STEAM教學理念在零部件測繪與CAD成圖技術中的實踐與應用

何琦

摘 ?要：零部件測繪與CAD成圖技術是加工制造類專業重要的基礎性實訓教學環節，而STEAM教育理念的跨學科性、融合性等特點與職業教育倡導的綜合創新型人才培養理念深度契合，是培養綜合創新型人才的重要途徑。本文在研究機械制圖實訓教學的基礎上，提出將STEAM教學理念與零部件測繪及CAD成圖技術實訓教學內容相融合的建議，從而改善其教學中的一些弊端，提高實訓教學質量，更好地為加工制造類企業培養具有綜合創新能力與工程實踐的復合型人才。

關鍵詞：STEAM教學理念;零部件測繪與CAD成圖技術;實踐與應用

中圖分類號：G712;TH126-4 文獻標識碼：A 文章編號：2095-9052（2022）02-00-03

STEAM教育即科學、技術、工程、美術和數學五類學科英文首字母的縮寫，是由STEM衍生出來的跨學科教育的典型形式。STEAM教育聚焦于實際問題的解決，強調多學科知識整合[1]。與傳統文化課教學方式不同，STEAM教育理念倡導一種重實踐、跨專業、多學科融合的綜合性教學模式，教師通過整合各個專業模塊知識，形成新的教學資源，逐步培養學生分析問題、解決問題能力，以及操作技能應用能力。

一、零部件測繪與CAD成圖技術的教學現狀分析

第一，學科特點。零部件測繪與CAD成圖技術原稱零部件測繪，屬于《機械制圖》課程的實訓教學內容，是學生完成理論知識學習之后安排的一次綜合性實踐教學活動。零部件測繪實踐教學環節側重于學生圖樣表達能力和手工繪圖技能的訓練與提高，而零部件測繪與CAD成圖技術是在傳統零部件測繪的基礎上增加了計算機繪圖和結構優化，極大地提高了學生學習機械制圖的興趣，調動學生學習的積極性，更有利于學生解決工程制圖的實際問題。零部件測繪與CAD成圖技術是《機械制圖》學習中一個理論聯系實際的教學環節，同時是在改造、仿制已有設備或修配損壞零件時的一個重要過程。因此測繪是工程技術人員必須掌握的基本技能之一，必須采用有效措施去加強零部件的測繪練習，提高學生動手能力和分析解決問題的能力[2]。零部件測繪與CAD成圖技術是以典型零部件機構為測繪對象，要求學生利用游標卡尺、千分尺、角度尺、中心距卡尺等常用測量工具對典型零部件機構進行測量，手工繪制出零件草圖、CAD繪制零件工程圖、3D建模及裝配、測量并填寫尺寸檢測報告。學生通過觀察分析典型零部件機構，熟悉機構的裝配關系，在綜合分析的基礎上對機構進行改進，使模型結構更為優化。

第二，實訓模塊彼此獨立，缺乏融合。零部件測繪與CAD成圖技術實訓教學內容涉及多門課程，如機械制圖、極限配合與技術測量、金屬材料、機械基礎、機械CAD軟件、中望3D軟件，不僅涉及機械專業的理論知識，而且還需要有機械加工生產實踐經驗，具有多學科融合特性。然而在中職學校實際教學過程中，所涉及的知識模塊分別由多位教師任教，所教模塊彼此獨立，測繪對象單一，圖紙不夠規范，教學與生產實際脫節較大，各知識模塊之間缺乏知識融合，學生缺乏興趣，實訓教學環節效果不理想。

