以工程需求為導向的工程制圖測繪實踐教學模式探索

唐樂為 熊德紅 黃星梅 張愛軍 諶霖霖

[摘 要]面向新工科建設和“六卓越一拔尖”計劃2.0要求，工程基礎課教育工作者需要探索構建新工科人才培養的教學新模式。為了培養具有新工科背景下的工科創新人才，以工程需求為導向初步探索工程制圖測繪實踐教學新模式，構建以數字化設計為主線的工程制圖測繪教學課程新體系。以學生工程素質和創新設計能力的發展為測繪課程教學設計的出發點，強調并突出探究性和個性化創新思維能力的培養。該測繪實踐教學新模式為其他院校工程制圖實踐課程建設提供了思路與參照，對新工科其他專業實踐課程建設具有一定的參考意義。

[關鍵詞]工程教育;新工科;工程制圖測繪;工程實踐教學

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2020）11-0091-04

一、概述

高等學校新工科建設的主要任務是培養工科創新人才[1]。工程基礎課程作為基本載體，對工科人才創新能力的培養具有不可替代的作用。近年來，教育部積極推進各高校新工科建設，開展關于工程教育改革的五項新內容（新理念、新結構、新模式、新質量和新體系）建設[2]，全面探索中國工程教育新模式，培養具有工程素養和創新能力的人才，實現制造強國發展和建設的戰略目標。不同于傳統的工科教育，新工科建設要求高等學校工科課程新體系立足于國家戰略需求，加強校企交流合作，明確市場產業需求，以適應未來工科教育的發展。因此，新工科課程建設呈現如下三個特點：1.產業需求導向代替學科導向的課程教學，產教融合為產業發展培養創新高端人才[3];2.專業交叉融合取代單一專業學習，多學院通力合作共同培育創新人才[4];3.從適應企業服務過渡到引領國際化創新技術研究和開發[5-6]。面對新工科的實踐課程建設[7]，探索并構建以數字化設計為主線的工程制圖測繪課程新體系，以學生工程素質和創新設計能力的發展為教學設計的出發點，強調高校本科生探究性和個性化創新思維能力的培養。該課程體系旨在為其他院校工程制圖實踐課程建設提供思路與參照，對新工科其他專業實踐課程建設具有一定的參考意義。

二、工程制圖實踐教學新模式

工程制圖可以認為是以圖形系統（包括工程圖形中的點、線、面和立體等幾何元素）為載體，用以表達工程對象客體屬性信息的基礎學科[8]。工程制圖作為本科生的第一門工程基礎課程，通過教授工程圖學知識，培養本科生工程圖學理論的應用能力，促進本科生工程圖學思維的產生和發展。工程制圖實踐教學目標在于從產品裝配體測繪操作、數字化產品建模和參數化設計等方面進一步加深和拓寬學生在工程制圖、機械數字化設計、互換性與檢測技術、工程材料等課程中所學的基本知識，結合產業需求提出的機械產品設計具體問題，培養學生用學科專業理論知識解決工程實際問題的能力，探索一種以數字化產品設計為目標的工程制圖實踐教學新模式。

（一）工程制圖實踐教學體系

工程制圖實踐教學的總體設計需要從教學內容、教學方法、時間安排和能力評價四個方面進行綜合思考。基于新工科要求，工程制圖實踐教學體系的構建如圖1所示。教學內容包括圖學知識理論講解、產業工程概念導入、專業知識綜合運用和團隊協作能力培養。圖學知識理論學習階段主要集中在本科一年級期間，通過繪圖作業和集中討論課加深和拓展畫法幾何、投影理論及國家標準的學習。基于教學課題組實踐經驗，在本科一年級適當引入產業工程理念和產品構型設計相關教學內容，這對后續機械類專業課程的學習會起到一定的促進作用。工程圖學實踐教學體系第二步，即學生處于大一下學期時，建議結合機械制圖中零件和裝配體內容，導入相應的工程概念。要求學生具有讀懂工程零件圖的能力，通過工程材料選擇和零件構型分析，完成產品實物數字化模型的創建和再創作。在工程圖學零件圖和裝配圖講解時，需要教師適當增加產品結構設計和功能原理分析，同時加強學生對制造工藝流程的認識和理解。在綜合運用專業知識的基礎上，團隊協同合作能力的培養對本科生從學生到工程師的轉變起到重要的支撐作用。測繪實踐課程設計教學開設在機械類專業本科二年級，通過產品的參數化建模和結構優化設計，培養具有一定專業設計能力的機械類創新人才。

