深化機(jī)械制圖教學(xué)改革 培養(yǎng)高技能創(chuàng)新型人才

宋洪俠

（大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

1 世界技能組織及中國首次參賽簡介

世界技能大賽是世界技能組織（簡稱WSI）舉辦的世界頂級(jí)賽事。世界技能組織成立于1954年，總部設(shè)在荷蘭阿姆斯特丹，目前有58 個(gè)國家和地區(qū)成員。其宗旨是，通過成員之間的合作，促進(jìn)青年人和培訓(xùn)師的職業(yè)技能和水平的提升，并積極推廣職業(yè)技能，加強(qiáng)各國在職業(yè)技能領(lǐng)域的合作與交流[1]。世界技能組織自1989 年起每兩年舉辦一次世界技能競賽，被稱為世界“技能界的奧林匹克”。其核心價(jià)值觀是正直、透明、公平、合作和創(chuàng)新，這些精神被認(rèn)為是世界技能組織的支柱。大賽注重選手的綜合能力、作品創(chuàng)意、服務(wù)質(zhì)量、工藝精準(zhǔn)度的考察。

2011 年10 月5-8 日在英國倫敦舉辦了第41屆世界技能大賽，共設(shè)置了46 個(gè)競賽項(xiàng)目，涵蓋了交通與物流、構(gòu)造與建筑、機(jī)械制造、信息和通訊、創(chuàng)意與時(shí)尚、社會(huì)和個(gè)人服務(wù)等6 個(gè)方面。我國首次派選手分別參加了數(shù)控車、數(shù)控銑、機(jī)械設(shè)計(jì)CAD、網(wǎng)頁設(shè)計(jì)、焊接及美發(fā)共6 個(gè)項(xiàng)目的比賽。通過代表團(tuán)上下一心、共同努力，各位選手經(jīng)過4 天的奮力拼搏，獲得了參賽選手平均分在48 個(gè)參賽國（地區(qū)）中位列第二名的好成績，且焊工選手裴先峰在激烈角逐中獲得銀牌，其他選手均獲得了優(yōu)勝獎(jiǎng)。作為機(jī)械設(shè)計(jì)CAD 項(xiàng)目組的技術(shù)翻譯，我全程參與選手推薦、培訓(xùn)跟蹤、2011 年6 月倫敦?zé)嵘碣惣?0 月份的正式比賽，對大賽有比較深刻的了解，感受頗多。

2 41 屆WSC 機(jī)械設(shè)計(jì)CAD 競賽項(xiàng)目介紹

2.1 項(xiàng)目簡介

不同比賽項(xiàng)目具體規(guī)則不同，機(jī)械設(shè)計(jì)CAD項(xiàng)目所有賽題均當(dāng)天現(xiàn)場發(fā)放，這與其他大部分項(xiàng)目不同（一般提前3 個(gè)月給出，賽場改變30%）。因此，要求選手具有堅(jiān)實(shí)的機(jī)械工程基礎(chǔ)知識(shí)、靈敏的整機(jī)裝配意識(shí)、極強(qiáng)的設(shè)計(jì)應(yīng)變能力和高超的軟件應(yīng)用技能。這些都要基于平時(shí)的扎實(shí)學(xué)習(xí)和大量高強(qiáng)度的賽前訓(xùn)練功底，才能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)高質(zhì)量完成競賽項(xiàng)目。機(jī)械設(shè)計(jì)CAD 項(xiàng)目所用軟件是Autodesk 公司贊助的教育版Inventor professional 2012，所有競賽題目均由該公司資深設(shè)計(jì)專家提供，全部項(xiàng)目必須基于ISO 標(biāo)準(zhǔn)完成。選手在4 天22 小時(shí)內(nèi)共完成4 個(gè)模塊，涵蓋了機(jī)械制圖、機(jī)械設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)三維建模與裝配、三維動(dòng)畫模擬、鋼結(jié)構(gòu)、鈑金件設(shè)計(jì)及測繪等，具體內(nèi)容如表1 所示。

