面向智能制造技術(shù)的工程圖學(xué)教學(xué)改革與探索

樂(lè)天明 蔣敏

[摘 要]工程圖學(xué)是機(jī)械類專業(yè)舉足輕重的專業(yè)基礎(chǔ)課程。智能制造新知識(shí)、新技術(shù)的大量涌入使得工程圖學(xué)課程的內(nèi)涵在不斷變化充實(shí)。從創(chuàng)新教育和圖學(xué)教育的特點(diǎn)出發(fā)，工程圖學(xué)的教學(xué)有必要從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)效果評(píng)價(jià)體系等方面進(jìn)行教學(xué)改革和探索，以使本課程培養(yǎng)的目標(biāo)符合智能制造技術(shù)所需人才的要求。

[關(guān)鍵詞]智能制造；參數(shù)化設(shè)計(jì)；教學(xué)改革

[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2018）05-0102-03

引言

工程圖學(xué)課程是工科類大學(xué)各專業(yè)必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，是工科類專業(yè)尤其機(jī)械專業(yè)大學(xué)生必須具備的一項(xiàng)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和技能。工程圖樣是工程項(xiàng)目、設(shè)備制造的技術(shù)文件，承載著制造、檢驗(yàn)、使用、維護(hù)等工程信息，包含了工程師的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、使用規(guī)范和管理等內(nèi)容。工程圖學(xué)教育對(duì)大學(xué)生的產(chǎn)品設(shè)計(jì)構(gòu)形表達(dá)能力、產(chǎn)品制造工藝設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)繪圖能力和美學(xué)思想及審美等能力的培養(yǎng)發(fā)揮著重要作用。隨著現(xiàn)代工業(yè)制造技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展，尤其是CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）參數(shù)化三維設(shè)計(jì)、CAE（計(jì)算機(jī)輔助分析）和CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）集成化數(shù)字智能設(shè)計(jì)制造技術(shù)的大量應(yīng)用，使工程技術(shù)人員可以在電腦顯示屏上從三維建模開(kāi)始，到模擬產(chǎn)品構(gòu)形、分析、制造、裝配和試車，快速進(jìn)行產(chǎn)品構(gòu)思設(shè)計(jì)和制圖。工程圖學(xué)課程的教學(xué)若還采用老的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段，其培養(yǎng)的人才知識(shí)結(jié)構(gòu)將無(wú)法滿足社會(huì)用人單位的需求。所以如何培養(yǎng)符合現(xiàn)代智能制造企業(yè)需要的應(yīng)用型卓越工程技術(shù)人才，如何將工程圖學(xué)課程教學(xué)與智能制造技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)工程制圖教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生讀圖畫(huà)圖能力的同時(shí)，了解并初步掌握計(jì)算機(jī)智能制造技術(shù)，已經(jīng)成為高校需要研究的問(wèn)題。對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)效果評(píng)價(jià)體系的改革已成必然[1]。

一、工程圖學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容的改革

目前工程圖學(xué)的教學(xué)內(nèi)容主要是按多面正投影的投影原理，按國(guó)家制圖標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的視圖表達(dá)手段，將立體按適合的表達(dá)方法畫(huà)多面正投影視圖和讀多面正投影視圖，同時(shí)介紹常用零件和標(biāo)準(zhǔn)件的視圖表達(dá)和標(biāo)注方法、讀畫(huà)零件圖和裝配圖等，內(nèi)容傳統(tǒng)。這種與工程實(shí)踐、智能制造技術(shù)缺乏聯(lián)系的課堂教學(xué)，較難激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

課程安排是教學(xué)實(shí)施的“骨架”，教學(xué)內(nèi)容是教學(xué)實(shí)施的“血肉”，二者的優(yōu)化和完善是有效開(kāi)展教學(xué)工作的基礎(chǔ)保障。工程圖學(xué)在教學(xué)內(nèi)容方面必須除舊布新、去粗取精，要與時(shí)俱進(jìn)、充實(shí)新內(nèi)容。教師不僅要教會(huì)學(xué)生繪制和閱讀工程圖樣，而且要讓其對(duì)先進(jìn)計(jì)算機(jī)成圖技術(shù)和現(xiàn)代智能制造技術(shù)內(nèi)容有所了解，在教學(xué)中增加運(yùn)用機(jī)械三維參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件成圖的內(nèi)容，使課程內(nèi)容與現(xiàn)代智能制造接軌，以達(dá)到學(xué)以致用的目的。

