試論基于數(shù)字化制造的職教機(jī)械制圖教學(xué)改革

高恒星

摘要：在數(shù)字化制造技術(shù)不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用的背景下，工程圖讀繪方法和能力要求也在不斷發(fā)生變化。本文提出，職業(yè)教育機(jī)械制圖課程作為培養(yǎng)技能型人才工程圖應(yīng)用能力的核心課程，需要緊跟技術(shù)進(jìn)步和生產(chǎn)實(shí)際來改革教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，將數(shù)字化制造軟件應(yīng)用與工程圖讀繪能力培養(yǎng)相結(jié)合，達(dá)到基于數(shù)字化制造背景的職教機(jī)械制圖課程教學(xué)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化制造 職業(yè)教育 機(jī)械制圖 課程改革

課題：本文為江蘇省淮安技師學(xué)院國家級(jí)高技能人才培訓(xùn)基地建設(shè)項(xiàng)目數(shù)控加工專業(yè)技能人才培養(yǎng)規(guī)律及培訓(xùn)模式研究成果之一。

2015年8月，教育部印發(fā)《關(guān)于深化職業(yè)教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的若干意見》，要求推進(jìn)專業(yè)教學(xué)緊貼技術(shù)進(jìn)步和生產(chǎn)實(shí)際。對(duì)接最新職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和崗位規(guī)范，緊貼崗位實(shí)際工作過程，調(diào)整課程結(jié)構(gòu)，更新課程內(nèi)容，深化多種模式的課程改革。機(jī)械制圖課程作為培養(yǎng)技術(shù)技能型人才應(yīng)用工程技術(shù)語言能力的重要學(xué)科，也必須緊密結(jié)合產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)際，推動(dòng)教育教學(xué)改革與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)銜接配套。

一、基于數(shù)字化制造技術(shù)的機(jī)械設(shè)計(jì)與制造

數(shù)字化制造技術(shù)是數(shù)字化技術(shù)和制造技術(shù)的融合，它是制造技術(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、融和、發(fā)展與應(yīng)用的結(jié)果。隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來，國家出臺(tái)“中國制造2025”規(guī)劃，大力推進(jìn)信息化與工業(yè)化深度融合，數(shù)字化制造技術(shù)成為推動(dòng)企業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的有力推手。在數(shù)字化制造技術(shù)不斷發(fā)展的時(shí)代，產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造信息平臺(tái)，從二維向三維轉(zhuǎn)變，從三維模型和二維工程圖信息獨(dú)立向數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)變，從設(shè)計(jì)、工藝、制造、檢驗(yàn)、維修的獨(dú)立信息載體向基于模型定義（MBD）技術(shù)的集成-化信息載體轉(zhuǎn)變。當(dāng)前，各類企業(yè)都在不同程度上應(yīng)用數(shù)字化制造技術(shù)來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和管理過程的信息化，提高生產(chǎn)效率和進(jìn)行質(zhì)量控制，數(shù)字化制造技術(shù)不斷影響和改變著制造企業(yè)傳統(tǒng)的生產(chǎn)以及管理方式。

二、數(shù)字化制造技術(shù)推動(dòng)r程圖繪制和識(shí)讀方式的改變

傳統(tǒng)工程圖是建立在二維設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上的，以二維視圖、各類符號(hào)標(biāo)注和文字說明來定義產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造信息。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和CAD軟件技術(shù)的不斷成熟，作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造信息載體，工程圖經(jīng)歷了從二維工程圖到三維實(shí)體模型的三個(gè)發(fā)展階段，即：“二維設(shè)計(jì)，二維出圖”階段、“三維設(shè)計(jì)，二維出圖”階段、MBD全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造階段。在中、小型制造企業(yè)中，數(shù)字化制造技術(shù)的應(yīng)用處在三維模型和二維工程圖表達(dá)相結(jié)合的設(shè)計(jì)與制造階段，即“三維設(shè)計(jì)，二維出圖”階段，以三維CAD軟件為設(shè)計(jì)平臺(tái)，三維CAD模型以表達(dá)產(chǎn)品幾何特征等設(shè)計(jì)信息為主要任務(wù)，以二維CAD軟件為制造信息表達(dá)平臺(tái)，采用包含軸測圖的二維工程圖表達(dá)產(chǎn)品尺寸、公差、粗糙度、工藝等制造信息為主要任務(wù)，兩者都可以作為零部件生產(chǎn)和裝配的技術(shù)文件?；跀?shù)字化制造技術(shù)的三維CAD模型必須依存于信息技術(shù)載體，二維工程圖無論是無紙還是紙質(zhì)載體，其與傳統(tǒng)工程圖讀繪能力要求都有明顯變化，如表1所示。

