面向智能制造技術(shù)的工程圖學(xué)教學(xué)改革與探索

樂天明 蔣敏

[摘 要]工程圖學(xué)是機(jī)械類專業(yè)舉足輕重的專業(yè)基礎(chǔ)課程。智能制造新知識、新技術(shù)的大量涌入使得工程圖學(xué)課程的內(nèi)涵在不斷變化充實。從創(chuàng)新教育和圖學(xué)教育的特點出發(fā)，工程圖學(xué)的教學(xué)有必要從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)效果評價體系等方面進(jìn)行教學(xué)改革和探索，以使本課程培養(yǎng)的目標(biāo)符合智能制造技術(shù)所需人才的要求。

[關(guān)鍵詞]智能制造；參數(shù)化設(shè)計；教學(xué)改革

[中圖分類號] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）05-0102-03

引言

工程圖學(xué)課程是工科類大學(xué)各專業(yè)必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，是工科類專業(yè)尤其機(jī)械專業(yè)大學(xué)生必須具備的一項專業(yè)基礎(chǔ)知識和技能。工程圖樣是工程項目、設(shè)備制造的技術(shù)文件，承載著制造、檢驗、使用、維護(hù)等工程信息，包含了工程師的結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝設(shè)計、使用規(guī)范和管理等內(nèi)容。工程圖學(xué)教育對大學(xué)生的產(chǎn)品設(shè)計構(gòu)形表達(dá)能力、產(chǎn)品制造工藝設(shè)計、計算機(jī)繪圖能力和美學(xué)思想及審美等能力的培養(yǎng)發(fā)揮著重要作用。隨著現(xiàn)代工業(yè)制造技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展，尤其是CAD（計算機(jī)輔助設(shè)計）參數(shù)化三維設(shè)計、CAE（計算機(jī)輔助分析）和CAM（計算機(jī)輔助制造）集成化數(shù)字智能設(shè)計制造技術(shù)的大量應(yīng)用，使工程技術(shù)人員可以在電腦顯示屏上從三維建模開始，到模擬產(chǎn)品構(gòu)形、分析、制造、裝配和試車，快速進(jìn)行產(chǎn)品構(gòu)思設(shè)計和制圖。工程圖學(xué)課程的教學(xué)若還采用老的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段，其培養(yǎng)的人才知識結(jié)構(gòu)將無法滿足社會用人單位的需求。所以如何培養(yǎng)符合現(xiàn)代智能制造企業(yè)需要的應(yīng)用型卓越工程技術(shù)人才，如何將工程圖學(xué)課程教學(xué)與智能制造技術(shù)相結(jié)合，通過工程制圖教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生讀圖畫圖能力的同時，了解并初步掌握計算機(jī)智能制造技術(shù)，已經(jīng)成為高校需要研究的問題。對課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)效果評價體系的改革已成必然[1]。

一、工程圖學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容的改革

目前工程圖學(xué)的教學(xué)內(nèi)容主要是按多面正投影的投影原理，按國家制圖標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的視圖表達(dá)手段，將立體按適合的表達(dá)方法畫多面正投影視圖和讀多面正投影視圖，同時介紹常用零件和標(biāo)準(zhǔn)件的視圖表達(dá)和標(biāo)注方法、讀畫零件圖和裝配圖等，內(nèi)容傳統(tǒng)。這種與工程實踐、智能制造技術(shù)缺乏聯(lián)系的課堂教學(xué)，較難激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)的主動性。

課程安排是教學(xué)實施的“骨架”，教學(xué)內(nèi)容是教學(xué)實施的“血肉”，二者的優(yōu)化和完善是有效開展教學(xué)工作的基礎(chǔ)保障。工程圖學(xué)在教學(xué)內(nèi)容方面必須除舊布新、去粗取精，要與時俱進(jìn)、充實新內(nèi)容。教師不僅要教會學(xué)生繪制和閱讀工程圖樣，而且要讓其對先進(jìn)計算機(jī)成圖技術(shù)和現(xiàn)代智能制造技術(shù)內(nèi)容有所了解，在教學(xué)中增加運用機(jī)械三維參數(shù)化設(shè)計軟件成圖的內(nèi)容，使課程內(nèi)容與現(xiàn)代智能制造接軌，以達(dá)到學(xué)以致用的目的。

