面向數(shù)字化制造的《機(jī)械制圖》教學(xué)改革

蔣麒麟

（南京工程學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，江蘇 南京 211167）

《機(jī)械制圖》一直是我國(guó)高校機(jī)械類專業(yè)本科階段必修的重點(diǎn)課程之一，其屬于專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，具有較強(qiáng)的工程特點(diǎn)，實(shí)踐性要求較高。隨著時(shí)代的發(fā)展與科技的進(jìn)步，《機(jī)械制圖》教學(xué)中存在的不足和問題引起了廣大高校教育工作者和企業(yè)的關(guān)注與重視，人們紛紛提出各種改革的觀點(diǎn)和設(shè)想。筆者根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，建議面向數(shù)字化制造，進(jìn)行教學(xué)改革。

1 課程教學(xué)的現(xiàn)狀與不足之處

《機(jī)械制圖》課程內(nèi)容一般主要由五個(gè)部分組成：制圖基礎(chǔ)、投影理論、表達(dá)方法、機(jī)械圖樣及計(jì)算機(jī)繪圖軟件應(yīng)用。制圖基礎(chǔ)部分主要是制圖國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)的介紹；投影理論部分主要研究空間幾何元素與平面圖形按照“長(zhǎng)對(duì)正、高平齊、寬相等”的投影規(guī)律作相互轉(zhuǎn)換；表達(dá)方法部分主要介紹視圖、剖視圖、斷面圖等機(jī)件的常用畫法；機(jī)械圖樣部分主要介紹零件圖、裝配圖及部分機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)件與常用件的畫法；計(jì)算機(jī)繪圖軟件應(yīng)用部分一般介紹AutoCAD或CAXA等低端CAD軟件。在教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)模式四個(gè)方面，該課程的教學(xué)現(xiàn)狀與不足之處如表1所示。

2 數(shù)字化制造的內(nèi)涵

數(shù)字化制造是指在數(shù)字化技術(shù)和制造技術(shù)相融合的背景下，在虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)和多媒體等支撐技術(shù)的輔助下，根據(jù)用戶的需求，收集資源信息，對(duì)產(chǎn)品幾何信息、工藝信息和資源信息進(jìn)行分析、規(guī)劃和重組，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、功能仿真和原型制造，進(jìn)而快速生產(chǎn)出滿足用戶需求的產(chǎn)品的整個(gè)制造過程。

表1 《機(jī)械制圖》課程的教學(xué)現(xiàn)狀與不足之處

數(shù)字化制造將信息技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造以及管理等產(chǎn)品全生命周期之中，以達(dá)到提高制造效率和品質(zhì)，降低制造工時(shí)和成本、實(shí)現(xiàn)敏捷響應(yīng)市場(chǎng)的目的。數(shù)字化制造是制造技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與管理科學(xué)的交叉、融合、發(fā)展與應(yīng)用，是制造過程的數(shù)字化，也是制造企業(yè)、制造系統(tǒng)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過程、產(chǎn)品全生命周期不斷實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的必然結(jié)果，其主要內(nèi)容包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助工程分析（CAE）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃（CAPP）、產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)管理（PDM）、企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）、逆向工程（RE）和快速成型（RP）等。

數(shù)字化制造不僅是若干現(xiàn)代高新技術(shù)的綜合，也是一種制造理念，一種制造模式，更是制造業(yè)領(lǐng)域發(fā)展邁進(jìn)的一種必然趨勢(shì)。

