基于多結(jié)構(gòu)集成模型的機(jī)械制圖教學(xué)實踐

梁曉娟，鄒鳳樓，陳 冰，朱樂西

機(jī)械制圖課程的實用教學(xué)目標(biāo)是教會學(xué)生繪圖與識圖。繪圖講授把三維形體表達(dá)為二維工程圖樣的投影規(guī)則及技術(shù)方法，識圖講授根據(jù)二維圖樣回溯設(shè)計者所表達(dá)三維形體的思路與方法。機(jī)械制圖課程的學(xué)習(xí)是從三維形體到二維圖樣、從二維圖樣到三維形體的不斷反復(fù)的思維活動過程［1］。如何引領(lǐng)學(xué)生在課堂上跨過形體想象障礙以提高空間想象能力，從而完成簡單形體的截交、相貫畫法，直至復(fù)雜形體的正確表達(dá)與工程圖樣的規(guī)范繪制和正確讀識，一直以來都是教師教學(xué)的重點(diǎn)與難點(diǎn)，也成為教師不斷探索更好的教學(xué)方式和方法的領(lǐng)域之一。

結(jié)合浙江科技學(xué)院卓越工程師項目改革，為培養(yǎng)應(yīng)用型機(jī)械工程技術(shù)人才，對機(jī)械制圖課程在不斷進(jìn)行著教學(xué)改革與實踐。機(jī)械制圖課程群教師在多年教學(xué)實踐的基礎(chǔ)上，分析、總結(jié)了影響學(xué)生形體想象的瓶頸，將典型立體的切割與疊加、常見機(jī)械工藝結(jié)構(gòu)匯聚于一個實體模型，制成了便于學(xué)生攜帶的直觀的多結(jié)構(gòu)集成模型。經(jīng)過3年來的機(jī)械制圖教學(xué)實踐，效果良好。

圖1 多結(jié)構(gòu)集成單體模型Fig.1 Structural integrated single model

1 多結(jié)構(gòu)集成模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

多結(jié)構(gòu)集成模型總體設(shè)計為帶安裝底板的空心圓柱體結(jié)構(gòu)，采用工程塑料注塑成形。該模型結(jié)構(gòu)具有3個特點(diǎn)。

1.1 多結(jié)構(gòu)集成單體模型與合體模型

為了滿足剖視表達(dá)需要，兼顧教學(xué)模型及注塑模具制造成本，模型采用非對稱的沿縱面剖分的多結(jié)構(gòu)集成單體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。所有單體模型用同一個注塑模型成形，結(jié)構(gòu)、大小完全相同。兩個單體沿縱面合體，并用銷連接即成多結(jié)構(gòu)集成合體模型，如圖2所示。

1.2 常見機(jī)械結(jié)構(gòu)綜合展示

集成模型上盡可能多地綜合典型的學(xué)生較難理解的常見基本立體切割、鉆孔和虛實相交相貫等結(jié)構(gòu)［2］。圖1和圖2所示的模型共包括19種常見結(jié)構(gòu)特征：圓柱結(jié)構(gòu)，圓柱同軸臺階孔結(jié)構(gòu)，與軸線平行平面和垂直平面截切圓柱結(jié)構(gòu)，空心圓柱U形切口與矩形切口結(jié)構(gòu)，圓柱與空心圓柱正交虛實相貫結(jié)構(gòu)，正四棱柱與空心圓柱正交虛實相貫結(jié)構(gòu)，沉孔結(jié)構(gòu)，肋板結(jié)構(gòu)，底板及其與圓柱體相切相交結(jié)構(gòu)，底板開槽結(jié)構(gòu)，內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)，退刀槽，鍵槽及銷孔結(jié)構(gòu)。各種結(jié)構(gòu)在教學(xué)環(huán)節(jié)的不同階段均可使用。