以數(shù)字化制造軟件技術(shù)為支撐的產(chǎn)品定義載體，工程圖的讀繪方式和相應(yīng)的能力要求，都發(fā)生了明顯改變。從當(dāng)前職業(yè)教育機(jī)械制圖課程教學(xué)目標(biāo)看，傳統(tǒng)的工程圖樣讀繪能力培養(yǎng)占主導(dǎo)地位，而對(duì)數(shù)字化制造軟件在工程圖領(lǐng)域的應(yīng)用能力培養(yǎng)，還沒有引起足夠重視，或者說傳統(tǒng)的工程圖讀繪能力與數(shù)字化制造技術(shù)條件下工程圖讀繪能力培養(yǎng)還沒有緊密結(jié)合起來，將計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)當(dāng)做代替手工尺規(guī)繪圖手段的思想仍然流行，按照傳統(tǒng)教學(xué)方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行大強(qiáng)度讀圖和繪圖訓(xùn)練的教學(xué)方法還普遍存在，部分計(jì)算機(jī)繪圖課程培養(yǎng)目標(biāo)停留在“畫圖”層面，局限于具體繪圖命令的講解，而機(jī)械制圖課程對(duì)于計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)的應(yīng)用不夠徹底，存在能力培養(yǎng)脫節(jié)現(xiàn)象。

三、機(jī)械制圖課程融合CAD技術(shù)是產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的需要

傳統(tǒng)的機(jī)械制圖課程教學(xué)強(qiáng)調(diào)學(xué)生二維圖樣的繪圖和讀圖基本功訓(xùn)練。這部分內(nèi)容是教學(xué)重點(diǎn)，也是課程學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。由于工程圖表達(dá)的信息與工程實(shí)踐結(jié)合緊密，需要一定實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積淀和反復(fù)練習(xí)才能熟練掌握工程圖讀繪技能。因此，在課程學(xué)習(xí)階段，即使師生花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，效果有時(shí)也不盡如人意。在數(shù)字化制造技術(shù)引領(lǐng)制造業(yè)信息化的時(shí)代，計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)已經(jīng)超越代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工繪圖的功能，成為工程技術(shù)語言的新載體，不僅促進(jìn)了“甩圖板”和“甩圖紙”的技術(shù)更新，更是當(dāng)前整個(gè)產(chǎn)品生命周期過程中不可或缺的信息載體。機(jī)械制圖課程作為培養(yǎng)應(yīng)用工程技術(shù)語言的核心課程，其培養(yǎng)目標(biāo)和對(duì)應(yīng)教學(xué)內(nèi)容必須與這一變化相適應(yīng)。機(jī)械制圖課程以培養(yǎng)工程圖的識(shí)讀與繪制能力為基本目標(biāo)毋庸置疑，CAD軟件技術(shù)作為數(shù)字化制造技術(shù)的核心，機(jī)械制圖課程教學(xué)需要借力和順應(yīng)數(shù)字化制造技術(shù)，來有效提高技能型人才基于數(shù)字化制造技術(shù)的工程圖識(shí)讀與繪制能力。因此，需要將CAD軟件技術(shù)應(yīng)用能力真正融合到工程圖讀繪能力培養(yǎng)過程中，而不僅僅是作為代替手工繪圖的工具，存在于相互獨(dú)立的教學(xué)中。