第三，應用STEAM理念的可行性。零部件測繪與CAD成圖技術是對典型零部件機構進行拆裝、測量、繪制零件草圖、計算機軟件繪制2D圖形、計算機3D建模并裝配、產品尺寸檢測及結構優化，考查學生的知識應用能力、分析問題能力、解決問題能力。實訓內容主要涉及中望CAD軟件、機械基礎、機械制圖、極限配合、機械制造技術、金屬材料與熱處理等學科，考查內容具有跨學科融合性。STEAM教育綜合了各相關學科的特點，將知識的獲取、方法與工具的應用、創新生產的過程以及情感、態度進行了統一，在培養學生創新思維與實踐能力的同時，體現了一種多元學科文化的融合創新[3]。在零部件測繪與CAD成圖技術實訓項目引入企業典型零部件機構的過程中，實訓任務具有多學科綜合性，與STEAM教育理念不謀而合。因此，在零部件測繪與CAD成圖技術實訓教學環節中落實STEAM教育理念具有可行性。

二、STEAM教育在零部件測繪與CAD成圖技術中的實踐與應用

零部件測繪與CAD成圖技術實訓教學是以典型零部件測繪機構為學習載體，完成拆裝零部件、測量零部件、繪制零件草圖、3D建模與裝配、繪制2D工程圖、質量檢測與機構優化，主要培養學生實踐操作能力，運用所學知識分析和解決問題能力，為專業課學習打下堅實基礎。實訓過程中融入STEAM教學理念，以學生為中心開展分組教學，注重多學科知識融合，在各學科之間架起知識溝通的橋梁，讓學科與學科之間不再單一，而是以相互補充、相互支撐、相互融合的零部件測繪與CAD成圖技術實訓載體，引導學生自主進行知識跨界，強調教學場景的多元化，注重專業教學問題的生成。實訓教學過程將從以下七個方面實踐與應用STEAM教學理念，逐步培養學生的綜合創新意識與工程實踐能力。

第一，拆裝零部件。首先基于STEAM教育理念對班級學生進行分組，分組后各小組認真觀察典型零部件機構外觀，在熟悉其工作原理和用途的基礎上，對該零部件的裝配順序和制造工藝進行綜合分析。然后使用拆裝工具對典型零部件機構進行拆卸，拆卸后將零件整齊擺放、拆裝工具擺放在實訓桌面上指定位置。拆卸完成后教師基于STEAM教育理念引導學生進行拆裝總結。學生在教師引導下進行小組內部討論、小組之間討論總結，最后教師根據機構的裝配關系及工作原理總結出典型零部件機構的拆裝步驟和注意事項。

第二，測量零部件。所謂測量零部件就是把零部件被測量要素與有計量單位的量進行比較，從而確定被測量要素的量值，將測量結果與圖樣上或者技術文件上的要求進行比較，從而判斷零部件是否合格。在實訓教學過程中，教師指導各小組學生合理選擇測量工具與測量方法，保證測量零部件具有一定的測量精度。對一般長度類尺寸應選擇結構簡單、使用方便、測量范圍大的游標卡尺測量;對軸類零件的外徑和套類零件的內徑尺寸應選擇精度要求較高的螺旋測微器測量，測量過程中要及時做好相應記錄，填寫零件質量檢測報告單;對沉孔、锪孔、螺栓連接孔等特殊孔徑，以及錐齒輪的若干特殊尺寸按實際測量尺寸取值。以非去除材料加工方式得到的測量尺寸取整數，允許誤差范圍±;以機加工方式得到的測量尺寸以0.5為數據分界、0.25為數據區分點，遵循“數據大于或等于0.25而小于0.5按照0.5計算、小于0.25直接舍掉”的測量原則取值。現以尺寸100至101間分為100～100.5、100.5～101兩段為例列表說明。

第三，繪制零件草圖。徒手繪制零件草圖是工程技術人員必備的一項基本操作技能，是技術人員進行技術交流、學術記錄、創新構思的方便快捷工具。徒手繪制零件草圖的基本理念也是計算機軟件繪圖無法替代的，徒手繪圖對零部件機構空間設計能力培養、思維模式培養、動手操作能力培養起著重要作用。在新型機械產品設計研發和對現有機電設備的升級改進中，零部件結構的空間構思和測繪都需要用到徒手繪制零件草圖。實訓時，教師基于STEAM理念，指導各小組根據測量的數據在坐標紙上徒手繪制零件草圖。首先學生根據零件特點選擇合適的視圖來表達零件特征，然后正確、清晰、完整地標注每個尺寸，根據極限配合與技術測量要求，合理確定零件特征的尺寸精度、位置精度、幾何精度、表面粗糙度等技術要求，最后在圖紙上徒手繪制標題欄并正確填寫各項參數，完成零件草圖繪制。