（一）將應(yīng)用性思想融入教學(xué)

李克強(qiáng)總理在2015 年政府工作報(bào)告中指出，要引導(dǎo)地方本科院校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變。工程圖樣被稱為工程界的技術(shù)語(yǔ)言。工程圖學(xué)課程作為工科類專業(yè)大學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課，除了要讓學(xué)生掌握讀工程圖和畫(huà)工程圖，還必須在教學(xué)中融入應(yīng)用實(shí)例，面向工程，營(yíng)造實(shí)踐氛圍，增強(qiáng)教師和學(xué)生的工程意識(shí)，更加注重緊跟時(shí)代步伐，面向前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)與工程實(shí)踐變化的同步吻合?？梢詮哪骋粰C(jī)械設(shè)計(jì)案例講解入手，如下圖所示：

要展示工作原理，講解投影過(guò)程和制圖基礎(chǔ)、使用參數(shù)化CAD設(shè)計(jì)軟件生成三維構(gòu)形。使教學(xué)過(guò)程更貼近現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)制造的實(shí)際情況，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)意識(shí)、工作意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生使用計(jì)算機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件的使用能力。使學(xué)生通過(guò)本課程學(xué)習(xí)，能應(yīng)用計(jì)算機(jī)三維參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

（二）學(xué)習(xí)使用參數(shù)化三維設(shè)計(jì)軟件的內(nèi)容融入工程圖學(xué)教學(xué)

在傳統(tǒng)的工程圖學(xué)教學(xué)內(nèi)容中，教師在課堂上首先要向?qū)W生展示機(jī)件的三維立體模型，然后介紹通過(guò)形體分析研究如何在平面圖紙上按投影原理畫(huà)該立體的多面正投影，將三維立體模型的內(nèi)外結(jié)構(gòu)用最合適的表達(dá)方法準(zhǔn)確地表達(dá)出來(lái)。在以前的工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和檢驗(yàn)中，人們都是靠工程圖紙即投影圖形來(lái)交流實(shí)施的，這樣教學(xué)內(nèi)容的安排是沒(méi)問(wèn)題的。但現(xiàn)今進(jìn)入了計(jì)算機(jī)智能制造時(shí)代，二維工程圖在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)中的使用已經(jīng)不是最主要的了，部分高新技術(shù)企業(yè)使用了計(jì)算機(jī)參數(shù)化三維設(shè)計(jì)軟件（如Solidworks、NX、ProE等），已經(jīng)基本不需要工程圖樣來(lái)參與設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)。即使需要用到工程圖來(lái)進(jìn)行技術(shù)溝通和交流，也可以很快地從計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)軟件中，通過(guò)三維模型來(lái)進(jìn)行。因此，在工程圖學(xué)教學(xué)中應(yīng)增加計(jì)算機(jī)參數(shù)化三維設(shè)計(jì)軟件的使用和學(xué)習(xí)，增加三維造型設(shè)計(jì)方法的內(nèi)容。