在課程教學(xué)中以CAD軟件三維造型為主線，應(yīng)用易學(xué)易用的國產(chǎn)軟件CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)或UG、solidWorks等其他常用的數(shù)字化制造軟件，按照在制圖課程學(xué)習(xí)中“實(shí)用、夠用”原則，教會(huì)學(xué)生基本三維造型方法，三維模型轉(zhuǎn)二維視圖基本方法，以及二維工程圖標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)置、尺寸標(biāo)注、技術(shù)要求標(biāo)注等基本方法。學(xué)生在學(xué)習(xí)機(jī)械制圖課程過程中，就能習(xí)慣于應(yīng)用數(shù)字化制造軟件，按照工程圖標(biāo)準(zhǔn)來表達(dá)產(chǎn)品定義相關(guān)信息。

四、機(jī)械制圖課程教學(xué)內(nèi)容和方法的滯后性

職業(yè)教育所培養(yǎng)的是中、高級(jí)技術(shù)技能型人才，突出人才職業(yè)能力的應(yīng)用型和技術(shù)的實(shí)用性。在企業(yè)廣泛采用數(shù)字化制造技術(shù)背景下，作為培養(yǎng)應(yīng)用工程技術(shù)語言能力的機(jī)械制圖課程，其教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容必須與制造業(yè)技術(shù)發(fā)展同步。

受機(jī)械制圖課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法的傳統(tǒng)慣性影響，以及大部分職業(yè)院校教師到企業(yè)實(shí)踐的機(jī)會(huì)有限，缺乏足夠的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，課程教學(xué)內(nèi)容與企業(yè)新技術(shù)應(yīng)用存在一定的滯后性，培養(yǎng)目標(biāo)與企業(yè)要求存在一定差距。從當(dāng)前各類職業(yè)院校選用的機(jī)械制圖課程教材看，無論從傳統(tǒng)到當(dāng)前的縱向比較，還是從中職到高職的橫向比較，機(jī)械制圖課程主要教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)體系基本沒有太大變化。基本按照制圖基本國標(biāo)與基本技能、正投影作圖基礎(chǔ)、點(diǎn)線面投影、軸測圖、組合體、機(jī)件表示法、零件圖、裝配圖、零部件測繪、計(jì)算機(jī)繪圖、其他圖樣（選學(xué)）來編排。對(duì)于計(jì)算機(jī)繪圖內(nèi)容，通常有三種教學(xué)方式，即單獨(dú)開設(shè)計(jì)算機(jī)繪圖課程，制圖課程中集中教學(xué)授，或者分散教學(xué)。機(jī)械制圖課程的實(shí)踐性和職業(yè)性，要求學(xué)以致用、用以促學(xué)、學(xué)用相長，教學(xué)改革要求與產(chǎn)業(yè)與技術(shù)發(fā)展同步，但教學(xué)內(nèi)容的滯后性影響基于數(shù)字化制造技術(shù)的工程圖讀繪能力培養(yǎng)。

由于新知識(shí)、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，以培養(yǎng)應(yīng)用型技能人才為目標(biāo)的職業(yè)教育課程體系逐步以實(shí)踐教學(xué)為中心，不斷推進(jìn)教學(xué)模式改革，導(dǎo)致機(jī)械制圖課程總教學(xué)課時(shí)有相對(duì)壓縮的趨勢(shì)，由于機(jī)械制圖課程學(xué)習(xí)對(duì)抽象思維的高要求，課程與工程實(shí)踐結(jié)合的緊密性，學(xué)生缺少工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等因素，課程學(xué)習(xí)客觀上存在一定困難。因此，要達(dá)到滿足企業(yè)需求的職業(yè)能力，必須進(jìn)行有效的課程改革。在本校多屆的畢業(yè)生就業(yè)雙選會(huì)上，如富士康（富準(zhǔn)、鴻準(zhǔn)）模具、舍弗勒（昆山）等眾多企業(yè)對(duì)畢業(yè)生筆試選拔中，工程圖讀繪能力測試是必考項(xiàng)目，而且占有筆試成績的很大比例，其中第三角畫法、與數(shù)字化制造技術(shù)相關(guān)的圖樣讀繪能力等企業(yè)正在應(yīng)用的技術(shù)，都是常見的考核內(nèi)容，企業(yè)對(duì)應(yīng)用型技能人才工程圖讀繪能力的要求可見一斑。