（一）將應(yīng)用性思想融入教學(xué)

李克強(qiáng)總理在2015 年政府工作報告中指出，要引導(dǎo)地方本科院校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變。工程圖樣被稱為工程界的技術(shù)語言。工程圖學(xué)課程作為工科類專業(yè)大學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課，除了要讓學(xué)生掌握讀工程圖和畫工程圖，還必須在教學(xué)中融入應(yīng)用實例，面向工程，營造實踐氛圍，增強(qiáng)教師和學(xué)生的工程意識，更加注重緊跟時代步伐，面向前沿技術(shù)，實現(xiàn)課程教學(xué)與工程實踐變化的同步吻合?？梢詮哪骋粰C(jī)械設(shè)計案例講解入手，如下圖所示：

要展示工作原理，講解投影過程和制圖基礎(chǔ)、使用參數(shù)化CAD設(shè)計軟件生成三維構(gòu)形。使教學(xué)過程更貼近現(xiàn)代工程設(shè)計制造的實際情況，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)意識、工作意識和創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學(xué)生使用計算機(jī)參數(shù)化設(shè)計軟件的使用能力。使學(xué)生通過本課程學(xué)習(xí)，能應(yīng)用計算機(jī)三維參數(shù)化設(shè)計軟件進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計。

（二）學(xué)習(xí)使用參數(shù)化三維設(shè)計軟件的內(nèi)容融入工程圖學(xué)教學(xué)

在傳統(tǒng)的工程圖學(xué)教學(xué)內(nèi)容中，教師在課堂上首先要向?qū)W生展示機(jī)件的三維立體模型，然后介紹通過形體分析研究如何在平面圖紙上按投影原理畫該立體的多面正投影，將三維立體模型的內(nèi)外結(jié)構(gòu)用最合適的表達(dá)方法準(zhǔn)確地表達(dá)出來。在以前的工程設(shè)計、生產(chǎn)和檢驗中，人們都是靠工程圖紙即投影圖形來交流實施的，這樣教學(xué)內(nèi)容的安排是沒問題的。但現(xiàn)今進(jìn)入了計算機(jī)智能制造時代，二維工程圖在產(chǎn)品設(shè)計、制造、檢驗中的使用已經(jīng)不是最主要的了，部分高新技術(shù)企業(yè)使用了計算機(jī)參數(shù)化三維設(shè)計軟件（如Solidworks、NX、ProE等），已經(jīng)基本不需要工程圖樣來參與設(shè)計、制造和檢驗。即使需要用到工程圖來進(jìn)行技術(shù)溝通和交流，也可以很快地從計算機(jī)三維設(shè)計軟件中，通過三維模型來進(jìn)行。因此，在工程圖學(xué)教學(xué)中應(yīng)增加計算機(jī)參數(shù)化三維設(shè)計軟件的使用和學(xué)習(xí)，增加三維造型設(shè)計方法的內(nèi)容。

