機械制圖教材內容的重構與優化

[摘要]教材是學生進行學習、教師進行教學的主要依據.現行的機械制圖教材內容存在章節順序編排不合理、知識歸屬章節不合理、內容重復、知識陳舊等問題。可以遵照邏輯順序和心理順序，對現有機械制圖教材內容進行重構，使知識由淺入深、承前啟后地有序展開。同時，刪除相對陳舊的知識內容，增加引入新的知識內容，對教材內容進行優化并實施動態管理。重構與優化后的教材內容更具科學性、嚴謹性及時代性。

[關鍵詞]機械制圖教材;內容;重構;優化

[中圖分類號]G642[文獻標識碼]A[文章編號]2095-3437（2020）02-0101-04

一、現行機械制圖教材內容結構及主要知識點

1957年-1958年，教育部邀請蘇聯專家在清華大學舉辦了畫法幾何及機械制圖教學研究進修班，在總結交流的基礎上，初步形成了工程制圖的教學體系和框架。相應地，在翻譯蘇聯教材的基礎上，我們開始了白編制圖教材的出版[1]。歷過60年的發展，目前市場上的機械制圖教材版本繁多，許多院校編輯出版了校本教材。總體來說，現行機械制圖教材基本上沿襲了20世紀50年代蘇聯的那一套結構體系，注重的是工程圖學課程的完整化和系列化，忽略了實用性、綜合性、創新性[2]。這些教材章節內容相對固定、章節編排大同小異，缺乏時代性，其科學性及嚴謹性有待進一步加強。

二、現行機械制圖教材內容編排存在的問題

（一）章節順序編排不合理

首先，許多教材在投影基礎這一章中，將三視圖置于點線面投影之前。在三視圖的學習中，學生通過“根據簡單的軸測圖繪制三視圖，補畫視圖漏線”等諸多練習初步掌握了三視圖的基本繪制方法，可接踵而來的學習內容“點線面的投影”與“視圖”全然無關。其次，點是構成體的基本要素，點生成線、線生成面、面生成體，應按點一線一面一體的順序編排相關內容。

許多教材標準件和常用件單獨成章，放在零件圖和裝配圖之前。其中講解螺紋、齒輪和彈簧的繪制方法時，需標注尺寸公差、幾何公差、表面粗糙度等，而這些內容的學習安排在后續的零件圖中，前面章節的學習需用到后續章節的知識內容，這出現了內容倒置超前的現象。螺紋緊固件、鍵、銷以及滾動軸承在工程實際中屬外購件，由專業廠家生產制作，只需根據具體工況選擇合適規格的進行裝配即可。因此，螺紋緊固件、鍵、銷以及滾動軸承一般出現在裝配圖中，學生除了要了解其本身的基本結構及功能以外，更加需要了解其裝配關系。裝配圖主要反映機器（或部件）的工作原理，各零件之間的裝配關系，傳動路線和主要零件的結構形狀，是設計和繪制零件圖的主要依據[3]。換言之，零件的尺寸公差、幾何公差、表面質量結構及技術要求的確定嚴重依賴此零件在機器（或部件）中的裝配關系、機器（或部件）工作狀態下零件的承載情況等。目前的教材一般是將零件圖作為單獨章節置于裝配圖之前，學生不了解零件的裝配關系及工況，對于零件的主要尺寸基準的選擇、尺寸公差等級及基本偏差的選擇、幾何公差特征和公差數值以及基準的選擇、表面粗糙度的標注等相關內容的學習往往是“知其然，不知其所以然”，或者繪圖時索性依葫蘆畫瓢，硬生生地照搬教材上圖例的標注。這種學習情境完全脫離工程實情，學生得到的知識是死的知識，學生不會靈活運用，更別說解決實際工程問題了。

投影基礎中的三視圖一點線面投影的順序編排違背了學科知識的邏輯順序，標準件一零件圖一裝配圖的順序編排不符合認知發展規律。

（二）某些知識點重復編排或歸屬章節不合理

現行機械制圖教材實質上是融合了早期畫法幾何這門課程的部分內容。多數教材僅將畫法幾何內容簡單疊加進來，而未根據整體教學內容做適當調整和融合。如截交線原本隸屬于畫法幾何的內容，而實際上，此部分內容與后續章節組合體中的切割式組合體為同一個知識點。相貫線亦是如此，曲面立體與曲面立體相交形成的相貫體為組合體，其交線為相貫線（包括外相貫線和內相貫線）。

視圖在機械制圖中是一個很重要的概念。投影法和視圖的基本概念、三視圖的形成及其對應關系、視圖等章節均有涉及視圖概念。視圖概念及三視圖的對應 關系等知識點在上述三個章節中被重復提及。