3 數(shù)字化制造對(duì)課程的基本要求

在數(shù)字化制造過程中，機(jī)械圖樣不僅要被“畫”到計(jì)算機(jī)里，而且還要把圖形的各種數(shù)據(jù)信息，以合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)里，并且能夠?yàn)楦鞣N工程應(yīng)用提供模型基礎(chǔ)。現(xiàn)代機(jī)械圖樣,就其本質(zhì)來說,其是“數(shù)”而非“圖”，因?yàn)椋涫且攒浖檩d體,包涵著實(shí)體的三維幾何信息、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和物理特征,通過計(jì)算機(jī)軟件及其支撐系統(tǒng)的處理,在顯示屏幕上得到虛擬“實(shí)體”的“圖像”，作為技術(shù)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)、修改、檢查、分析與處理的依據(jù)[2]?；跀?shù)字化制造技術(shù)建立的三維幾何與資源數(shù)據(jù)庫(kù)，將構(gòu)思設(shè)計(jì)、幾何造型、虛擬樣機(jī)、裝配檢查、工藝文件編制、數(shù)控加工等全過程由數(shù)據(jù)信息并行傳遞。產(chǎn)品開發(fā)不僅包含幾何建模，還要有力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)分析、仿真分析以及工藝安排、制造方法、測(cè)量測(cè)試等設(shè)計(jì)與制造一體化工作。在數(shù)字化制造技術(shù)的推動(dòng)下，現(xiàn)代生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變?yōu)?需求分析—構(gòu)思產(chǎn)品—計(jì)算機(jī)三維造型—計(jì)算機(jī)輔助分析—虛擬制造與裝配—數(shù)控加工刀軌生成—生產(chǎn)檢驗(yàn)。

機(jī)械圖樣是機(jī)械工程技術(shù)人員交流的語(yǔ)言，貫穿產(chǎn)品的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、分析、制造、管理等產(chǎn)品全生命周期。熟練地繪制與閱讀現(xiàn)代機(jī)械圖樣是《機(jī)械制圖》課程的基本教學(xué)目標(biāo)；具備現(xiàn)代設(shè)計(jì)與制造理念及相關(guān)能力是數(shù)字化制造對(duì)《機(jī)械制圖》課程教學(xué)的基本要求。

4 課程教學(xué)改革的具體措施

根據(jù)前面的分析，筆者建議面向數(shù)字化制造進(jìn)行教學(xué)改革，教改措施與特點(diǎn)如表2所示。

表2 《機(jī)械制圖》課程的教改措施與特點(diǎn)

4.1 教學(xué)目標(biāo)的改革

在教學(xué)目標(biāo)方面，筆者建議三點(diǎn)：

（1）增強(qiáng)構(gòu)型設(shè)計(jì)能力。

（2）增強(qiáng)徒手繪圖能力。

（3）增強(qiáng)中高端數(shù)字化制造軟件應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

形體的構(gòu)型設(shè)計(jì)是創(chuàng)造性設(shè)計(jì)的重要表達(dá)形式。構(gòu)型設(shè)計(jì)教育是一種關(guān)于創(chuàng)造的教育，其教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生機(jī)構(gòu)形體設(shè)計(jì)的創(chuàng)造性，這是培養(yǎng)學(xué)生形象與邏輯思維能力的關(guān)鍵，也是培養(yǎng)學(xué)生工程意識(shí)、工程素養(yǎng)以及創(chuàng)新能力的關(guān)鍵。在學(xué)生創(chuàng)造性構(gòu)型設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)中，應(yīng)重點(diǎn)突出三維形體的造型能力[3]。

徒手繪圖是計(jì)算機(jī)和尺規(guī)無法替代的繪圖方式，也是表達(dá)設(shè)計(jì)創(chuàng)意、交流設(shè)計(jì)思想的有效工具，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生觀察能力、動(dòng)手能力以及空間想象能力起著重要的作用，其特點(diǎn)是心想、手到、速成，有利于學(xué)生捕捉設(shè)計(jì)靈感、啟發(fā)設(shè)計(jì)思維。有了計(jì)算機(jī)繪圖以后，這一方面顯得尤其突出和重要。徒手繪圖應(yīng)貫穿于該課程教學(xué)的始終[4]。

脫離具體軟件的數(shù)字化制造是沒有意義的，掌握主流的數(shù)字化制造軟件是必須的。在繪制平面圖形方面，AutoCAD或CAXA具有一定的優(yōu)勢(shì)，而在數(shù)字化制造領(lǐng)域，它們則顯得捉襟見肘：三維實(shí)體造型能力不足、無法做到參數(shù)化的全相關(guān)尺寸處理、缺少工程輔助分析模塊、沒有數(shù)控加工后置處理功能。因此，Catia、Pro/E、UG、MasterCAM、Inventor等一些數(shù)字化制造領(lǐng)域應(yīng)用較廣的中高端計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)被引入《機(jī)械制圖》課程的教學(xué)之中。