1.3 常見機(jī)械工藝結(jié)構(gòu)展示

集成模型在一定程度內(nèi)還組合了常見的機(jī)械工藝結(jié)構(gòu)［2］，以方便機(jī)械類專業(yè)學(xué)生從組合體表達(dá)到機(jī)械零件結(jié)構(gòu)設(shè)計的學(xué)習(xí)。模型包括機(jī)械零件典型的底板安裝沉孔結(jié)構(gòu)、肋板結(jié)構(gòu)、臺階孔結(jié)構(gòu)、螺紋結(jié)構(gòu)、退刀槽結(jié)構(gòu)、鍵槽結(jié)構(gòu)、銷孔結(jié)構(gòu)及可減少加工面積的底槽結(jié)構(gòu)。在機(jī)械制圖課程教學(xué)過程中，也能初步培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計、繪制工藝結(jié)構(gòu)的專業(yè)素質(zhì)。

圖2 多結(jié)構(gòu)集成合體模型Fig.2 Fabricated structural integrated model

2 基于多結(jié)構(gòu)集成模型的教學(xué)實踐

2.1 空間思維與想象能力及創(chuàng)造性思維能力的培養(yǎng)

空間思維和想象能力不僅是學(xué)好機(jī)械制圖課程的必要條件，更是創(chuàng)造性思維、創(chuàng)新設(shè)計的必備基礎(chǔ)。從這一意義上說，空間思維和想象能力的培養(yǎng)應(yīng)是機(jī)械制圖課程講授者追求的比實用教學(xué)更高層次的教學(xué)目標(biāo)［3］，但在教學(xué)實踐中，實現(xiàn)這一目標(biāo)是非常困難的。由于傳統(tǒng)的教育方法使很多學(xué)生從幼兒園到中學(xué)過多地被禁錮在書本知識和課堂教學(xué)里，對自然界的感知認(rèn)識極度匱乏，對幾何形體形狀的積累、形體變化及與常見器具零件間的關(guān)系的聯(lián)想少之又少，使得他們在課程學(xué)習(xí)過程中遇到了困難。相對于儲備較少的空間思維和想象能力，復(fù)雜幾何體的切割、疊加甚至組合對學(xué)生是一個較高的臺階，因此，他們在課堂上難聽懂，在作業(yè)中錯誤百出，幾個學(xué)時下來，學(xué)習(xí)信心大受打擊，學(xué)習(xí)興趣、欲望快速下降，以致直接影響到課程的學(xué)習(xí)效果，更影響他們在創(chuàng)新領(lǐng)域的發(fā)展。

在當(dāng)前的機(jī)械制圖教學(xué)方法中，一直都在使用實體模型和三維模型來輔助教學(xué)［4－6］，但其各有局限。首先，與教材配套的實體模型基本上能夠把各章節(jié)的圖例、作業(yè)圖樣展示為實體，具體而直觀，對學(xué)生理解投影原理、認(rèn)知實體輪廓與投影圖的對應(yīng)關(guān)系有較大幫助。但實體教學(xué)模型多數(shù)是教師上課時帶來的，尺寸大、數(shù)量少，邊上課邊示范，滿足不了學(xué)生對多種結(jié)構(gòu)模型的需要；或者實體模型存放在某個固定地點(diǎn)，滿足不了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的隨時隨地性。其次，隨著多媒體教學(xué)的深入，三維實體造型模型演示也已廣泛使用。三維模型在課堂教學(xué)中發(fā)揮了明顯的作用，模型在顯示屏幕上可旋轉(zhuǎn)、可剖切，能生動地增進(jìn)學(xué)生對結(jié)構(gòu)的認(rèn)識和理解，但是由于多媒體技術(shù)對設(shè)備的依賴性和直觀教學(xué)在制圖教學(xué)中的必要性，三維模型終究不能適應(yīng)學(xué)生更多的學(xué)習(xí)需要。雖然有多媒體技術(shù)的輔助教學(xué)，機(jī)械制圖課程的學(xué)習(xí)仍然需要直觀的模型教學(xué)，需要將抽象的概念轉(zhuǎn)變?yōu)槟芸吹靡?、摸得著的實物，而且需要無論在何時何地學(xué)習(xí)都能在手邊的模型，以幫助理解復(fù)雜結(jié)構(gòu)，逐步提高空間思維和想象能力。