表1 競賽時(shí)間安排表

從表1 可知，特征建模及裝配占總分值的46.5%（近1/2），尺寸與技術(shù)要求占25.5%（近1/4），圖樣表達(dá)（圖形、動(dòng)畫、渲染）占28%（近1/4）。

2.2 項(xiàng)目具體內(nèi)容

第1 天的項(xiàng)目主要考察選手的讀圖、建模、裝配、動(dòng)畫、制圖、ISO 標(biāo)準(zhǔn)掌握及軟件應(yīng)用等機(jī)械設(shè)計(jì)CAD 的基本技能。題量大，難度中上，對于各國的頂尖選手，也有一半完不成規(guī)定的任務(wù)。圖1 為組裝后的汽車模型，其中車體、車輪、前部間壁支架、底盤等零件是給定的，將大約60個(gè)零件（含標(biāo)準(zhǔn)件）要組裝到一起，并完成子裝配和整車裝配過程的動(dòng)態(tài)演示及復(fù)雜結(jié)構(gòu)—前部間壁支架（如圖2 所示）的制造工程圖。

圖1 組裝后的遙控汽車模型

圖2 車前部間壁支架

第2 天的項(xiàng)目重點(diǎn)考察選手車體零件運(yùn)輸系統(tǒng)的整體拼裝能力、焊接桁架設(shè)計(jì)、鈑金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)畫表達(dá)能力。該物料輸送機(jī)構(gòu)是現(xiàn)代工廠流水線上比較典型的輸送機(jī)構(gòu)，如圖3 所示。

具體分析可知，前兩個(gè)項(xiàng)目屬常規(guī)化的技能型項(xiàng)目，選手經(jīng)過一定的訓(xùn)練拿到20 分以上沒太大問題。但第3 天的項(xiàng)目以設(shè)計(jì)為主，注重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、運(yùn)動(dòng)傳遞的可行性、概念設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性、運(yùn)動(dòng)過程模擬的真實(shí)性。

從比賽進(jìn)程看，因設(shè)計(jì)是難點(diǎn)，設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是拉開分值的關(guān)鍵項(xiàng)目。計(jì)量泵如圖4 所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，含有蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)。在沒有裝配圖的情況下，選手憑借對設(shè)備的敏感度，將所給零部件組裝成計(jì)量泵。同時(shí)，根據(jù)給定的參數(shù)，利用設(shè)計(jì)加速器或旋轉(zhuǎn)切出蝸桿，完成蝸桿設(shè)計(jì)。蝸輪上的曲柄驅(qū)動(dòng)帶滑槽的擺桿以帶動(dòng)活塞實(shí)現(xiàn)泵的吸、排工作過程。

圖3 車體物料運(yùn)送機(jī)構(gòu)

圖4 改進(jìn)后的計(jì)量泵

圖5 為項(xiàng)目給定剪刀式升降運(yùn)輸機(jī)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)草圖。其下部液壓缸為主動(dòng)件，驅(qū)動(dòng)剪刀機(jī)構(gòu)升降。此項(xiàng)目要求磙子輸送托盤在下方有驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下回轉(zhuǎn)90°以銜接下一個(gè)輸送軌道，圖6 為滿足全部要求的概念設(shè)計(jì)結(jié)果。

第4 天的項(xiàng)目屬反求設(shè)計(jì)，即根據(jù)給定的零件，如圖7 和圖8 所示。通過手工測量后，構(gòu)造其三維模型，并生成制造工程圖?？疾鞙y量的精準(zhǔn)性、特征建模的正確性、尺寸標(biāo)注的完整性、技術(shù)要求的合理性。初步觀察零件似乎不難，實(shí)際存在大量的孔、凸臺(tái)、圓角及傾斜特征，且基準(zhǔn)定位面不明顯。易導(dǎo)致測量不準(zhǔn)、尺寸標(biāo)注缺失、幾何公差基準(zhǔn)難確定等。因此，要求選手具備一絲不茍且高超的測量、建模及工程圖編輯能力（零件在選手處只保留2 小時(shí)）。