4.2 教學(xué)內(nèi)容的改革

在教學(xué)內(nèi)容方面，筆者建議四點(diǎn)：

（1）投影理論以“體”為中心。

（2）擴(kuò)大表達(dá)方法的范圍。

（3）三維為主、二維為輔的機(jī)械圖樣繪制與閱讀。

（4）數(shù)字化制造基礎(chǔ)知識(shí)的介紹。

投影理論是前人在長(zhǎng)期實(shí)踐中創(chuàng)造并不斷完善的一種實(shí)用圖示方法，前人用這種方法表達(dá)了設(shè)計(jì)者的思想、傳遞了科技發(fā)展的成果，至今仍發(fā)揮著巨大的作用。但是，它是手工繪圖時(shí)代的產(chǎn)物，雖然其對(duì)于開發(fā)人的智力、培養(yǎng)與發(fā)展空間思維與想象力起到了一定的作用，但是，以點(diǎn)、線、面、體為順序和基礎(chǔ)的畫法幾何學(xué)把原本直觀的的立體抽象化了，畫圖和讀圖始終處在一個(gè)抽象思維的環(huán)境之中，會(huì)使得學(xué)生更加迷惑。按照人類認(rèn)知規(guī)律，在三維空間中去直接認(rèn)識(shí)和感知幾何形體，才是發(fā)展和提高空間想象力的最好方法。所以，投影理論應(yīng)以“體”為中心，面、線、點(diǎn)作為輔助和補(bǔ)充。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)里規(guī)定的視圖、剖視圖、斷面圖等若干表達(dá)方法作為《機(jī)械制圖》課程的主要教學(xué)內(nèi)容無可非議，但是，其他一些表達(dá)方法，包括軸測(cè)圖、透視圖、展開圖等，也應(yīng)納入該課程的教學(xué)范圍。表達(dá)方法的寬泛性有助于設(shè)計(jì)思維的拓展，如軸測(cè)圖、透視圖在提高形象思維能力和表達(dá)設(shè)計(jì)理念方面功不可沒，而在特定機(jī)械行業(yè)，如鈑金制造業(yè)，展開圖的作用則非常明顯[5]。

與傳統(tǒng)的以二維視圖表達(dá)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)相比，從三維構(gòu)形開始的設(shè)計(jì)更符合人的設(shè)計(jì)思維邏輯。隨著計(jì)算機(jī)造型與輔助設(shè)計(jì)能力的日益提高，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程常常是從三維構(gòu)形開始的。因此應(yīng)從三維設(shè)計(jì)開始，圍繞數(shù)字化制造這一主題，從形體的三維構(gòu)形和表達(dá)出發(fā)，向二維視圖輻射，同時(shí)突出多種視覺表達(dá)方式在設(shè)計(jì)和加工過程中的綜合應(yīng)用。

作為一門技術(shù)基礎(chǔ)課，在《機(jī)械制圖》教學(xué)中，一些數(shù)字化制造的基本概念與基礎(chǔ)知識(shí)應(yīng)作一些簡(jiǎn)單的介紹，讓學(xué)生了解一定的專業(yè)入門知識(shí)，如現(xiàn)代設(shè)計(jì)與制造的理念、尺寸驅(qū)動(dòng)的參數(shù)化建模、形狀特征對(duì)應(yīng)的典型加工方法、數(shù)控加工前置與后置處理等。這對(duì)于學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)也奠定了一定的概念基礎(chǔ)。

4.3 教學(xué)方法的改革

在教學(xué)方法方面，筆者建議：在講授法、練習(xí)法的基礎(chǔ)上，融合討論法、參觀法、案例法等多種教學(xué)方法。

在《機(jī)械制圖》教學(xué)中，傳統(tǒng)的教學(xué)方法是講授法和練習(xí)法：理論部分教師講解，一定的課時(shí)讓學(xué)生來動(dòng)手練習(xí)。雖然在知識(shí)傳遞和能力培養(yǎng)方面，兩種方法具有一定的積極作用，但是對(duì)于師生之間的充分交流、學(xué)生創(chuàng)新能力的訓(xùn)練、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的產(chǎn)生、學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的提高等方面，傳統(tǒng)的教學(xué)方法顯得力不從心。