（二）測繪實踐任務與要求

要求每位學生按照指導教師的總體要求和小組分配的產品裝配件設計任務，制定任務截點時間表，以小組為單位（每組4—5名學生）獨立完成測繪實踐課程各個環節的學習。在實踐課程答辯前，要求以小組為單位提交一套完整的測繪草圖、一套完整的二維工程零件圖及裝配圖、完整的產品三維裝配體模型及測繪實踐報告。

測繪實踐教學過程著重培養學生的動手能力、合作能力、協調能力和解決工程實際問題的創新能力。要求學生從機械產品設計者的角度出發，將工程軟件應用與機械設計專業知識、工程技術規范和國家標準的應用緊密結合，要讓學生認識到此實踐課程設計是運用先進三維信息（數字孿生）技術進行產品設計。這個過程不僅僅要完成繪圖、建模和編程的訓練，更重要的是實踐一種先進的數字化產品設計工程實踐模式。

（三）測繪實踐教學設計

測繪實踐教學設計是教師為實現測繪實踐課程目標、完成教學任務，對教學內容進行系統規劃和組織的過程。目前，該實踐課程共32學時，記2學分，課程時間安排在本科二年級暑假學期，為期兩周。根據課程內容和能力評價的要求，測繪實踐教學設計分為5個環節，如圖2所示。下面以桌虎鉗（圖3）為例進行測繪實踐課程教學設計介紹。

1.產品裝配體測繪

課程教學設計第一步產品裝配體測繪包含以下四項內容。

（1）繪制裝配示意圖

繪制裝配示意圖前，學生通過分組討論分析產品工作原理、結構功能、裝配關系和主要的性能參數。指導教師講解拆裝工具的安全使用要求，旨在讓學生了解合理正確使用工具的必要性。督促學生查找產品相關專業手冊，采用類比的方法確定產品型號和主要性能參數，完成桌虎鉗的裝配示意圖。

（2）繪制零件草圖

分析裝配體各零件類型是否為標準件，確定設計基準和視圖表達方法。對于標準件，要求學生熟練掌握查閱機械設計標準手冊、確定標準件類型的方法。對于非標準零件，培養學生的產品二次設計能力，著重考查學生對于零件材料、粗糙度和幾何公差等技術要求的理解和設計。同時，通過繪制零件草圖，加深學生對機械加工制造方法和互換性等課程知識點的理解。

（3）量注尺寸

零件量取的尺寸一般采用尺寸優先數。配合尺寸一般只在配合兩零件中的一個零件量取。對于一些重要尺寸（比如最小軸徑），量取后需要通過理論計算進行強度和剛度校核。另外，零件上已有標準化的結構尺寸（比如退刀槽和燕尾槽）需要查閱有關標準確定。

（4）確定并標注有關技術要求

學生需要查閱工程材料教材和機械設計手冊，確定零件技術要求和材料類型。

完成零件草圖繪制后，由具有相同裝配體的不同小組學生完成產品零件草圖互審，初步培養學生作為工程師的審圖能力。

2.數字化建模

從裝配體零部件的基準（設計、工藝、測量、加工、裝配等基準）入手，分析各個零部件的合理建模方法及過程，分析基準、草圖平面和建模步驟等的內聯關系，學會更好地利用草圖平面表達產品基準等設計概念，使結構建模過程更為合理。分析1—2個典型零件結構和主要加工制造工藝，討論采用不同三維數字化建模方法的合理性和零件的尺寸標注。確定相關零件尺寸相關性，進一步修改草圖，具體分析步驟如下。