二、工程圖學(xué)教學(xué)方法改革

改革教學(xué)方法應(yīng)樹立以學(xué)生為本的教學(xué)觀念。工程制圖課程教學(xué)，除了使學(xué)生獲取工程圖樣的畫圖和讀圖的方法，培養(yǎng)其平面投影圖與空間三維立體聯(lián)系的思維轉(zhuǎn)換技能，更重要的是要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，為學(xué)生今后的專業(yè)學(xué)習(xí)、興趣愛好、職業(yè)規(guī)劃等打下良好和扎實的基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的制圖教學(xué)方法和手段主要用掛圖或PPT課件、立體木模、黑板畫或板書來進(jìn)行講解和畫圖演示，課程知識枯燥乏味、抽象難理解是學(xué)生在聽課學(xué)習(xí)中經(jīng)常反映的問題。有時教師對某一知識難點反復(fù)講解，由于學(xué)生還沒建立完善的立體構(gòu)思習(xí)慣和能力，還是有相當(dāng)一部分的學(xué)生不能理解，直到看到對應(yīng)的立體圖形才會恍然大悟。但是在黑板上畫立體的軸測圖，要花費太多的課堂教學(xué)時間，教學(xué)效率低下，無法在規(guī)定的課時內(nèi)完成教學(xué)進(jìn)度。所以根據(jù)學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，在當(dāng)前工程制圖教學(xué)課時不斷減少的情況下，我們大膽地在工程制圖教學(xué)中引入CAD參數(shù)化設(shè)計軟件，運用計算機(jī)、多媒體課件等先進(jìn)教學(xué)手段輔助教學(xué)，提高教學(xué)效果和效率。使用參數(shù)化三維設(shè)計軟件，能把點、線、面的投影過程，截交線與相貫線的形成過程、零件的剖切過程等通過建模特征樹進(jìn)行動態(tài)展示，并能通過三維實體造型技術(shù)、立體表面著色和不同觀察點的變換，在三維實體和二維平面投影之間，建立起形象直觀和抽象思維相結(jié)合的教學(xué)模式。

使用SolidWorks的eDrawings插件，可以使學(xué)生對組合體的構(gòu)成方式、對形體分析法和線面分析法的分析運用加深理解，從而有效地提高學(xué)生的形象思維能力和空間想象能力。例如當(dāng)學(xué)生在練習(xí)看工程圖樣遇到困難時，教師可以用參數(shù)化設(shè)計軟件建立的三維立體，把該圖的立體模型在電腦屏幕上進(jìn)行動態(tài)展示，幫助學(xué)生進(jìn)行對比閱讀理解。如下圖所示：

在講解復(fù)雜形狀零件形體分析時，我們先在備課時把該零件的立體模型用CAD參數(shù)化軟件設(shè)計好，在教學(xué)時運用參數(shù)化三維設(shè)計軟件強(qiáng)大的特征回放功能來演示，從不同的角度邊演示邊講解，使學(xué)生對畫圖和讀圖的形體分析法和線面分析法有更直觀的理解，使理論知識的教學(xué)過程由抽象、枯燥乏味、靜態(tài)不動轉(zhuǎn)為直觀、豐富有趣、形象生動，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與主動參與的積極性[2]。

三、工程圖學(xué)實踐教學(xué)的改革

（一）設(shè)立先進(jìn)成圖技能實訓(xùn)課程，培養(yǎng)智能制造行業(yè)所需人才

工程圖學(xué)是一門實踐性很強(qiáng)的課程，課程最后必須要有實踐課程，以前是安排兩周時間來進(jìn)行制圖測繪，主要訓(xùn)練學(xué)生手工零件測繪、草圖繪制、零件圖和裝配體繪制及計算機(jī)繪圖四個環(huán)節(jié)，加強(qiáng)和鞏固課堂理論知識向?qū)嶋H工作能力轉(zhuǎn)化。而隨著現(xiàn)代工業(yè)智能制造技術(shù)的不斷發(fā)展，光掌握上述訓(xùn)練內(nèi)容的能力，已無法滿足部分高新技術(shù)企業(yè)對應(yīng)用型專業(yè)人才知識結(jié)構(gòu)的需求，因而社會對工程圖學(xué)課程的實踐教學(xué)提出了新的要求。為了使工程圖學(xué)實踐教學(xué)適應(yīng)智能制造技術(shù)對人才的需求，使工程圖學(xué)教學(xué)與現(xiàn)代設(shè)計、制造緊密結(jié)合，我們設(shè)立了先進(jìn)成圖技能實訓(xùn)課程，強(qiáng)化課程各項知識點的綜合訓(xùn)練，形成從草圖繪制到計算機(jī)CAD參數(shù)化設(shè)計輸出的一體化訓(xùn)練方案。在兩周的時間內(nèi)，模擬實際設(shè)計工作步驟，每位學(xué)生按實訓(xùn)任務(wù)書給出的要求，完成某一零部件的測繪、草圖的繪制、視圖的表達(dá)、三維建模設(shè)計、裝配設(shè)計、工程圖、計算機(jī)圖形輸出這樣一個完整的實踐過程。通過實際訓(xùn)練使學(xué)生不僅具備傳統(tǒng)的畫圖讀圖能力，同時具備符合智能制造技術(shù)所需的使用計算機(jī)參數(shù)化設(shè)計軟件進(jìn)行設(shè)計工作的能力，讓學(xué)生將學(xué)到的知識在運用中轉(zhuǎn)化為能力[3]。