集成模型適應(yīng)了這種需求，體積小、方便攜帶與保管，結(jié)構(gòu)上盡可能多地組合典型的學(xué)生較難理解、掌握的和工程設(shè)計中常見的實體結(jié)構(gòu)，并在教學(xué)過程中逐步給出各結(jié)構(gòu)的各向投影圖，在工程圖表達(dá)學(xué)習(xí)階段給出綜合模型的規(guī)范工程圖。教師在課堂教學(xué)過程中結(jié)合教學(xué)內(nèi)容講解結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)學(xué)生借助手中的模型加以理解，增加結(jié)構(gòu)的感性認(rèn)知與積累，提高教學(xué)效果；學(xué)生在課后自主學(xué)習(xí)的過程中，借助涵蓋結(jié)構(gòu)較寬的模型可以消化課堂內(nèi)容、完成作業(yè)，進(jìn)一步了解和想象空間結(jié)構(gòu)，提高空間思維與想象能力及創(chuàng)造性思維能力。

2.2 典型結(jié)構(gòu)正確表達(dá)方法的培養(yǎng)

集成模型包括19種常見的典型結(jié)構(gòu)，各種結(jié)構(gòu)在教學(xué)的不同階段使用。其中，圓柱結(jié)構(gòu)、與軸線平行平面截切圓柱結(jié)構(gòu)、圓柱同軸臺階孔結(jié)構(gòu)、空心圓柱U形切口與矩形切口結(jié)構(gòu)、圓柱與空心圓柱正交虛實相貫結(jié)構(gòu)、正四棱柱與空心圓柱正交虛實相貫結(jié)構(gòu)，底板及其與圓柱體相切、相交結(jié)構(gòu)等，與機(jī)械制圖教學(xué)的基本立體的投影、平面與立體相交的投影和立體與立體相交等教學(xué)內(nèi)容結(jié)合使用；內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)、退刀槽、鍵槽及銷孔結(jié)構(gòu)，與連接件與標(biāo)準(zhǔn)件教學(xué)內(nèi)容結(jié)合使用；沉孔結(jié)構(gòu)、肋板結(jié)構(gòu)及底板開槽結(jié)構(gòu)等，與零件工藝結(jié)構(gòu)內(nèi)容結(jié)合使用。教學(xué)過程中，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，通過模型幫助理解結(jié)構(gòu)，有助于典型結(jié)構(gòu)的正確表達(dá)。

對照實體集成模型，結(jié)合課堂教學(xué)內(nèi)容和課后習(xí)題作業(yè)，可以給學(xué)生對某種結(jié)構(gòu)單獨(dú)進(jìn)行講解，練習(xí)其表達(dá)方法，如：與軸線平行的平面截切圓柱的截交線畫法、空心圓柱U形切口的投影畫法、空心圓柱矩形切口的投影畫法、圓柱與圓柱外表面相交的畫法、圓柱與空心圓柱正交虛實相貫線畫法、正四棱柱與空心圓柱正交虛實相貫線畫法、肋結(jié)構(gòu)剖與不剖畫法、底板與圓柱體相切相交的投影畫法，內(nèi)螺紋孔剖視畫法，退刀槽、鍵槽、沉孔及銷孔畫法等。涵蓋結(jié)構(gòu)較寬的集成模型可以幫助學(xué)生對典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分的認(rèn)識，對表達(dá)方法作不斷的練習(xí)，幫助他們培養(yǎng)正確的繪圖能力。如圖3所示，學(xué)生從集成模型的正面結(jié)構(gòu)中，可以直觀地觀察到底板與圓柱體相切、相交產(chǎn)生的不同交線，理解其投影畫法。