二、工程圖學(xué)教學(xué)方法改革

改革教學(xué)方法應(yīng)樹(shù)立以學(xué)生為本的教學(xué)觀念。工程制圖課程教學(xué)，除了使學(xué)生獲取工程圖樣的畫(huà)圖和讀圖的方法，培養(yǎng)其平面投影圖與空間三維立體聯(lián)系的思維轉(zhuǎn)換技能，更重要的是要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，為學(xué)生今后的專業(yè)學(xué)習(xí)、興趣愛(ài)好、職業(yè)規(guī)劃等打下良好和扎實(shí)的基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的制圖教學(xué)方法和手段主要用掛圖或PPT課件、立體木模、黑板畫(huà)或板書(shū)來(lái)進(jìn)行講解和畫(huà)圖演示，課程知識(shí)枯燥乏味、抽象難理解是學(xué)生在聽(tīng)課學(xué)習(xí)中經(jīng)常反映的問(wèn)題。有時(shí)教師對(duì)某一知識(shí)難點(diǎn)反復(fù)講解，由于學(xué)生還沒(méi)建立完善的立體構(gòu)思習(xí)慣和能力，還是有相當(dāng)一部分的學(xué)生不能理解，直到看到對(duì)應(yīng)的立體圖形才會(huì)恍然大悟。但是在黑板上畫(huà)立體的軸測(cè)圖，要花費(fèi)太多的課堂教學(xué)時(shí)間，教學(xué)效率低下，無(wú)法在規(guī)定的課時(shí)內(nèi)完成教學(xué)進(jìn)度。所以根據(jù)學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，在當(dāng)前工程制圖教學(xué)課時(shí)不斷減少的情況下，我們大膽地在工程制圖教學(xué)中引入CAD參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件，運(yùn)用計(jì)算機(jī)、多媒體課件等先進(jìn)教學(xué)手段輔助教學(xué)，提高教學(xué)效果和效率。使用參數(shù)化三維設(shè)計(jì)軟件，能把點(diǎn)、線、面的投影過(guò)程，截交線與相貫線的形成過(guò)程、零件的剖切過(guò)程等通過(guò)建模特征樹(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示，并能通過(guò)三維實(shí)體造型技術(shù)、立體表面著色和不同觀察點(diǎn)的變換，在三維實(shí)體和二維平面投影之間，建立起形象直觀和抽象思維相結(jié)合的教學(xué)模式。

使用SolidWorks的eDrawings插件，可以使學(xué)生對(duì)組合體的構(gòu)成方式、對(duì)形體分析法和線面分析法的分析運(yùn)用加深理解，從而有效地提高學(xué)生的形象思維能力和空間想象能力。例如當(dāng)學(xué)生在練習(xí)看工程圖樣遇到困難時(shí)，教師可以用參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件建立的三維立體，把該圖的立體模型在電腦屏幕上進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示，幫助學(xué)生進(jìn)行對(duì)比閱讀理解。如下圖所示：

在講解復(fù)雜形狀零件形體分析時(shí)，我們先在備課時(shí)把該零件的立體模型用CAD參數(shù)化軟件設(shè)計(jì)好，在教學(xué)時(shí)運(yùn)用參數(shù)化三維設(shè)計(jì)軟件強(qiáng)大的特征回放功能來(lái)演示，從不同的角度邊演示邊講解，使學(xué)生對(duì)畫(huà)圖和讀圖的形體分析法和線面分析法有更直觀的理解，使理論知識(shí)的教學(xué)過(guò)程由抽象、枯燥乏味、靜態(tài)不動(dòng)轉(zhuǎn)為直觀、豐富有趣、形象生動(dòng)，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與主動(dòng)參與的積極性[2]。