（二）實踐教學(xué)引入計算機(jī)參數(shù)化設(shè)計軟件訓(xùn)練

設(shè)立先進(jìn)成圖技能實訓(xùn)課程，引入計算機(jī)參數(shù)化設(shè)計軟件訓(xùn)練。我們在兩周的時間里，三分之一安排零件測繪、手工草圖，三分之一安排計算機(jī)繪圖，三分之一安排使用計算機(jī)參數(shù)化軟件做零件三維建模、三維裝配建模并出工程圖。這樣的訓(xùn)練既培養(yǎng)了學(xué)生把投影理論、機(jī)件的各種表達(dá)方法手段、標(biāo)準(zhǔn)件和常用件的選用和標(biāo)注、零件圖的技術(shù)要求理解和標(biāo)注、裝配圖的表達(dá)和畫法等內(nèi)容進(jìn)行綜合實踐運用，又培養(yǎng)了學(xué)生動手操作的能力、運用智能制造技術(shù)輔助設(shè)計的能力，還培養(yǎng)了其團(tuán)隊協(xié)作和認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作素養(yǎng)。下圖是學(xué)生用計算機(jī)參數(shù)化三維設(shè)計軟件做出的齒輪油泵零件和裝配體。

四、工程圖學(xué)課程考核內(nèi)容和方式的改革

長期以來，設(shè)置工程制圖課程的教學(xué)任務(wù)和目的，就是讓學(xué)生通過學(xué)習(xí)，掌握運用投影原理讀工程圖和畫工程圖的能力。考核方式采用閉卷筆試形式，這也是目前大部分高校工程制圖課程的考核內(nèi)容和方式。此種考核內(nèi)容和方式在過去能夠滿足社會對于該專業(yè)人才的需求，但對于當(dāng)前和不久的將來，工業(yè)智能制造技術(shù)的高速發(fā)展和用人單位對于具備高新技術(shù)能力的人才需求來說，其培養(yǎng)的專業(yè)人才知識結(jié)構(gòu)無法滿足高新技術(shù)企業(yè)的用人需求。因此，在工程圖學(xué)課程教學(xué)和實踐中，高校在重視考核學(xué)生的理論知識同時，更要注重學(xué)生實踐性教學(xué)考核，學(xué)生的能力（包括團(tuán)隊合作能力、動手能力、主動學(xué)習(xí)能力、語言交流表達(dá)能力、創(chuàng)造性思維能力和智能制造技術(shù)所需的使用計算機(jī)參數(shù)化設(shè)計軟件的能力）都是高新技術(shù)企業(yè)所需人才必備的條件?？己藘?nèi)容和方式單一，一方面容易造成評價成績的失真和錯判，使優(yōu)秀的學(xué)生被埋沒；另一方面會造成學(xué)生為應(yīng)付考試而學(xué)習(xí)，思維方式單一，抑制了學(xué)生的創(chuàng)新潛能，阻礙了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和掌握知識、訓(xùn)練能力的積極性。

