基于NX的機(jī)械制圖及三維建模綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革研究

李芳　劉旭輝　葉衛(wèi)東

[摘 要]筆者針對(duì)目前機(jī)械專業(yè)本科生機(jī)械制圖及三維建模綜合實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)現(xiàn)狀，提出了基于NX的教學(xué)改革探索方案。方案以三維建模軟件NX為輔助，從項(xiàng)目化、案例化、分組化等多方面入手，采用將軟件與應(yīng)用相結(jié)合的教學(xué)方式，對(duì)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，為機(jī)械制圖的教學(xué)改革提供有益參考，為合格的創(chuàng)新型、應(yīng)用型工業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]機(jī)械制圖;三維建模;創(chuàng)新型

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2019）07-0098-03

2015年，國務(wù)院印發(fā)了《中國制造2025》文件，標(biāo)志著我國實(shí)施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略第一個(gè)十年的行動(dòng)綱領(lǐng)正式問世[1]。文件中指出：制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的主體，是立國之本、興國之器、強(qiáng)國之基。目前，與世界先進(jìn)水平相比，中國制造業(yè)仍然大而不強(qiáng)，在自主創(chuàng)新能力、信息化程度等方面差距明顯，轉(zhuǎn)型升級(jí)和跨越發(fā)展的任務(wù)緊迫而艱巨。因此，必須堅(jiān)持“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本”的基本方針，通過“三步走”實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國的戰(zhàn)略目標(biāo)。基于此，國務(wù)院提出了包括“高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人”“航空航天裝備”等十大領(lǐng)域，“制造業(yè)創(chuàng)新中心”“智能制造”“工業(yè)強(qiáng)基”等五大工程的建設(shè)方案和規(guī)劃。

作為制造業(yè)應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)的主要來源，應(yīng)用型高等院校對(duì)于國家創(chuàng)新體系建設(shè)中人才培養(yǎng)的重用地位和作用進(jìn)一步顯現(xiàn)，對(duì)人才培養(yǎng)的教育教學(xué)改革提出了更加緊迫的要求。尤其是作為機(jī)械專業(yè)本科教育的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程——機(jī)械制圖和三維建模綜合實(shí)訓(xùn)，成為創(chuàng)新性、應(yīng)用型專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)的基石，其教學(xué)改革方案的合理性、教學(xué)效果的有效性、教學(xué)與實(shí)踐結(jié)合的緊密性，直接影響甚至決定著整體機(jī)械專業(yè)教學(xué)改革的成敗、人才培養(yǎng)質(zhì)量的優(yōu)劣。

一、機(jī)械制圖教學(xué)現(xiàn)狀及教學(xué)改革的必要性

機(jī)械制圖是機(jī)械專業(yè)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程，主要培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力，使學(xué)生能夠閱讀和繪制滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求的機(jī)械工程圖樣，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開發(fā)、制造打下基礎(chǔ)，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備。由此可見，機(jī)械制圖課程學(xué)習(xí)效果的好壞直接影響后續(xù)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)以及工作。

傳統(tǒng)機(jī)械制圖教學(xué)一直以二維設(shè)計(jì)為主線，從點(diǎn)、線、面投影特性入手，依次引申出基本體，基本體的截切相貫線，簡單組合體，復(fù)雜組合體的三視圖投影，零件圖和裝配圖的繪制、技術(shù)要求等內(nèi)容。但是，眾所周知，這是一種非常抽象的教學(xué)方式，在圖紙繪制過程中，需要學(xué)生根據(jù)三維立體的內(nèi)外部形狀特征選用合適的表達(dá)方法，并將三維物體轉(zhuǎn)換為二維投影;反之，在讀圖過程中，則需要學(xué)生將二維投影圖通過逆向思維再次轉(zhuǎn)換為三維物體。這種逆向思維方式，對(duì)于學(xué)生的立體思維能力有非常高的要求，尤其是對(duì)于許多內(nèi)外部結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜的零件，由于存在若干條內(nèi)外相貫線需要表達(dá)，在圖紙中必須選用剖視圖、斷面圖等綜合表達(dá)方法，此時(shí)只用語言的描述很難做到既簡潔明了又形象清晰地解釋。按照傳統(tǒng)的教學(xué)模式，在教學(xué)過程中靠“嘴、粉筆、掛圖”來講授，雖然已經(jīng)使用大量的模型輔助教學(xué)，但畢竟實(shí)物模型體積大、重量重，在使用過程中還是存在不連續(xù)性、局限性和片面性，很難做到多種模型之間以及模型和視圖之間的相互靈活轉(zhuǎn)換，使學(xué)生很難從感性上升到理性[2]。