圖3 集成模型正面結(jié)構(gòu)視圖Fig.3 Front view of integrated model

2.3 規(guī)范完整的工程繪圖能力的培養(yǎng)

集成模型為包含安裝底板與空心圓柱的類箱體結(jié)構(gòu)，制作過程中為了滿足剖視表達(dá)需要及模型制造成本和攜帶性，采用工程塑料注塑成形制成單體結(jié)構(gòu)。在機(jī)械制圖教學(xué)過程中，可結(jié)合組合體的畫法、常用表達(dá)方法及正確繪制零件圖等教學(xué)內(nèi)容，通過模型幫助學(xué)生理解與應(yīng)用三視圖、剖視圖及斷面圖，掌握完整的零件圖繪制方法。

在課堂講授完三視圖的畫法后，可指導(dǎo)學(xué)生按照合體模型繪制三視圖，如圖4所示，幫助學(xué)生理解基本的三視圖投影規(guī)律。

圖4 集成模型三視圖Fig.4 Three－plane projection drawing of integrated model

在深入學(xué)習(xí)機(jī)件的常用表達(dá)方法后，學(xué)生可進(jìn)一步改進(jìn)主視圖，將主視圖改畫成剖視圖（剖切面沿縱面，即單體結(jié)構(gòu)投射），補(bǔ)畫C－C斷面圖，對模型結(jié)構(gòu)完整清晰地表達(dá)。結(jié)合工程圖表達(dá)教學(xué)內(nèi)容，為了保持工程圖樣的完整性、真實性，給學(xué)生提供一個規(guī)范工程圖模板，將模型尺寸、技術(shù)要求及標(biāo)題欄內(nèi)容進(jìn)行完整標(biāo)注，給出綜合模型的規(guī)范工程圖（圖5），幫助學(xué)生完整地標(biāo)注零件圖尺寸、公差及表面粗糙度，撰寫技術(shù)要求，填寫標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)題欄等內(nèi)容。通過這些過程的學(xué)習(xí)，提高學(xué)生正確繪制規(guī)范完整工程圖的能力。

圖5 集成模型規(guī)范工程圖Fig.5 Standard engineering drawing of integrated model

3 結(jié) 語

機(jī)械制圖課程的核心教學(xué)目標(biāo)是提高學(xué)生的空間想象力，培養(yǎng)繪制和閱讀規(guī)范、完整的工程圖的能力。近幾年來，雖然各種教學(xué)方法和教學(xué)手段在制圖課程的教學(xué)中被廣泛采用，但是實踐證明，傳統(tǒng)的直觀模型教學(xué)仍然在機(jī)械制圖的課堂教學(xué)和學(xué)生自主學(xué)習(xí)過程中起著不可或缺的作用［6］。多結(jié)構(gòu)集成模型作為機(jī)械制圖課程教學(xué)改革的一部分，使用3年以來，很受學(xué)生歡迎，成為學(xué)生培養(yǎng)空間想象力和空間思維能力，以及對基本結(jié)構(gòu)認(rèn)識與掌握等方面的助手，取得了良好的教學(xué)效果。

［1］ 邢蕾，姜東華，劉春山.機(jī)械制圖課程的三維實體二維機(jī)械圖樣轉(zhuǎn)換教學(xué)的思考與實踐［J］.黑龍江科技信息，2009（26）：177.

［2］ 王蘭美，馮秋官.機(jī)械制圖［M］.北京：高等教育出版社，2010.

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［4］ 宗榮珍，段江軍，康寶來.卓越工程師背景下《機(jī)械制圖》課程教學(xué)研究［J］.裝備制造技術(shù)，2013（8）：209－211.

［5］ 李大林.《機(jī)械制圖》課程教學(xué)方法探討［J］.大學(xué)教育，2013（17）：123－124.

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