第四，3D建模及裝配。以往零部件測繪中注重的是零件圖樣的繪制，隨著機械制圖課程的信息化以及市場對人才需求變化，學生應用信息技術從事生產的能力更加受到用人單位重視。以中望3D為代表的機械設計軟件極大地提高了設計與繪圖的效率，將其引入零部件測繪與CAD成圖技術這一實踐教學環節，學生3D建模與裝配均在可視化下完成，直觀易于理解，不僅可以提高學生的學習興趣，而且能夠及時發現測繪過程中出現的裝配問題。實訓教學時，各小組根據零件草圖及零件實體模型使用中望3D軟件為每個零件建立3D模型。完成零件建模后，學生將進一步了解測繪機構的工作原理，熟悉各個零件之間的裝配關系，添加適當的約束條件，完成軟件仿真裝配。完成裝配后，學生在教師的指導下以小組為單位對機構進行運動干涉檢查。如果機構能夠正常運動，則零件尺寸測量全部正確，各零件之間的約束條件設置完整，裝配順序設置合理;反之，各小組內部展開討論，查找干涉原因，重新測量零件尺寸，重新修改草圖尺寸，完善零件之間的約束關系，直到機構可以仿真運動。各小組在3D建模及裝配過程中，教師引導小組內部討論、小組之間討論，融入科學、技術、工程、美術和數學元素，得到更美觀的3D零件圖及裝配圖。

第五，繪制2D工程圖。2D工程圖是用來表達單個零件詳細結構的工程圖樣，是制造和檢驗零件的主要依據，是企業設計和生產過程中的重要技術資料[4]。準確合理地繪制零件2D工程圖是加工制造類學生必備的一項基本技能。傳統零部件測繪受教學條件限制、實訓場所限制在教室或者機械制圖實訓室教學時，一般要求學生徒手在坐標紙上繪制草圖，草圖要求具備零件圖應有的全部內容，圖形正確，表達清晰，尺寸完整，線型分明，圖面整潔，技術要求齊全。最后學生根據手繪草圖利用尺規作圖，形成零件工程圖。傳統實訓教學模式繪圖效率低，容易出錯，出錯后不易修改，為此引入計算機軟件繪圖，增加了結構優化內容，把“零部件測繪”項目名稱改為“零部件測繪與CAD成圖技術”，采用理實一體化項目教學模式，根據學生差異化特點采用分組教學模式。實訓教學時首先讓學生拆裝測繪模型，測量并繪制零件草圖，利用計算機軟件3D建模及裝配。根據3D建模圖形導出2D零件圖，然后修改導出的零件圖形成完整工程圖，標注各個尺寸，合理制訂技術要求，從而完成繪制2D工程圖的目標。教師基于STEAM教育理念，引導學生將科學、工程、美術、數學元素融入實訓過程，從而得到整齊美觀而又符合制圖標準的工程圖。

