基于智能制造的高職“機械制圖”課程改革的思考與實踐

郭南初

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

1 現(xiàn)狀與需求

投影法是機械制圖用來表述設(shè)計思想的一種方式，由于這一思維過程過于抽象，因此，學(xué)生在理解和學(xué)習(xí)上有很大的困難。制造企業(yè)要提高產(chǎn)品的市場競爭能力，必須以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動力，以最短的產(chǎn)品開發(fā)時間為目標(biāo)，這就要求傳統(tǒng)機械制圖課程采用先進成圖技術(shù)。

Autodesk Inventor是一款優(yōu)秀的三維可視化實體模擬軟件，它通過簡化復(fù)雜三維模型的構(gòu)建而極大地縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。數(shù)字樣機的創(chuàng)建并仿真運行，能有效驗證產(chǎn)品的功能，并據(jù)此發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的問題。越來越多的企業(yè)正在使用這個工具，進行產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)。無論是從認(rèn)識論出發(fā)還是從實踐論出發(fā)，在計算機三維實體模型中去感知三維實體，通過組合體構(gòu)型方法，逐步形成零件的三維模型，能有效培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力和創(chuàng)新能力，以此突破“機械制圖”課程學(xué)習(xí)的瓶頸。

2 條件與機遇

智能制造的三大主題之一就是“智能生產(chǎn)”[1]，而要實現(xiàn)智能生產(chǎn)，其首要任務(wù)就是設(shè)計過程智能化，即利用現(xiàn)代設(shè)計軟件進行產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計。傳統(tǒng)CAD是解決工程問題的一種簡化方法，智能CAD實質(zhì)就是在計算機處理過程中考慮各種復(fù)雜的工藝問題，力圖在一種擬實環(huán)境下用計算機處理原來人工都難以解決的問題。

由中國職業(yè)教育技術(shù)協(xié)會與歐特克公司發(fā)起的Inventor三維機械設(shè)計軟件的贈送活動，給機械制圖課程改革帶來了契機，Inventor尤其適合機械產(chǎn)品建模和機械零部件工程圖的快速生成。

3 實踐與思考

“機械制圖”課程主要任務(wù)是產(chǎn)品零部件建模和工程圖生成，包含的信息主要有結(jié)構(gòu)形狀特征、尺寸和幾何精度特征、材料特征、裝配特征等。結(jié)構(gòu)形狀特征表述零件的形狀結(jié)構(gòu)和大??；尺寸和幾何精度特征表述的是零件中包含的尺寸公差、表面粗糙度和幾何公差等非結(jié)構(gòu)信息；材料特征要求學(xué)生會根據(jù)需要選用相應(yīng)的材料；裝配特征包含裝配體中各零件的相對位置關(guān)系、裝配關(guān)系等。零件建模要利用參數(shù)化并從設(shè)計的角度進行特征造型，這既是設(shè)計的需要，也便于學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)錯誤后進行修改，還便于快速形成多個設(shè)計方案進行比較，尤其是在工程圖確定視圖表達(dá)方案時特別方便快捷，給教與學(xué)帶來了極大的便利。

課程改革后，將以產(chǎn)品為主線來進行“機械制圖”課程的教學(xué)。以產(chǎn)品(機器部件)為主線的課程體系不再孤立地講授制圖知識，而是通過產(chǎn)品的零件或部件，將機械制圖的知識和技能與機械關(guān)聯(lián)知識有機融合，培養(yǎng)學(xué)生注重學(xué)科間的關(guān)聯(lián)意識，強調(diào)機械制圖國家標(biāo)準(zhǔn)的貫徹執(zhí)行，重視將學(xué)生的設(shè)計思想表現(xiàn)為工程制圖的能力。課程改革后，以課堂為中心的教學(xué)模式向以“運用、探索、創(chuàng)新”為中心的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變—跟蹤前沿技術(shù)，培養(yǎng)企業(yè)用得上的人才。

文獻[2]在分析了中日機械制圖教材后指出，國內(nèi)課程體系以反映學(xué)科體系的邏輯性、知識系統(tǒng)的系統(tǒng)性為基調(diào)，課程基本知識、基本概念的內(nèi)容偏多，企業(yè)需求的實際應(yīng)用性的內(nèi)容不足，缺乏將機械設(shè)計與機械制圖有機融合的內(nèi)容，機械加工的知識與技能的介紹也不多。最近出版的制圖教材有以項目為主線進行編排的，也有依據(jù)傳統(tǒng)思路進行改編的，但在課程體系上都很少有大的改變。針對上述原因，基于多年的探索與實踐，將“機械制圖”課程的相關(guān)內(nèi)容做一調(diào)整和改革[3-4]。

1) 課程培養(yǎng)目標(biāo)：識讀和繪制零件圖與裝配圖。

2) 課程體系：由3個項目組成，每個項目可能包含5～15個任務(wù)。

3) 實現(xiàn)途徑：技能訓(xùn)練(多個任務(wù))和綜合實訓(xùn)(多個項目)。

4) 技能訓(xùn)練：測繪工具的使用與簡單零件的測繪、手工繪圖和簡單零件的計算機三維模型形成及由此生成工程圖。

5) 綜合實訓(xùn)：產(chǎn)品(部件或機器)的全套工程圖，鼓勵學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計。

6) 課程協(xié)助：計算機繪圖助教團隊(由教師和學(xué)生組成)；在線開放課程。

7) 機械制圖課程的職業(yè)定義是：使用繪圖儀器、設(shè)備(計算機和打印機)，根據(jù)工程或產(chǎn)品的設(shè)計方案、草圖和技術(shù)性說明，繪制其零件圖、裝配圖及其他技術(shù)圖樣[2]。