零件測繪內容重復，許多教材設有零件測繪的單獨章節，在裝配體測繪章節中義設有畫零件草圖、畫裝配圖和零件圖的內容。

尺寸注法、組合體的尺寸注法、零件圖的尺寸標注、裝配圖的尺寸標注等均涉及尺寸標注的相關知識點。這些內容除了相互補充外，還有諸多重復之處。

標準件和常用件無須單獨設為一章，應根據各件的結構特點和其在工程中的主要功用分別歸人裝配圖或零件圖。

同一知識點重復編排或歸屬章節不合理，容易導致學生思維混亂，給學生造成不必要的學習困擾。

三、機械制圖教材內容的重構與優化

重構與優化的機械制圖教材內容結構及主要知識點見表l。

（一）遵照邏輯順序和心理順序，調整章節順序，重構教學內容

美國著名的認知派教育心理學家曾提出：教材的組織既要充分考慮學科知識的邏輯體系（邏輯順序），義要充分考慮學習中的認知因素及心理特點（心理順序）[4]。簡單地說就是“教材的展開順序及各知識內容的呈現既要符合邏輯順序，義要符合心理順序，這樣教材內容才更具科學性、嚴謹性。

1.調節章節順序

在投影基礎中，按點線面的投影、基本視圖的順序編排。學生在學完面的投影之后，掌握了平面的投影特性，這對正確繪制和識讀基本視圖有較大幫助。充分運用特殊位置平面的投影特性還可以有效提高繪圖和讀圖速度。投影基礎后續章節為基本立體的投影，需繪制基本立體的基本視圖。將基本視圖編排在點線面的投影與基本立體投影的中間位置，這樣能起到承前啟后的作用，保持教學內容的連貫性。

將零件圖置于裝配圖之后，讓學生在充分了解零件裝配關系和工況的前提下，學習零件的尺寸公差、幾何公差、表面質量結構及技術要求等相關內容，這樣學生就不會那么茫然。其一，裝配圖的主視圖一般選取的是機器（或部件）的安裝位置，通常也是其工作狀態下的擺放位置。透過裝配圖，可以觀察到各主要零件在工作狀態下的位置，此位置即為零件的工作位置，常作為零件的主視圖。其二，學生通過識讀裝配圖，觀察零件在機器（或部件）中的裝配關系可確定其主要尺寸基準，根據配合種類可確定其尺寸公差;了解零件在機器（或部件）中的主要功用及工作狀況等，確定其幾何公差、表面粗糙度及技術要求等。

2.重構教學內容

表1的前三個章節主要訓練學生的平面視圖與立體實物的空間思維轉換能力，屬工程圖學的共性部分。學生在這個階段主要是用分規量取作圖以保證各圖之間的尺寸對應關系，無須用到尺寸標注相關知識，教材中的圖例也少有標注尺寸的，因此將尺寸標注置于第四章中（如表1中的4.5）講解。仍保留裝配圖及零件圖的原尺寸標注相關內容，這是因為裝配圖與零件圖屬機械專業圖范疇，受加工、檢測、安裝、產品功能等因素的影響，其尺寸標注還有些特別的要求。徒手畫圖的方法并入測繪章節（見表1的圖9.2）。

有關視圖的講解并于表l中的2.6基本視圖，即第2.1節僅講解投影法的概念和正投影法的基本性質，為后續的點線面投影及基本視圖的學習奠定知識基礎。基本視圖相關內容并入表1的2.6，并將投影基礎中的原節主題三視圖改為基本視圖，其主要知識點包括視圖的基本概念、基本投影面、基本視圖的形成、基本視圖的對應關系及投影規律、基本視圖的畫圖步驟、三視圖的概念。按制圖相關標準，基本視圖歸屬于視圖。因此，在后續6.1視圖部分，仍需將基本視圖作為一個主要知識點列入其中，但不再講解，注明“見2.6”即可。

截交線、相貫線歸人表1組合體章節中（見4.2、4.3）。基本立體被平面截切之后即形成了切割式組合體，切割式組合體的投影最為關鍵的就是求截交線的投影。曲面立體與曲面立體相交，會產生相貫線，求作相貫體的投影最為關鍵的是求相貫線的投影。截交線和相貫線統稱交線，其實質就是形體（平面立體或曲面立體）組合后形成組合體，其表面所產生的交線[5]。因此，將截交線與相貫線歸屬于組合體這一章再恰當不過。

將標準件和常用件等相關內容分別并入裝配圖與零件圖。其中滾動軸承、銷及銷聯接、鍵及鍵聯接、螺紋緊固件的標記及聯接畫法并入表1中的7.5裝配結構簡介中講解。螺紋結構、齒輪、圓柱螺旋彈簧分別歸于零件圖中講解（見表1中的8.5、8.6、8.7）。裝配圖和零件圖作為機械專業圖，具有較強的實踐性，采用案例教學法比較合適。建議選用一級減速器作為裝配圖和零件圖的教學案例編入教材，先向學生介紹減速器的主要功用、結構，帶領學生讀懂裝配圖。后續零件圖的學習將此減速器的主動軸（軸類零件代表）、主動齒輪（盤類零件代表）、減速箱箱體（箱類零件代表）等零件圖編入教材，并對照裝配圖講解各零件的工況，如工作位置、主要功用、裝配關系及承載情況等，以幫助學生理解零件的主視圖選擇原則、尺寸公差和幾何公差的選取原則、表面粗糙度值的選取原則以及如何注寫技術要求。有條件的學校還可在講課前帶學生觀察減速器實物，讓學生事先對減速器的形狀、結構等建立基本的認知。本文表1將裝配圖與零件圖編排成了兩個單獨的項目，教學實踐中也可將零件圖融到裝配圖進行講解。