針對(duì)具體的教學(xué)內(nèi)容，如表達(dá)方法的綜合應(yīng)用部分，應(yīng)采用討論法教學(xué)，拓展學(xué)生思路，不拘泥于狹窄的、甚至單一的思維空間，鼓勵(lì)和促進(jìn)學(xué)生充分的思考和討論；如基本體與組合體部分，應(yīng)采用參觀法教學(xué)，引領(lǐng)學(xué)生參觀實(shí)體的和虛擬的（網(wǎng)絡(luò)）制圖模型室（庫(kù)），在完成對(duì)形狀各異、品種繁多的立體模型參觀之后，感性認(rèn)識(shí)與視覺觀察力自然得到了提高；如裝配圖部分，應(yīng)采用案例法教學(xué)，教師將實(shí)際的設(shè)計(jì)開發(fā)類課題引入課程教學(xué)，或者把課題分解成多個(gè)子課題，交給多個(gè)小組，雖然學(xué)生缺乏足夠的工程應(yīng)用知識(shí)與能力，距離課題完成的總體目標(biāo)相距甚遠(yuǎn)，但是學(xué)生在查閱資料、綜合分析、構(gòu)型設(shè)計(jì)、繪制圖樣、作品展示等工作過程中，他們的自主學(xué)習(xí)能力、綜合表達(dá)能力、實(shí)踐動(dòng)手能力和溝通技巧、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神都會(huì)得到一定的訓(xùn)練和培養(yǎng)。

4.4 教學(xué)模式的改革

在教學(xué)模式方面，筆者建議：更新傳統(tǒng)面授教學(xué)，采用循環(huán)動(dòng)態(tài)教學(xué)模式。

在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，教師決定著教學(xué)方向和內(nèi)容，掌握著教學(xué)進(jìn)程、方法和結(jié)果，雖然有時(shí)也要求發(fā)展學(xué)生的主觀能動(dòng)性，但學(xué)生更多地是處在一個(gè)被動(dòng)接受的位置，因此傳統(tǒng)的教學(xué)過程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)以“教”為主導(dǎo)的過程。

循環(huán)動(dòng)態(tài)教學(xué)模式以建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論為基礎(chǔ)，采用協(xié)作學(xué)習(xí)的結(jié)構(gòu)化模型，在數(shù)字化校園平臺(tái)之上，通過對(duì)多種教學(xué)媒體信息的選擇與組織來反映教學(xué)過程和教學(xué)策略。在循環(huán)動(dòng)態(tài)教學(xué)模式中,學(xué)生不再是被動(dòng)地接受課程教學(xué)信息,而是主動(dòng)地參與教學(xué)過程,他們采用新穎而熟練的現(xiàn)代學(xué)習(xí)方法,對(duì)知識(shí)進(jìn)行提取、整合、再創(chuàng)造,并作為自身的學(xué)習(xí)成果。因此，循環(huán)動(dòng)態(tài)教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)體現(xiàn)在學(xué)生的學(xué)習(xí)上，而不是教師的講課上，體現(xiàn)在名副其實(shí)地改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，實(shí)現(xiàn)真正意義上的、以培養(yǎng)學(xué)生探索精神和創(chuàng)新能力為目的的“交互式學(xué)習(xí)”和以培養(yǎng)學(xué)生協(xié)作精神和溝通能力為目的的“合作式學(xué)習(xí)”[6]。

循環(huán)動(dòng)態(tài)教學(xué)模式基本框架如圖1所示。

圖1 循環(huán)動(dòng)態(tài)教學(xué)模式基本框架

5 結(jié)束語(yǔ)

在機(jī)械工程領(lǐng)域，數(shù)字化制造正朝著網(wǎng)絡(luò)化、集成化、智能化的方向發(fā)展，作為重要制造信息載體的機(jī)械圖樣，理應(yīng)與數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)相適應(yīng)，為現(xiàn)代化生產(chǎn)提供先進(jìn)、實(shí)時(shí)、可靠的基礎(chǔ)信息。熟練地繪制與閱讀現(xiàn)代機(jī)械圖樣是《機(jī)械制圖》課程的基本教學(xué)目標(biāo)，該課程的教學(xué)改革必須與數(shù)字化制造技術(shù)相適應(yīng)。這對(duì)于培養(yǎng)具備綜合素質(zhì)的、適應(yīng)數(shù)字化時(shí)代發(fā)展要求的專業(yè)技術(shù)人才具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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