五、基于數(shù)字化制造技術(shù)的機(jī)械制圖教學(xué)內(nèi)容改革

基于數(shù)字化制造技術(shù)在工程圖表達(dá)中的應(yīng)用，對(duì)機(jī)械制圖教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行增減處理。一方面，增加新技術(shù)、新方法，強(qiáng)化相關(guān)內(nèi)容學(xué)習(xí)，為適應(yīng)技術(shù)發(fā)展需要和后續(xù)課程學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。另一方面，對(duì)教學(xué)內(nèi)容中脫離培養(yǎng)目標(biāo)和生產(chǎn)實(shí)際的知識(shí)、技能進(jìn)行刪減，不僅突出了教學(xué)重點(diǎn)，體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性，也體現(xiàn)職業(yè)教育“實(shí)用性”原則。至于在傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容中，利用尺規(guī)繪圖技能訓(xùn)練和讀圖技能訓(xùn)練，雖然可培養(yǎng)學(xué)生一絲不茍、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的工作作風(fēng)，以及空間想象能力和抽象思維能力，但針對(duì)職業(yè)教育培養(yǎng)對(duì)象和培養(yǎng)目標(biāo)，教學(xué)內(nèi)容應(yīng)有利于緊貼崗位需求的應(yīng)用性和實(shí)用性能力培養(yǎng)，而更高層次的職業(yè)素養(yǎng)應(yīng)在未來的職業(yè)生涯中逐步提升?；跀?shù)字化制造技術(shù)的機(jī)械制圖教學(xué)內(nèi)容增減建議，如表2所示。

六、基于數(shù)字化制造技術(shù)的機(jī)械制圖教學(xué)方法改革

1.圍繞數(shù)字化制造技術(shù)重新把握教學(xué)重難點(diǎn)

機(jī)械制圖課程傳統(tǒng)內(nèi)容結(jié)構(gòu)體系符合工程圖知識(shí)技能認(rèn)知和發(fā)展規(guī)律，但由于信息化技術(shù)，特別是數(shù)字化制造技術(shù)的廣泛應(yīng)用，其傳統(tǒng)意義上的部分教學(xué)重、難點(diǎn)已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前機(jī)械制圖課程培養(yǎng)目標(biāo)的需要，圍繞數(shù)字化制造技術(shù)條件下工程圖讀繪能力要求，重新確定教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)，才能在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)保證教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。如突出制圖標(biāo)準(zhǔn)、平面圖形分析、組合體和機(jī)件圖樣正確的讀繪思維方法和步驟、尺寸和技術(shù)要求標(biāo)注及其含義、圖樣表達(dá)方法的正確應(yīng)用、CAD軟件三維造型和二維視圖轉(zhuǎn)換及其標(biāo)注等。

2.CAD軟件應(yīng)用與工程圖讀繪教學(xué)有機(jī)結(jié)合

要緊跟數(shù)字化制造技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用步伐，工程圖讀繪能力的培養(yǎng)過程就必須貫穿CAD軟件技術(shù)應(yīng)用，利用多媒體等信息化教學(xué)手段，將工程圖讀繪能力培養(yǎng)與CAD軟件應(yīng)用緊密結(jié)合，兩者相輔相成，有利于培養(yǎng)學(xué)生基于數(shù)字化制造技術(shù)的工程圖讀繪意識(shí)和能力。

當(dāng)前機(jī)械制圖課程在職業(yè)院校通常開設(shè)兩個(gè)學(xué)期，其中包含集中講解或分散講解的計(jì)算機(jī)繪圖知識(shí)，隨后計(jì)算機(jī)繪圖（CAD）課程再開設(shè)一到兩個(gè)學(xué)期。由于兩門課的教師和教學(xué)時(shí)間不一致，教學(xué)內(nèi)容被割裂開來，即使計(jì)算機(jī)繪圖知識(shí)包含在機(jī)械制圖課程兩個(gè)學(xué)期中教學(xué)，其教學(xué)時(shí)間也會(huì)嚴(yán)重不足，難以達(dá)到基于數(shù)字化制造技術(shù)的工程圖讀繪能力培養(yǎng)要求。如將兩門課程融合在三到四個(gè)學(xué)期教學(xué)，作為重要技術(shù)基礎(chǔ)課的機(jī)械制圖課程總課時(shí)有所延長，也避免將計(jì)算機(jī)繪圖軟件僅當(dāng)成“畫圖”的工具，而忽視其作為工程圖讀繪重要手段和產(chǎn)品信息表達(dá)載體的本質(zhì)作用。