在現(xiàn)代工程圖學(xué)教學(xué)中，工程圖學(xué)課程考核要考的不僅是書本知識，還有學(xué)生的能力。從某種意義上來說，學(xué)生的能力培育和考核有時比灌輸學(xué)生的書本知識更重要。因此應(yīng)把能力的培育放在首位，建立一個新的知識、能力相結(jié)合的課程考評指標(biāo)體系。在課程教學(xué)環(huán)節(jié)，可通過過程性考核評價（平時的考勤、課堂練習(xí)表現(xiàn)、教學(xué)互動、上機(jī)操作、課后作業(yè)）、結(jié)果性學(xué)習(xí)評價（階段性測驗）和綜合性實踐評價（期末綜合練習(xí)、實踐報告、計算機(jī)參數(shù)化輔助設(shè)計軟件的應(yīng)用操作、答辯）三方面來綜合考核學(xué)生學(xué)習(xí)的效果和具備的能力[4]。通過建立符合培養(yǎng)目標(biāo)要求的合理的考核評價體系，促使學(xué)生認(rèn)真上好每堂課；認(rèn)真負(fù)責(zé)，按時完成教學(xué)要求的作業(yè)；激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣。

五、結(jié)束語

計算機(jī)技術(shù)和制造技術(shù)的不斷發(fā)展，向產(chǎn)品、工藝和系統(tǒng)的設(shè)計人員和管理人員的知識結(jié)構(gòu)和能力提出了新的要求，傳統(tǒng)的設(shè)計和管理方法已經(jīng)不能有效地解決現(xiàn)代制造系統(tǒng)中所出現(xiàn)的新問題，這就促使我們利用各學(xué)科最新研究成果，通過集成傳統(tǒng)制造技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)與科學(xué)以及人工智能等技術(shù)，發(fā)展出新型的制造技術(shù)與系統(tǒng)，這便是智能制造技術(shù)（IMT）與智能制造系統(tǒng)（IMS）。工程圖學(xué)課程教學(xué)在當(dāng)前智能制造技術(shù)高速發(fā)展的形勢下迎來了改革和發(fā)展的機(jī)遇，工程圖學(xué)教學(xué)改革勢在必行。面向智能制造技術(shù)，結(jié)合高校培養(yǎng)應(yīng)用型卓越工程師的需求，本文從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實踐教學(xué)和課程考核幾方面，提出以計算機(jī)參數(shù)化三維設(shè)計軟件為主、面向工程實例的工程圖學(xué)教學(xué)改革和探索的一些設(shè)想，是深層次的教學(xué)改革。其能適應(yīng)當(dāng)前工程設(shè)計和智能制造技術(shù)發(fā)展變化的需要，對于培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力、圖形表達(dá)能力、機(jī)械設(shè)計能力和使用智能制造技術(shù)的能力更有效。隨著科技生產(chǎn)力、計算機(jī)智能制造技術(shù)的不斷提高，工程圖學(xué)的教學(xué)改革還需進(jìn)一步探討和深化，以培養(yǎng)出適應(yīng)未來工程實踐需要的應(yīng)用型一線卓越工程技術(shù)人員。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 張麗萍， 程耀東， 李興田， 等. 基于“卓越計劃”的工程圖學(xué)課程的改革與實踐[J]. 蘭州交通大學(xué)學(xué)報，2013（2）：162-164.

[2] 藍(lán)曉民， 王盛智. “工程制圖”課程多媒體教學(xué)方法探討[J]. 圖學(xué)學(xué)報， 2013（1）：120-121.

[3] 楊莉， 郝育新， 呂梅. 工程制圖測繪周教學(xué)改革效果分析[J]. 圖學(xué)學(xué)報， 2014（4）：603-606.

[4] 馮永軍. 工程圖學(xué)“全過程、全方位”綜合考核體系的改革與實踐[J]. 中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊， 2012（29）：30+32.

[責(zé)任編輯：劉鳳華]