尤其對(duì)于機(jī)械專業(yè)的本科教育，零件圖和裝配圖等內(nèi)容的學(xué)習(xí)對(duì)于后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)至關(guān)重要，而這部分內(nèi)容的復(fù)雜性、抽象性更是比非機(jī)械類專業(yè)的制圖課程有了跳躍式的提高。表達(dá)方式的選擇錯(cuò)誤或不合理性直接影響到零件圖的尺寸標(biāo)注、技術(shù)要求等內(nèi)容的標(biāo)注，甚至?xí)绊懙搅慵庸み^程中工藝的選擇和工序卡的制作。對(duì)于裝配圖亦是如此，表達(dá)方法選擇錯(cuò)誤，則無法合理清晰地表達(dá)零件之間的裝配關(guān)系和機(jī)器部件的工作原理。傳統(tǒng)制圖與測繪實(shí)踐教學(xué)同樣采用的是二維設(shè)計(jì)平臺(tái)，僅僅用于設(shè)計(jì)工程圖，而無法滿足CAD/CAM/CAPP等課程的信息需求，使得學(xué)生對(duì)于設(shè)計(jì)與制造之間的三維→二維→三維的轉(zhuǎn)換過程難于理解，無法表達(dá)復(fù)雜曲面，造型、渲染、裝配和動(dòng)畫能力差。為此，課程的改革迫在眉睫，在課程的改革過程中應(yīng)強(qiáng)調(diào)課程之間的相關(guān)性，使學(xué)生能夠做到知識(shí)之間的融會(huì)貫通，從而培養(yǎng)創(chuàng)新性、應(yīng)用型的卓越工程師。

二、基于NX軟件的教學(xué)改革探索

（一）項(xiàng)目化教學(xué)模式

在工程教育認(rèn)證以及卓越工程師培養(yǎng)的背景下，如何對(duì)專業(yè)的人才培養(yǎng)體系進(jìn)行科學(xué)的頂層設(shè)計(jì)，這是各個(gè)高校共同面臨的難題[3]。而應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)面臨的最大問題是理論與實(shí)踐的脫鉤，教師的授課、學(xué)生的學(xué)習(xí)都僅僅是以某一門課的理論知識(shí)教學(xué)為主導(dǎo)，這一方面很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和提高教學(xué)質(zhì)量，另一方面也使得各門課程之間不具有連貫性和輔助性。而項(xiàng)目化教學(xué)能夠?yàn)閷W(xué)生營造身臨其境、感同身受的課堂情境，及時(shí)地將理論與實(shí)踐相結(jié)合，并同時(shí)將其他相關(guān)專業(yè)課程內(nèi)容融入機(jī)械制圖和三維建模綜合實(shí)訓(xùn)的教學(xué)實(shí)踐過程中，使得制圖課與機(jī)械專業(yè)課順利銜接。

在機(jī)械制圖及三維建模綜合實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)中，筆者通過與專業(yè)課程教師溝通交流，搜集整理了大量的項(xiàng)目案例，根據(jù)其難易程度分類，并選擇合適的時(shí)機(jī)將任務(wù)分配給學(xué)生，讓學(xué)生以完成任務(wù)的方式，帶有目標(biāo)性地主動(dòng)學(xué)習(xí)。以機(jī)械制圖中零件圖的表達(dá)為例，首先留給學(xué)生的任務(wù)并非僅是一個(gè)單獨(dú)的零件，而是一項(xiàng)簡單的裝配任務(wù)——低速滑輪裝置，如圖1所示。

該裝置的工作原理是當(dāng)傳動(dòng)帶成角度傳動(dòng)時(shí)，起引導(dǎo)傳動(dòng)帶的作用。它由六個(gè)簡單零件組成，其中包括托架、襯套、滑輪、心軸四個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)件，螺母和墊圈兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件。這四個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)件包括了軸類、輪盤類和支架類零件，通過對(duì)這幾個(gè)零件的介紹和講解，可以使學(xué)生初步了解零件的主要分類方法，以及不同種類的零件具有哪些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其加工方式有何不同;在工程圖紙中，不同種類的零件該如何選擇合適的視圖表達(dá)方法，該標(biāo)注哪些尺寸和技術(shù)要求等。