3.應(yīng)用信息化技術(shù)手段提高教學(xué)效果

隨著教育部《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》的出臺(tái)，信息化對(duì)教育的影響越來越廣泛，為教師的教學(xué)方式提供了更多的手段。靈活應(yīng)用多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等信息化教學(xué)手段，教學(xué)內(nèi)容可化抽象為具體，提高課堂教學(xué)直觀性，化解教學(xué)難點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；解決教師課堂板圖效率低的問題，方便教師“舉一反三”，提高課堂教學(xué)容量，學(xué)生則“見多識(shí)廣”；部分學(xué)生獨(dú)立完成課外練習(xí)有困難時(shí)，可以借助手機(jī)、計(jì)算機(jī)等工具獲得網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源庫中相關(guān)文件，輔助學(xué)生完成課后作業(yè)；采用CAD軟件教學(xué)，通過二維視圖設(shè)計(jì)三維模型的反復(fù)訓(xùn)練，可迅速提高學(xué)生讀圖能力，而借助三維模型生成二維視圖的功能，可突出機(jī)件表達(dá)方法選擇、尺寸和技術(shù)要求標(biāo)注等重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容，提高繪圖能力訓(xùn)練效率。

4.吸收企業(yè)生產(chǎn)和技能競賽圖樣作為教學(xué)素材

基于數(shù)字化制造技術(shù)的工程圖已經(jīng)在企業(yè)得到廣泛應(yīng)用，將企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中所應(yīng)用的二維工程圖、三維實(shí)體模型，以及基于CAM軟件的零件二維和三維模型數(shù)控加工刀路文件作為教學(xué)素材，讓學(xué)生了解基于數(shù)字化技術(shù)的工程圖在企業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用。職業(yè)教育開展技能競賽活動(dòng)，是我國教育工作的一次重大制度設(shè)計(jì)與創(chuàng)新，各類職業(yè)技能競賽成為引領(lǐng)和推動(dòng)職業(yè)學(xué)校加快課程改革、提升教學(xué)質(zhì)量、展示教學(xué)成果的重要平臺(tái)，其中加工制造類競賽項(xiàng)目多、范圍廣、影響大，產(chǎn)生了大量的實(shí)操競賽圖樣，由于賽件具有典型結(jié)構(gòu)的集成性、與生產(chǎn)實(shí)際的關(guān)聯(lián)性以及加工工藝復(fù)雜性等特征，實(shí)操項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和競賽過程廣泛采用數(shù)字化制造技術(shù)。例如，在國內(nèi)各級(jí)競賽和世界技能大賽（Worldskins）中，賽件的紙質(zhì)零件圖、裝配圖等二維圖樣都包含軸測圖，競賽過程也主要依賴于CAD/CAM軟件技術(shù)。在不涉及知識(shí)產(chǎn)權(quán)的前提下，可以將這些實(shí)操賽題引入到機(jī)械制圖課程教學(xué)中，來豐富教學(xué)素材，也能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

七、基于數(shù)字化制造技術(shù)的機(jī)械制圖教學(xué)改革實(shí)施效果

按照以上機(jī)械制圖課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法改革思路，對(duì)本校五年制數(shù)控加工專業(yè)和模具制造專業(yè)人才培養(yǎng)方案進(jìn)行修訂，并在13、14、15級(jí)班級(jí)中執(zhí)行調(diào)整后跨四個(gè)學(xué)期的機(jī)械制圖新課程標(biāo)準(zhǔn)，教學(xué)效果提升十分明顯。主要表現(xiàn)在：課后作業(yè)完成率和正確率明顯提高；學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性明顯增強(qiáng)；利用軟件技術(shù)輔助繪圖和讀圖能力和意識(shí)明顯增強(qiáng)；CAD軟件實(shí)際應(yīng)用能力顯著提升；培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)新知識(shí)、新技術(shù)的學(xué)習(xí)熱情和求知欲望。