圖5 剪刀式升降運(yùn)輸機(jī)構(gòu)概念草圖

圖6 剪刀式升降運(yùn)輸機(jī)構(gòu)模型

圖7 測量用零件下面

圖8 測量用零件上面

3 世界技能機(jī)械設(shè)計(jì)CAD 項(xiàng)目帶來的啟迪

從4 天競賽項(xiàng)目的復(fù)雜程度和難度可見機(jī)械設(shè)計(jì)CAD 的發(fā)展趨勢及其在現(xiàn)階段和未來工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程中所起的作用。使我們清楚地意識(shí)到當(dāng)今機(jī)械設(shè)計(jì)類高技能創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的基本目標(biāo)及人才需求的大方向。

中國在由制造大國向制造強(qiáng)國邁進(jìn)的過程中，急需大批高技能創(chuàng)新型人才。中國參加世界技能大賽就是本著熟悉規(guī)則，了解動(dòng)態(tài)，積累經(jīng)驗(yàn)，學(xué)習(xí)交流和提高技能人才培養(yǎng)水平為目的[3]。競賽給我們帶來了深刻的啟迪，即在注重設(shè)計(jì)和制圖效率的同時(shí)，更注重設(shè)計(jì)及圖紙的質(zhì)量、精度和可加工性、以及設(shè)計(jì)表達(dá)及模擬的真實(shí)性，這恰恰是我們教學(xué)中容易忽略之處。

縱觀國內(nèi)高校機(jī)械大類培養(yǎng)計(jì)劃，機(jī)械設(shè)計(jì)CAD 通常融匯在機(jī)械制圖、機(jī)械加工基礎(chǔ)、機(jī)械精度設(shè)計(jì)及檢測技術(shù)、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)等必修課及CAD/CAM 選修課中，這些課程一般要大三結(jié)束時(shí)才能學(xué)完。按照我國大學(xué)生的基本入學(xué)年齡計(jì)算，那時(shí)都超過22 歲，不具備基本的比賽資格。由于各課程學(xué)習(xí)的銜接性不強(qiáng)，缺乏課程獨(dú)立性項(xiàng)目設(shè)計(jì)及各課程間綜合性應(yīng)用項(xiàng)目的研究，我國大學(xué)生應(yīng)對這樣的高水平國際賽事有相當(dāng)?shù)碾y度。誠然我們培養(yǎng)人才的目的不只是為了參賽，而參照參賽項(xiàng)目重新審視人才培養(yǎng)的大方向更是我們應(yīng)該思考的問題。

機(jī)械制圖屬工科大類技術(shù)基礎(chǔ)課，一般設(shè)在大學(xué)一年級(jí)，此時(shí)，學(xué)生年齡大多不到20 歲，是最佳的學(xué)習(xí)年齡，卻也是基本不具備任何專業(yè)知識(shí)的年齡。對學(xué)生而言，機(jī)械制圖是他們最早接觸到的專業(yè)課，充滿了好奇和求知愿望，如何利用這個(gè)極好的契機(jī)帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)到更多的有關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)CAD 方面的知識(shí)是機(jī)械制圖教師的責(zé)任和義務(wù)。同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生積極參加與世界技能大賽相關(guān)的各類選拔賽，展現(xiàn)中國機(jī)械設(shè)計(jì)年輕技能人才實(shí)力、推動(dòng)中國技能人才培養(yǎng)進(jìn)程。

4 國內(nèi)高校機(jī)械制圖課程教學(xué)需要改革

4.1 機(jī)械制圖課程教學(xué)目標(biāo)定位需要提高

機(jī)械制圖教學(xué)內(nèi)容和難度同該競賽項(xiàng)目相比差別甚大[3]。教學(xué)大綱重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)投影規(guī)則、視圖表達(dá)、簡單的二三維CAD 繪圖知識(shí)等。國內(nèi)機(jī)械制圖教材很少涉及與繪圖關(guān)聯(lián)十分密切的設(shè)計(jì)應(yīng)用內(nèi)容，主要以介紹投影規(guī)則和解析國家機(jī)械制圖標(biāo)準(zhǔn)為主，學(xué)生學(xué)完了機(jī)械制圖課程不知道為什么而學(xué)、學(xué)了做什么、今后怎么做的大有人在。