筆者通過四年多的實踐與探索，優(yōu)化后的課程體系如表1所示。整個課程以常見的軸承拆卸器為項目載體來實施教學(xué)。學(xué)生利用三維造型軟件(蘇州市職業(yè)大學(xué)使用的是歐特克公司的Inventor軟件)進行積木的搭建(即三維建模)，積木搭建完成后再進行必要的機械制造處理，如鉆空、形成螺紋、銷孔及鍵槽的生成以及其他機械結(jié)構(gòu)的加工處理，當(dāng)然這一切都是按尺寸完成的(也可以再修改)，完成的尺寸帶有尺寸公差，也就是說完成的三維模型是有尺寸公差要求的。

表1 課程內(nèi)容、課時分配與說明

學(xué)生在完成前五章的學(xué)習(xí)后即可順利完成中等復(fù)雜程度的零件建模，如圖1所示。這是學(xué)生完成的軸承拆卸器橫梁三維模型。待學(xué)生完成第六章后，學(xué)生就可以根據(jù)前六章所學(xué)的內(nèi)容輕松完成該零件的工程圖，如圖2所示。而且這些表達(dá)方案可隨時和教師溝通，修改能即刻完成，這正是零件圖視圖表達(dá)的重點和難點，也是零件視圖表達(dá)的精髓之一。

圖1 橫梁三維模型

圖2 橫梁工程圖

4 檢驗與成效

課程按現(xiàn)有的內(nèi)容和順序進行教學(xué)，借助在線開放課程，可以很好地實現(xiàn)因材施教。課堂上教師只講授最基本的東西，項目任務(wù)則是在教師的輔導(dǎo)下由學(xué)生自己完成，項目按難易程度分為五級(初級、中級、高級、拓展級、提高級)，前面兩個級別是每個學(xué)生都必須完成的，后面三個級別則可以由學(xué)生選擇完成。因此在課堂上，每個學(xué)生的學(xué)習(xí)進度是不同的，教師可以因人而異和因材施教。水平不同的學(xué)生可以學(xué)得快點或慢點，因為可以隨時網(wǎng)上咨詢，教師可以隨時提供技術(shù)咨詢，水平不同的學(xué)生有不同的課程進度。這樣的教學(xué)方法有點類似于駕照的學(xué)習(xí)，考核方式也按類似駕照考試項目過關(guān)的方式進行。

初級、中級項目按傳統(tǒng)的教學(xué)模式實施，其余項目則要求學(xué)生按工作任務(wù)來實施。

改革成效分析：參加考試人數(shù)44人，2個改革班每班抽取8人，使用Inventor繪圖；6個常規(guī)班每班抽取4人，使用Autocad繪圖；外加4位來自常規(guī)班手工繪圖的學(xué)生。比較考試共進行了兩次，兩次比較考試試題如下：

1) 學(xué)生可以選擇各種繪圖方法完成閥體的工程圖；時間90 min，手工繪圖使用A3紙。

2) 根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)形狀，選擇表達(dá)方案，畫出閥體工程圖。制圖要求為：①加工的表面粗糙度3.2～ 6.3 μm，其余表面鑄造直接獲得。②材料：HT200。③名稱：閥體。④未注鑄造圓角R2-R3。⑤倒角C1。

圖3 考試題1

圖4 考試題2

表2 第一次成績與用時統(tǒng)計結(jié)果

表3 第二次成績與用時統(tǒng)計結(jié)果

考試成績統(tǒng)計結(jié)果如表2、表3所示。

由表2、表3可以看出，通過教學(xué)方法和手段的改革后，教學(xué)效果明顯優(yōu)于常規(guī)教學(xué)效果。

此外，學(xué)生在表達(dá)設(shè)計思想的能力、創(chuàng)新能力方面成效顯著。在一年級的課程學(xué)習(xí)期間，改革班級每年都有不少于四項實用新型專利申報，其中有兩項專利還成功授權(quán)發(fā)明專利。

從企業(yè)調(diào)研顯示，通過“機械制圖”課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生畢業(yè)后可以勝任以下工作：能進行機械產(chǎn)品零部件的設(shè)計、分析、制圖；能對機械產(chǎn)品的設(shè)計圖紙進行解釋及提供技術(shù)指導(dǎo)；能按照現(xiàn)有的技術(shù)規(guī)范完成機械產(chǎn)品的圖紙標(biāo)準(zhǔn)化等工作。眾所周知，學(xué)生要順利將自己的設(shè)計思想表達(dá)出來就必須熟練掌握和使用機械制圖的知識和技能，若按現(xiàn)有“機械制圖”課程體系進行教學(xué)，不論采用項目教學(xué)還是任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)形式，學(xué)生完成課程的學(xué)習(xí)后都很難將自己的設(shè)計思想表達(dá)出來。在機械制圖課程的教學(xué)改革中，通過引入現(xiàn)代成圖技術(shù)，不僅學(xué)生學(xué)習(xí)的痛苦指數(shù)明顯下降，學(xué)習(xí)熱情顯著提高，而且還能很好地將自己的設(shè)計思想表達(dá)出來。

參考文獻：

[1]森德勒 烏爾里希.工業(yè)4.0[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014：2-18.

[2]舒 宏，胡清泥，高 菲.中日機械制圖教材的比較及對教學(xué)改革的啟示[J].工程圖學(xué)學(xué)報，2010(4)：166-171.

[3]胡宜鳴，孟淑華，王丹虹.機械制圖課程內(nèi)容、體系改革的研究與實踐[J].工程圖學(xué)學(xué)報，2003(1)：123-127.

[4]張 瑩，周勝飛，婁玉印.淺談《機械制圖》與計算機二維、三維繪圖“三位一體化”教學(xué)改革[J].輕工科技，2015(4)：177-178.