對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)件，通過利用三維建模軟件NX，可以實(shí)現(xiàn)三維空間模型和二維工程圖樣之間的靈活切換，也可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的剖切表達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)形象、清晰、簡潔的實(shí)踐教學(xué)模式。在零件圖這一章，首先選擇4號(hào)托架零件為例，如圖2所示，將該項(xiàng)目分配給學(xué)生，分組討論該零件的結(jié)構(gòu)組成以及建模方式。學(xué)生通過討論得出結(jié)論：該零件由不同投影面內(nèi)的形狀特征通過拉伸、旋轉(zhuǎn)等形成的基本體疊加而成，其建模方式不唯一。接下來統(tǒng)一歸納出托架的一種建模方式，在建模講解的過程中，介紹零件不同的表面具有不同的工藝技術(shù)要求，因此所需采用的加工方式也各有不同，包括鑄造、車削、磨削等。而機(jī)械加工部分工藝要求較高，其原因在于在裝配體中這些表面為工作面，需要與其他零件表面裝配接觸。通過這種方式，將零件建模與尺寸標(biāo)注、技術(shù)要求等內(nèi)容相結(jié)合，不僅提高了零件的三維展示效果，降低空間想象的難度，而且同步介紹零件圖所包含的各項(xiàng)內(nèi)容，使學(xué)生形成產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中綜合思考的思維方式。

另外，在NX軟件平臺(tái)上，可以輕松地從不同的角度展示托架的投影示意圖，如圖3所示。通過圖像展示、透明設(shè)置、形體分體判斷出該零件屬于叉架類零件，這類零件加工位置不唯一而工作位置唯一，因此可以很清楚地判斷出該零件的工程圖應(yīng)選擇其工作位置作為主視圖投影方向;同時(shí)，應(yīng)考慮零件的結(jié)構(gòu)特征，因?yàn)橛袃?nèi)部孔需要表達(dá)深度尺寸，因此主視圖選擇孔水平放置，且主視圖采用全剖表達(dá)方法以表明裝配孔的深度;另外，為了表達(dá)支撐部分的形狀特征，需要增加零件左視圖。

另外，NX系統(tǒng)中開發(fā)了常用件和標(biāo)準(zhǔn)件建模的快速方式，通過建模生成符號(hào)螺紋和詳細(xì)螺紋。由于NX軟件中符號(hào)螺紋生成工程圖完全符合國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)螺紋又具有形象直觀的特點(diǎn)，因此可以從工程圖和三維模型兩個(gè)方面對(duì)上一章節(jié)的螺紋表達(dá)知識(shí)進(jìn)行鞏固和提高。

由此可見，通過任務(wù)分配、項(xiàng)目化教學(xué)、三維建模展示，將螺紋緊固件的表達(dá)、非標(biāo)準(zhǔn)件的零件主視圖表達(dá)方案、產(chǎn)品技術(shù)工藝要求等內(nèi)容融合在一起進(jìn)行介紹和講解，大大降低了傳統(tǒng)課件教學(xué)的抽象性，提高了教學(xué)的靈活性，并激發(fā)了學(xué)生思考和學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，做到專業(yè)基礎(chǔ)課與專業(yè)課的融會(huì)貫通，這對(duì)于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及順利銜接后續(xù)課程很有幫助。

（二）分組化教學(xué)模式

實(shí)踐能力是應(yīng)用型技術(shù)人才必須具備的一項(xiàng)基本技能，盡管在以往的教學(xué)中增加了相應(yīng)的實(shí)踐課程、實(shí)踐學(xué)分，但是因?yàn)槿狈τ行У囊龑?dǎo)，沒有足夠的案例和模型，學(xué)生之間存在大量的相互抄襲模仿作業(yè)和練習(xí)現(xiàn)象，使得實(shí)踐能力的培養(yǎng)遇到瓶頸問題。尤其是在機(jī)械制圖的教學(xué)過程中，裝配圖是學(xué)生難以理解的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，很多裝配零件很多學(xué)生都沒有接觸過，不知道它們的存在形式[4]。尤其對(duì)于較復(fù)雜的裝配體，其零件圖和裝配圖的繪制工作量非常大，每個(gè)學(xué)生單獨(dú)完成所有工作會(huì)非常辛苦，且使學(xué)生感到枯燥乏味，沒有學(xué)習(xí)的動(dòng)力和主動(dòng)性。而NX軟件具有強(qiáng)大的建模、裝配、制圖、仿真等模塊功能，使得分組討論練習(xí)與合作完成設(shè)計(jì)任務(wù)成為現(xiàn)實(shí)。

在機(jī)械制圖及三維建模綜合實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)中，筆者從專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)出發(fā)，結(jié)合后續(xù)課程內(nèi)容引入大量的裝配、仿真課題，綜合考慮每一位學(xué)生的特長和優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行分組和任務(wù)分配。每組學(xué)生必須完成的任務(wù)包括：裝配體工作原理的解讀、零件的建模、裝配體的裝配模型和爆炸圖、運(yùn)動(dòng)仿真以及裝配拆卸動(dòng)畫、設(shè)計(jì)說明報(bào)告等。在此過程中，教師的作用在于引導(dǎo)學(xué)生與學(xué)生之間互相研討、互相協(xié)作，幫助學(xué)生營造一個(gè)互助有利的健康學(xué)習(xí)環(huán)境;同學(xué)之間經(jīng)過討論、小組任務(wù)分配、協(xié)同合作等共同完成課題，這不僅有助于學(xué)生開拓性思維的形成與發(fā)展，更能促進(jìn)學(xué)生理解知識(shí)的應(yīng)用。