4.2 教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用的聯(lián)系需要加強(qiáng)

通過選手培訓(xùn)和競賽的全過程可知，我國選手機(jī)械設(shè)計(jì)CAD 基礎(chǔ)教育非常欠缺。教學(xué)內(nèi)容能夠用到生產(chǎn)設(shè)計(jì)實(shí)踐中的不足20%，尤其是工程圖中的尺寸和技術(shù)要求標(biāo)注不注重可測性和可加工性，大多遵從與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)相一致的原則，這與國外高等教育或職業(yè)技能教育注重緊密聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際形成巨大的反差。如何縮小差距以增強(qiáng)我國在該項(xiàng)目上的實(shí)力是教師必須深思和要解決的問題，并從整體上提升機(jī)械制圖教學(xué)水平。

4.3 教學(xué)模式需要更新

多年來的教學(xué)改革成效不甚明顯。教學(xué)模式總脫離不了課堂教授為主，課下完成局部知識(shí)點(diǎn)對應(yīng)的簡單作業(yè)為輔的教學(xué)模式。課程缺少綜合性、深入性、與實(shí)際應(yīng)用緊密聯(lián)系的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，亦缺少客觀考核學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)方式，致使學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力得不到應(yīng)有的鍛煉和提高。尤其是缺乏引導(dǎo)學(xué)生深入學(xué)習(xí)較復(fù)雜機(jī)構(gòu)圖樣的項(xiàng)目，無法更好地激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的潛能。

5 機(jī)械制圖教學(xué)改革的具體措施

切實(shí)轉(zhuǎn)變觀念，加大改革力度。在機(jī)械制圖教學(xué)中融入更多的設(shè)計(jì)元素、實(shí)際應(yīng)用元素、現(xiàn)代設(shè)計(jì)表達(dá)元素等，以期調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激勵(lì)他們奮發(fā)向上，主動(dòng)探索，打好機(jī)械設(shè)計(jì)CAD 基礎(chǔ)。我們培養(yǎng)的是具有創(chuàng)新能力的人才和現(xiàn)代設(shè)計(jì)工程師，要徹底改變單一化理解“機(jī)械制圖”的陳舊觀念，才有助于高技能創(chuàng)新型人才培養(yǎng)這一國家戰(zhàn)略性大計(jì)的貫徹和實(shí)施。

5.1 調(diào)整教學(xué)重點(diǎn)，加強(qiáng)上機(jī)實(shí)踐環(huán)節(jié)

壓縮畫法幾何內(nèi)容，把更多的時(shí)間分配給機(jī)械制圖及上機(jī)實(shí)踐指導(dǎo)。教學(xué)中注重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理化、圖紙表達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)化、尺寸及技術(shù)要求標(biāo)注可測性及可加工性。

5.2 急需編輯出版融機(jī)械制圖、設(shè)計(jì)、三維軟件應(yīng)用為一體的新型教材

繼承原有機(jī)械制圖教材細(xì)膩與規(guī)范的優(yōu)點(diǎn)，需要更多地結(jié)合設(shè)計(jì)和應(yīng)用實(shí)例，從設(shè)計(jì)、工作過程仿真、工程圖出圖等方面，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)好、用好“機(jī)械制圖”知識(shí)的教材盡早問世。強(qiáng)化設(shè)計(jì)、制圖、表達(dá)三者間的關(guān)系，切實(shí)提高學(xué)生的綜合運(yùn)用能力和現(xiàn)代設(shè)計(jì)能力。

5.3 圍繞工程應(yīng)用實(shí)踐培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力[4-6]

從機(jī)械設(shè)計(jì)CAD 技能大賽的競賽分值所占百分比可知三維設(shè)計(jì)、工程圖表達(dá)及標(biāo)注、動(dòng)態(tài)模擬是高技能人才必備的現(xiàn)代設(shè)計(jì)技能。教學(xué)中應(yīng)圍繞工程應(yīng)用實(shí)踐，著重結(jié)合項(xiàng)目學(xué)習(xí)法深入剖析部件的工作原理、設(shè)計(jì)特色、功能結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、視圖表達(dá)、制造工程圖的生成、動(dòng)態(tài)拆裝及工作過程模擬等內(nèi)容的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，以掌握這些現(xiàn)代設(shè)計(jì)基本技能，為優(yōu)秀人才成長打下良好基礎(chǔ)。