零件測繪與裝配體測繪整合為一章（見表1中的第9章）。可選取齒輪泵為測繪對象，繪制裝配示意圖、拆卸裝配體、測繪零件、繪制零件草圖、繪制零件圖和裝配圖，同時完成裝配體和零件的測繪教學。

（二）優化教材內容，實施教材內容的動態管理

教材內容應與時俱進，對教材內容的管理是一個動態而不是靜態的過程。教材內容的編排需根據本行業及專業領域內的新技術、新理念等對教材內容做適當加減法，摒棄陳舊的知識，適時引入新知識，以實施知識內容的動態管理，保證教材內容的時代性。

首先，刪除現有教材中的幾何作圖、平面圖形分析及作圖方法等相關內容，其主要知識點包括直線的等分、圓的等分及做正多邊形、圓弧連接、斜度和錐度、橢圓的畫法、平面圖形的繪制方法等，后續內容的學習幾乎用不到這些知識點，而且這些知識點的實用性不大。其次，《普通高等學校工程圖學課程教學基本要求》（本科各專業適用、專科各專業參考）[6]并未對幾何作圖有明確規定。現有教材中平面圖形分析及作圖方法中有關尺寸注法的部分內容（定形尺寸、定位尺寸、尺寸基準）并入表l中的4.5組合體尺寸標注。

軸測圖的繪制方法增加拉伸法（見表l中的5.2）。隨著現代制造技術與計算機技術的迅速發展，三維CAD技術為機械制圖教學注入了新的活力。三維CAD時代正在快速走來，它使傳統設計與繪圖的思想、內容與方法都發生了變化[7]。現有教材有關軸測圖的繪制方法千篇一律地僅介紹坐標法和切割法，將三維建模中的拉伸法引入軸測圖的繪制，充分利用特征視圖，可便捷地繪制軸測圖，提高軸測圖的繪制速度。如根據圖l的三視圖繪制正等軸測圖，其傳統的繪圖步驟為：繪制基本體（圖2）、去除左上角三棱柱（圖3）、去除右下角四棱柱（圖4）（圖3和圖4繪圖順序無先后之分）。引入三維建模理念的拉伸法，先繪制特征視圖的軸測圖，再沿相應的軸測軸拉伸成實體即可。觀察圖1三個視圖，其特征視圖為主視圖。具體繪圖步驟為：繪制主視圖的軸測圖（圖5），沿軸測軸Y軸的負方向（因當前給制的平面為可見平面）拉伸一個寬度值（圖6）。

四、結語

本文遵照邏輯順序和心理順序對現有機械制圖教材內容進行重構，各主要知識點由淺人深、承前啟后依次呈現，理順了相關知識的邏輯關系，同時也符合認知規律。此外，機械專業圖（裝配圖和零件圖）教學內容的重構還充分考慮了工程實情，根據案例教學法設計教材內容，有效加強了對學生解決工程實際問題的能力培養。除此之外，優化現有機械制圖教材內容，刪除相對陳舊的知識，增加引入新的知識，對其實施動態管理。經重構和優化后的教材內容更具科學性、嚴謹性及時代性。教材是學生進行學習、教師進行教學的主要依據。在整個教學的組織中，教材有著不可替代的重要地位。如何使我們的教材在培養人才的過程中發揮最大的作用，還有很多問題有待我們思考和探索，這是一項長期繁重的工作，同時也是一項需要經常翻新的工作。筆者希望本文能拋磚引玉，喚起更多的教育工作者關注并思考研究機械制圖教材內容的重構與優化，為后續出版更優質的機械制圖教材貢獻綿薄之力。

[參考文獻]

[l]薛立華，肖銀玲，王丹虹.制圖新形態教材研發的探索與實踐[J].工程圖學學報，2009（4）：779.

[2]江洪，張培耘，吳巨龍.美國工程圖學教材對我國圖學教育改革和精品課程建設的啟示[J].工程圖學學報，2006（6）：147.

[3]錢可強.機械制圖：第五版[M].北京：高等教育出版社，2018：207.

[4]D-P.奧蘇伯爾.教育心理學：認知觀[M].余星南，宋鈞，譯.北京：人民教育出版社，1994：448.

[5]董國耀，肖銀玲，薛立華.工程圖學教材內容體系及某些概念描述的探討[J].工程圖學學報，2017（6）：914-918.

[6]教育部工程圖學教學指導委員會.普通高等學校工程圖學課程教學基本要求[2].2015.

[7]童秉樞，易素君，徐曉慧.工程圖學中引入三維幾何建模的情況綜述與思考[J].工程圖學學報，2005（4）：130.

[責任編輯：陳明]

[收稿時間] 2019-03-06

[作者簡介]蘇金英（1973-），女，湖南茶陵人，高級工程師，碩士，研究方向：圖學教育和機械設計。