三、工程圖學(xué)實(shí)踐教學(xué)的改革

（一）設(shè)立先進(jìn)成圖技能實(shí)訓(xùn)課程，培養(yǎng)智能制造行業(yè)所需人才

工程圖學(xué)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，課程最后必須要有實(shí)踐課程，以前是安排兩周時(shí)間來(lái)進(jìn)行制圖測(cè)繪，主要訓(xùn)練學(xué)生手工零件測(cè)繪、草圖繪制、零件圖和裝配體繪制及計(jì)算機(jī)繪圖四個(gè)環(huán)節(jié)，加強(qiáng)和鞏固課堂理論知識(shí)向?qū)嶋H工作能力轉(zhuǎn)化。而隨著現(xiàn)代工業(yè)智能制造技術(shù)的不斷發(fā)展，光掌握上述訓(xùn)練內(nèi)容的能力，已無(wú)法滿足部分高新技術(shù)企業(yè)對(duì)應(yīng)用型專業(yè)人才知識(shí)結(jié)構(gòu)的需求，因而社會(huì)對(duì)工程圖學(xué)課程的實(shí)踐教學(xué)提出了新的要求。為了使工程圖學(xué)實(shí)踐教學(xué)適應(yīng)智能制造技術(shù)對(duì)人才的需求，使工程圖學(xué)教學(xué)與現(xiàn)代設(shè)計(jì)、制造緊密結(jié)合，我們?cè)O(shè)立了先進(jìn)成圖技能實(shí)訓(xùn)課程，強(qiáng)化課程各項(xiàng)知識(shí)點(diǎn)的綜合訓(xùn)練，形成從草圖繪制到計(jì)算機(jī)CAD參數(shù)化設(shè)計(jì)輸出的一體化訓(xùn)練方案。在兩周的時(shí)間內(nèi)，模擬實(shí)際設(shè)計(jì)工作步驟，每位學(xué)生按實(shí)訓(xùn)任務(wù)書(shū)給出的要求，完成某一零部件的測(cè)繪、草圖的繪制、視圖的表達(dá)、三維建模設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、工程圖、計(jì)算機(jī)圖形輸出這樣一個(gè)完整的實(shí)踐過(guò)程。通過(guò)實(shí)際訓(xùn)練使學(xué)生不僅具備傳統(tǒng)的畫(huà)圖讀圖能力，同時(shí)具備符合智能制造技術(shù)所需的使用計(jì)算機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)工作的能力，讓學(xué)生將學(xué)到的知識(shí)在運(yùn)用中轉(zhuǎn)化為能力[3]。

（二）實(shí)踐教學(xué)引入計(jì)算機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件訓(xùn)練

設(shè)立先進(jìn)成圖技能實(shí)訓(xùn)課程，引入計(jì)算機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件訓(xùn)練。我們?cè)趦芍艿臅r(shí)間里，三分之一安排零件測(cè)繪、手工草圖，三分之一安排計(jì)算機(jī)繪圖，三分之一安排使用計(jì)算機(jī)參數(shù)化軟件做零件三維建模、三維裝配建模并出工程圖。這樣的訓(xùn)練既培養(yǎng)了學(xué)生把投影理論、機(jī)件的各種表達(dá)方法手段、標(biāo)準(zhǔn)件和常用件的選用和標(biāo)注、零件圖的技術(shù)要求理解和標(biāo)注、裝配圖的表達(dá)和畫(huà)法等內(nèi)容進(jìn)行綜合實(shí)踐運(yùn)用，又培養(yǎng)了學(xué)生動(dòng)手操作的能力、運(yùn)用智能制造技術(shù)輔助設(shè)計(jì)的能力，還培養(yǎng)了其團(tuán)隊(duì)協(xié)作和認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作素養(yǎng)。下圖是學(xué)生用計(jì)算機(jī)參數(shù)化三維設(shè)計(jì)軟件做出的齒輪油泵零件和裝配體。

四、工程圖學(xué)課程考核內(nèi)容和方式的改革

長(zhǎng)期以來(lái)，設(shè)置工程制圖課程的教學(xué)任務(wù)和目的，就是讓學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)，掌握運(yùn)用投影原理讀工程圖和畫(huà)工程圖的能力?？己朔绞讲捎瞄]卷筆試形式，這也是目前大部分高校工程制圖課程的考核內(nèi)容和方式。此種考核內(nèi)容和方式在過(guò)去能夠滿足社會(huì)對(duì)于該專業(yè)人才的需求，但對(duì)于當(dāng)前和不久的將來(lái)，工業(yè)智能制造技術(shù)的高速發(fā)展和用人單位對(duì)于具備高新技術(shù)能力的人才需求來(lái)說(shuō)，其培養(yǎng)的專業(yè)人才知識(shí)結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足高新技術(shù)企業(yè)的用人需求。因此，在工程圖學(xué)課程教學(xué)和實(shí)踐中，高校在重視考核學(xué)生的理論知識(shí)同時(shí)，更要注重學(xué)生實(shí)踐性教學(xué)考核，學(xué)生的能力（包括團(tuán)隊(duì)合作能力、動(dòng)手能力、主動(dòng)學(xué)習(xí)能力、語(yǔ)言交流表達(dá)能力、創(chuàng)造性思維能力和智能制造技術(shù)所需的使用計(jì)算機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件的能力）都是高新技術(shù)企業(yè)所需人才必備的條件。考核內(nèi)容和方式單一，一方面容易造成評(píng)價(jià)成績(jī)的失真和錯(cuò)判，使優(yōu)秀的學(xué)生被埋沒(méi)；另一方面會(huì)造成學(xué)生為應(yīng)付考試而學(xué)習(xí)，思維方式單一，抑制了學(xué)生的創(chuàng)新潛能，阻礙了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和掌握知識(shí)、訓(xùn)練能力的積極性。