5.4 解放思想，轉(zhuǎn)變觀念，大力推廣應(yīng)用研究型教學(xué)模式

機(jī)械制圖絕不是簡單意義上的基于投影對應(yīng)關(guān)系的二維繪圖。一方面二維圖形信息已遠(yuǎn)不能適應(yīng)現(xiàn)代設(shè)計(jì)和制造的需求；另一方面為縮短設(shè)計(jì)周期，三維虛擬設(shè)計(jì)已成為必然，因此，當(dāng)今的機(jī)械制圖應(yīng)該是建立在三維設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上，無法將制圖與設(shè)計(jì)割裂開來，這就給機(jī)械制圖教學(xué)帶來了挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

教學(xué)中從探究出發(fā)，結(jié)合不同的工程項(xiàng)目或產(chǎn)品，給學(xué)生提供關(guān)鍵性的指導(dǎo)，讓他們發(fā)揮主觀能動(dòng)性，自覺投入到項(xiàng)目學(xué)習(xí)中，以團(tuán)隊(duì)形式完成項(xiàng)目作業(yè)[4,6]。同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生盡量從身邊看得見、摸得著的實(shí)物出發(fā)，從概念設(shè)計(jì)、改進(jìn)設(shè)計(jì)、發(fā)明創(chuàng)造的角度發(fā)掘設(shè)計(jì)靈感。完成設(shè)計(jì)的過程就是他們階段性自我實(shí)現(xiàn)的過程，巨大的成就感會(huì)促使他們不斷進(jìn)取。從而扎實(shí)掌握建模及裝配、拆裝過程及工作原理仿真、制造工程圖編輯和出圖等一系列必備知識(shí)，打好機(jī)械設(shè)計(jì)CAD 基礎(chǔ)，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)和現(xiàn)代設(shè)計(jì)技能的進(jìn)一步提高奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。

多年來，國內(nèi)不少高校在機(jī)械制圖教學(xué)改革中做了很多工作，各有特色。以大連理工大學(xué)機(jī)械制圖課程教學(xué)為例簡要說明該教學(xué)模式的優(yōu)點(diǎn)。我們一直秉承著繼承與創(chuàng)新并重，制圖與設(shè)計(jì)并行的教學(xué)理念，全程采用應(yīng)用研究型教學(xué)模式，因此，每年都有80%以上的學(xué)生通過機(jī)械制圖課程的學(xué)習(xí)，不僅掌握了機(jī)械制圖的基本知識(shí)，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新上都有嘗試和突破。自2009 年以來有多名學(xué)生參加亞太地區(qū)、國家級(jí)、省級(jí)的機(jī)械設(shè)計(jì)大賽，CAD 二維、三維認(rèn)證，全國大學(xué)生機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)大賽，以及2 名非常優(yōu)秀的學(xué)生作為世界技能大賽的最終備選選手等，他們都取得了很好的成績。這些是得益于機(jī)械制圖課程的研究型教學(xué)模式，學(xué)生們在后續(xù)課程的學(xué)習(xí)中柔韌有余，受益匪淺。

6 總 結(jié)

切實(shí)加大改革力度，將機(jī)械制圖教學(xué)作為技術(shù)基礎(chǔ)和學(xué)生職業(yè)生涯的重要素質(zhì)來培養(yǎng)。中國從制造大國向制造強(qiáng)國邁進(jìn)靠的是人才，參加世界技能大賽的親身感受使我們清楚地意識(shí)到還有很長的路要走。為此，機(jī)械制圖教師必須增強(qiáng)使命感、時(shí)代感、責(zé)任感，為高技能創(chuàng)新型人才培養(yǎng)做出自己的貢獻(xiàn)。

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