不然。本應由學生自主完成的三維到二維的轉換現由三維軟件代替完成了，學生的視圖表達能力、空間思維能力均未得到很好的訓練。機械制圖測繪課程一般是安排在機械制圖理論課程結束后的教學周，此階段正是學生空間思維能力得以鞏固和加強的最佳時期。一旦學生感受到由三維模型導出工程圖帶來的便捷，便會疏于三維到二維的視圖表達思考。久而久之，削弱了讀圖和繪圖能力。以至于嚴重依賴三維建模導出的工程圖樣，造成“沒有三維建模軟件，就無法繪制工程圖樣”的尷尬局面。在機械制造行業，有企業要求在生產藍圖的右下角添加三維圖，其用意是幫助想象實體的形狀和結構而不是其它，指導生產用的藍圖始終是二維工程圖樣。二維工程圖樣不僅在表達上比三維更清楚和準確，易于標注尺寸、尺寸公差、形狀和位置公差、表面粗糙度等技術要求[7]，同時也是重要的技術文檔。具備識讀和繪制二維工程圖樣的能力是教學的基本要求，也是機械工程技術人員必備的實踐能力。其次，但凡有三維軟件使用經驗的人都深有體會，由其直接導出的工程圖是不能拿來即用的，必須加以修改完善才可作為指導生產用的藍圖樣本。

2.4 引入3D打印技術

在傳統的機械制圖測繪課程中學生的最終成果是圖樣，終歸屬“紙上談兵”。依據學生繪制的圖紙進行生產加工，能否制作出合格的零部件，不得而知。而這恰是工程實踐領域最為關心的問題。

3D打印技術具有仿真性強、速度快、價格便宜、高易用性等優點，是對傳統制造業的顛覆性變革[8]。實踐是檢驗真理的唯一標準，在機械制圖測繪課程中引入3D打印技術，讓學生通過3D打印機將零件模型打印出來，并進行組裝，是對學生測繪成果的實踐檢驗。由于學生工作經驗的缺乏，在公差等級選擇，測繪數據處理等細節方面考慮欠妥。組裝模型過程中可能會現配合間隙不合適，安裝孔位錯位等問題，甚至好不容易組裝好，功能又不能滿足使用要求。這些問題是工程實踐領域經常出現的問題，3D打印技術的引入讓學生提到遇到這些工程實際問題，他們在通過對組裝模型與測繪模型的比較、觀察、思考中查找原因、解決問題、修配模型、修改圖紙、總結經驗、甚至嘗試結構或工藝的技術改進，逐步優化、完善自己的測繪成果。這種逼真的工程實踐體驗，極大提高了學生分析問題、解決問題的能力。為日后在工作中解決同類問題積累了實踐經驗。其次，學生親眼見證自己繪制的圖紙變成了實物，成就感油然而生，滿心喜悅享受自己的學習成果，增加了學習樂趣，激發了學習熱情。

3 構建“四位一體”的教學實施方案

按2周教學周計算，機械制圖測繪學時分配如表1所示。

表1 機械制圖測繪學時分配

前一項目的完成質量直接影響后一項目的完成質量。教師一定要加強全程督促和指導，及時有效地解決學生遇到的問題。機械測繪課程一般

由一個老師授課，按每學生6張草圖計算，全班有約兩百張草圖。讓學生等待老師在短時間內批改完所有草圖后再畫工程圖樣是不現實的，建議學生將草圖拍照發給老師。這樣，學生在繪制工程圖樣的同時，老師在批閱草圖，草圖中的發現問題及時提醒學生，以便學生在繪制工程圖樣時進行更正。

學生在機房繪制工程圖樣或三維建模，為防止學生之間相互拷貝作業，可借助相應的“防拷貝檢測系統”[9]來予以判斷，并遵循“拷貝零容忍”的成績評定原則。一旦發現拷貝他人圖紙，則該項目成績計零分。”

三維建模階段，同組內成員需分工合同，齊心協力以最快的速度完成所有零件的三維建模。3D打印以組為單位，每組打印一套零件模型組裝。

4 構建“四位一體”的考核方案

考核方案應科學、合理、公平，操作性強。考核項目應覆蓋機械制圖測繪的全過程，兼顧知

識目標、能力目標、職業素養目標。具體見表2.

表2 考核方案

5 結語

依據新的職業標準，從實際生產出發，在機械制圖測繪課程中實行“徒手草圖、計算機二維繪圖、三維建模、3D打印技術”四位一體的融合式教學改革，去掉了尺規作圖，強化了徒手草圖、計算機二維繪圖及三維建模等職業技能力的訓練，3D打印技術的引入將學生的測繪成果實物化，對其測繪成果進行了實踐檢驗。四位一體的有效融合成功實現了機械制圖測繪全過程的“由物到圖再到物”的閉環控制（具體見圖1），不僅有效提高了學生的讀圖和繪圖能力，而且培養了學生的自主學習能力、解決問題的能力，對培養適合時代需求的機械制圖測繪人才具有重要的現實意義。