第六，結構優化。教師基于STEAM教育理念，引導學生進行創新，將跨學科、綜合性特點融入零部件測繪與CAD成圖技術整個實訓教學環節。首先，教師引導學生對零件尺寸精度進行優化。在間隙配合中，孔與軸之間的配合總是存在間隙的，但間隙的大小是隨著孔、軸實際尺寸的不同而變化，使配合間隙在最大間隙與最小間隙之間變動;在過盈配合中，過盈量同樣在最大值和最小值之間變動;在過渡配合中，軸的公差帶與孔的公差帶相互重疊，當零件孔的尺寸大于相配合軸的尺寸時為間隙配合，當零件孔的尺寸小于想配合軸的尺寸時為過盈配合，實訓教學時教師引導學生優化各個配合尺寸，使零件配合性質滿足零部件測繪機構尺寸精度需要。其次，教師引導學生對零部件測繪機構進行結構優化，融入藝術元素。軸套類零件添加倒角和圓角過渡元素避免出現鋒利棱邊;箱體類零件優化外形結構避免零件出現局部應力集中，軸承座的連接螺紋應避免靠近軸承座孔，而軸承座的凸臺位置應具有足夠的接觸空間以便放置緊固螺栓，并保證安裝螺栓時需要足夠夾緊空間;輪盤類零件主要由同一軸線不同直徑的若干個回轉體組成，實訓時優化空間位置，使盤體部分的徑向尺寸都大于軸向尺寸;叉架類零件改變局部尺寸從而得到形狀規則的零件，既達到優化零部件測繪機構，又融入美術藝術元素，體現STEAM教育跨學科融合特性。最后，教師引導學生修改部分零件尺寸，更改零件技術要求，調整裝配順序后，使用中望3D軟件進行虛擬仿真，從而得到更為優化的零部件測繪機構，激發學生的創新能力。

第七，教學評價。STEAM教育聚焦于實際問題的解決，側重學習的過程性，注重基礎知識的應用，教學評價采用過程與成果相結合的綜合評價模式。過程評價占總成績的30%，主要包括拆裝零部件、繪制零件圖草圖、測量零部件、實訓課堂表現四個部分。成果評價占總成績的70%，由零件2D工程圖、機構2D裝配圖、零件3D實體建模、機構3D裝配、結構優化五個部分組成，裝配圖主要考查表達方案的合理性、視圖刨切位置的正確性、尺寸標注及形位公差標注的標準性、圖幅整齊美觀性。在評價形式上開展小組內部評價、小組之間相互評價和教師綜合評價相結合的實訓教學評價模式，教師可以及時發現零部件測繪與CAD成圖技術教學過程中存在的不足，不斷完善教學內容，改進教學方法，提高實訓教學質量。實訓專周結束后，各小組整理實訓材料，撰寫實訓心得體會，把設計的2D零件圖、3D建模圖形、結構優化渲染后的圖檔上傳到校園網，形成開放性教育資源，供機械相關專業學生學習。

三、結語

綜上所述，STEAM教育是一種重實踐操作、跨學科融合的教育理念，更加注重學習過程性。將其融入零部件測繪與CAD成圖技術實訓教學環節，在傳統側重手工繪圖的基礎上，結合計算機軟件2D繪圖與3D建模，以及現代信息化手段進行模擬仿真。然后在綜合分析的基礎上對機構進行優化，得到更為合理和完善的零部件測繪模型，從而提高學生學習的興趣，調動學生學習專業課的積極性。實訓教學過程中，教師基于STEAM理念引導學生學習專業知識，熟練操作相關技能，達到有效的教學效果，并不斷分析總結，找到最適合學生學習零部件測繪與CAD成圖技術的教學方式，從而提高實訓教學效率，提升教學質量。教育需要變革，中等職業學校也需要對現有課程進行創新改革，以培養出具有創新能力和綜合素養的復合型人才，希望有更多一線教育工作者投入STEAM教育理念的教學研究，為提高職業教育的教學質量作出貢獻。

參考文獻：

[1]黃怡菁.基于STEAM教育理念的中職課程游戲化教學設計研究——以《網頁制作與設計》課程為例[J].文化產業，2021（13）：124-125.

[2]李亞利.零部件測繪實施探索[J].科技資訊，2007（1）：192.

[3]王燕.人工智能時代的知識轉化——以STEAM教育為例[J].大學圖書情報學刊，2019（1）：74-78.

[4]王鵬錦，劉世忠，薛愛文.零件圖表達方案程式化確定的方法分析[J].太原科技大學學報，2020（4）：53-57.

（責任編輯：董維）