在現(xiàn)代工程圖學(xué)教學(xué)中，工程圖學(xué)課程考核要考的不僅是書(shū)本知識(shí)，還有學(xué)生的能力。從某種意義上來(lái)說(shuō)，學(xué)生的能力培育和考核有時(shí)比灌輸學(xué)生的書(shū)本知識(shí)更重要。因此應(yīng)把能力的培育放在首位，建立一個(gè)新的知識(shí)、能力相結(jié)合的課程考評(píng)指標(biāo)體系。在課程教學(xué)環(huán)節(jié)，可通過(guò)過(guò)程性考核評(píng)價(jià)（平時(shí)的考勤、課堂練習(xí)表現(xiàn)、教學(xué)互動(dòng)、上機(jī)操作、課后作業(yè)）、結(jié)果性學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)（階段性測(cè)驗(yàn)）和綜合性實(shí)踐評(píng)價(jià)（期末綜合練習(xí)、實(shí)踐報(bào)告、計(jì)算機(jī)參數(shù)化輔助設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用操作、答辯）三方面來(lái)綜合考核學(xué)生學(xué)習(xí)的效果和具備的能力[4]。通過(guò)建立符合培養(yǎng)目標(biāo)要求的合理的考核評(píng)價(jià)體系，促使學(xué)生認(rèn)真上好每堂課；認(rèn)真負(fù)責(zé)，按時(shí)完成教學(xué)要求的作業(yè)；激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣。

五、結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算機(jī)技術(shù)和制造技術(shù)的不斷發(fā)展，向產(chǎn)品、工藝和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員和管理人員的知識(shí)結(jié)構(gòu)和能力提出了新的要求，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和管理方法已經(jīng)不能有效地解決現(xiàn)代制造系統(tǒng)中所出現(xiàn)的新問(wèn)題，這就促使我們利用各學(xué)科最新研究成果，通過(guò)集成傳統(tǒng)制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與科學(xué)以及人工智能等技術(shù)，發(fā)展出新型的制造技術(shù)與系統(tǒng)，這便是智能制造技術(shù)（IMT）與智能制造系統(tǒng)（IMS）。工程圖學(xué)課程教學(xué)在當(dāng)前智能制造技術(shù)高速發(fā)展的形勢(shì)下迎來(lái)了改革和發(fā)展的機(jī)遇，工程圖學(xué)教學(xué)改革勢(shì)在必行。面向智能制造技術(shù)，結(jié)合高校培養(yǎng)應(yīng)用型卓越工程師的需求，本文從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)踐教學(xué)和課程考核幾方面，提出以計(jì)算機(jī)參數(shù)化三維設(shè)計(jì)軟件為主、面向工程實(shí)例的工程圖學(xué)教學(xué)改革和探索的一些設(shè)想，是深層次的教學(xué)改革。其能適應(yīng)當(dāng)前工程設(shè)計(jì)和智能制造技術(shù)發(fā)展變化的需要，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力、圖形表達(dá)能力、機(jī)械設(shè)計(jì)能力和使用智能制造技術(shù)的能力更有效。隨著科技生產(chǎn)力、計(jì)算機(jī)智能制造技術(shù)的不斷提高，工程圖學(xué)的教學(xué)改革還需進(jìn)一步探討和深化，以培養(yǎng)出適應(yīng)未來(lái)工程實(shí)踐需要的應(yīng)用型一線卓越工程技術(shù)人員。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[責(zé)任編輯：劉鳳華]