（1）分析指出裝配體的各裝配主線及其作用，分析各個零部件的裝配基準、接合面和運動副的類型等。

（2）對各個零部件之間的裝配關系、裝配配合公差以及零部件之間的連接、緊固和密封方法進行說明。

（3）指出組成運動副的各個零件之間的運動約束關系。

（4）建立裝配體三維數字化裝配模型，如圖4所示。利用三維數字化裝配模型檢測零部件之間的潛在干涉，完善修改測繪草圖和二維零件工程圖。

基于產品裝配體數字化模型，分析運動部件的仿真需求。

（1）分析主運動及其實現方法。

（2）指出不同的建模方法（如草圖平面、基準的處理等）與仿真分析的關系，理解CAD與CAE兩種技術的相互依存關系。

（3）從裝配體工作性能分析的角度指出需要進行哪些仿真分析，并盡可能指出仿真分析用的方法和軟件系統。

3.零件參數化設計

引入Open Grip 等編程語言，讓學生嘗試使用程序語言進行三維模型的設計與繪制，提高學生的產品二次開發及編程的能力，具體實施流程如下。

（1）分析需要參數化設計的零部件結構，確定參數及其輸入方式、建模方法等，繪制程序設計框圖。

（2）根據確定的建模方法和流程，設計主程序以及子程序結構。

（3）針對參數特點和輸入方式，設計用戶交互式界面，根據規定的參數范圍，設計程序的糾錯功能。

（4）按照程序書寫規范（如主詞和輔詞一律大寫，變量小寫;根據程序結構采用縮進方式編程;適當進行標注，增強程序的可讀性等）完成程序編碼及調試，輸出設計結果。

4.測繪實踐報告

此部分極其重要但又經常為工科學生所忽略。工科學生往往將重點放在規范化設計及圖紙繪制，而忽視報告撰寫的重要性。此環節重在提高學生報告撰寫的能力，提高學生文檔編排的能力，讓學生明白“既要做好，更要展示好”的重要性。

5.實踐課程答辯

（1）答辯PPT的制作。此部分是整個課程設計中非常重要的環節，培養學生PPT的展示能力，讓學生盡可能展示工作亮點，這有利于提高學生的表達能力。

（2）答辯材料的完整性。答辯前需學生使用檔案袋封裝好一套完整圖紙、測繪實踐設計說明書一份以及電子文檔光盤一份，以培養學生材料整理的規范能力。

（3）其他組對答辯組提問。其他組對答辯組進行提問，答辯組進行解答，這將作為評價體系內容之一。對非答辯組的學生來說，這有利于他們進行思考，積極參與討論;對答辯組的學生來說，這可以增強他們答辯過程的臨時應變能力，有助于提高他們的表達能力。

（4）答辯材料修改。依據答辯教師及學生的意見，對答辯材料進行修改。此環節有利于學生對答辯材料中存在的錯誤進行更加深刻的了解，有助于學生綜合實踐能力的提升。

（5）組內匿名互評。通過此環節，進一步培養學生積極主動思考的能力，對組內成員工作進行合理評價，同時這也提高了組內學生的責任感。

（四）測繪實踐綜合能力評定

實踐課程評價體系由9個部分組成，如表1所示。草圖測繪、裝配圖、UG建模、CAD裝配圖、UG參數化設計均有教師現場批改，成績占比均為5%。CAD零件圖和課程報告采用課后批改，成績占比分別為5%和10%。著重強調課程報告內容與格式的書寫，為后續專業課程設計報告的規范撰寫奠定堅實的基礎。答辯環節由任課教師主持，答辯學生在完成課程設計展示后，需要回答教師和其他學生的提問。教師綜合學生設計展示和回答問題的表現給出相應的答辯分數。組內評分實行階梯差異化評分，按1、0.8、0.6、0.4記錄成績。最終，結合以上9個方面的內容，完成學生課程總體評價。

三、總結

在工程制圖測繪實踐教學過程中，工程概念始終貫穿于其中，旨在打造堅實的機械專業金課基礎。通過導入工程標準化概念，在產品裝配測繪和數字化建模裝配過程中，增強本科生對于工程材料、熱處理、互換性技術和加工工藝對尺寸要求等工程內容的理解和應用。在零件參數化設計教學中，培養學生創新設計思維和工程軟件開發能力。

工程制圖實踐教學體系從教學內容、教學形式、時間安排和能力評價四個方面，為高等院校工程制圖課程建設提供了新思路。特別是工程制圖測繪實踐教學課程給出了教學設計過程安排，對我國新工科基礎實踐課程安排和創新設計人才培養進行了初步探索，具有借鑒和參考意義。

[ 參 考 文 獻 ]

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[責任編輯：陳 明]