以平口鉗為例，如圖4所示，每組共有五位同學(xué)，根據(jù)平口鉗的復(fù)雜程度，將任務(wù)分解為：工作原理解讀、標(biāo)準(zhǔn)件建模、非標(biāo)準(zhǔn)件建模、平口鉗裝配、裝配拆卸動(dòng)畫、零件和裝配體的工程圖、設(shè)計(jì)報(bào)告與演講等幾項(xiàng)內(nèi)容。依照每項(xiàng)任務(wù)的特點(diǎn)，部分任務(wù)學(xué)生集思廣益共同完成，如工作原理解讀、裝配體的裝配、設(shè)計(jì)報(bào)告與演講等;部分任務(wù)單獨(dú)完成，如零件的建模、工程圖繪制等。

對(duì)于平口鉗而言，滾動(dòng)絲杠和活動(dòng)鉗身之間的裝配部分是實(shí)現(xiàn)平口鉗轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槠絼?dòng)這一工作原理的重要組成部分，其建模過程中涉及螺旋線、掃掠等命令，裝配過程中涉及非標(biāo)準(zhǔn)矩形螺紋的嚙合約束問題，這些內(nèi)容均是學(xué)生必須掌握又具有一定難度的知識(shí)點(diǎn)，因此各小組決定將滾動(dòng)絲杠、套螺母和活動(dòng)鉗身的建模、絲杠和套螺母的非標(biāo)準(zhǔn)螺紋裝配作為每位同學(xué)都要完成的任務(wù)。在完成任務(wù)的過程中，小組成員之間通過交流、溝通、討論，使得基礎(chǔ)比較薄弱的同學(xué)在其他同學(xué)的帶動(dòng)和輔導(dǎo)下，快速提高機(jī)械制圖和三維建模綜合實(shí)訓(xùn)課程的成績。而標(biāo)準(zhǔn)件建模、次要零件裝配、報(bào)告PPT制作等內(nèi)容，則通過頭腦風(fēng)暴后的集思廣益，由一位同學(xué)主導(dǎo)完成。

通過類似的小組化教學(xué)，避免了機(jī)械制圖理論知識(shí)和工程實(shí)踐的脫節(jié)，同時(shí)加強(qiáng)了學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)和理論學(xué)習(xí)的積極性[5]，又做到了學(xué)生之間的取長補(bǔ)短，更鍛煉了團(tuán)結(jié)協(xié)作的實(shí)踐工作能力。

三、結(jié)束語

在工程教育認(rèn)證以及卓越工程師培養(yǎng)的背景下，針對(duì)機(jī)械制圖這門課比較抽象、單調(diào)、語言不易描述等特點(diǎn)，通過二維和三維的結(jié)合運(yùn)用，利用三維建模軟件NX將機(jī)械制圖理論知識(shí)點(diǎn)融合到三維建模和裝配的過程中，一方面可以大大降低教師準(zhǔn)備實(shí)物模型的時(shí)間，減少教師的工作量，另一方面可以改善學(xué)生的立體思維能力，大大提高學(xué)生的讀圖繪圖能力。由于NX軟件在建模、裝配、仿真等模塊的完善性，使得教學(xué)過程具有很大的靈活性、連貫性，并能在很大程度上提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、理解能力和學(xué)習(xí)主動(dòng)性。通過運(yùn)用項(xiàng)目化、分組化的教學(xué)模式，避免了理論知識(shí)和工程實(shí)踐的脫節(jié)，避免了專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間的脫鉤，使學(xué)生之間團(tuán)結(jié)協(xié)作，取長補(bǔ)短，增強(qiáng)了學(xué)生的合作意識(shí)，為后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程的教學(xué)改革提供支持，為培養(yǎng)合格的創(chuàng)新性、實(shí)踐性專業(yè)技術(shù)人才體系的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 王瑞紅.工科應(yīng)用型人才實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的研究[J].價(jià)值工程，2017（21）： 195-196.

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[3] 曾壽金，江吉彬，黃衛(wèi)東，等.工程認(rèn)證背景下應(yīng)用技術(shù)大學(xué)機(jī)械專業(yè)人才培養(yǎng)體系構(gòu)建[J].教育教學(xué)論壇，2018 （12）： 86-88.

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[5] 李小斌，吳宏岐，李銀興.應(yīng)用型人才校企合作產(chǎn)學(xué)研結(jié)合培養(yǎng)模式研究[J].大學(xué)教育，2017（6）：116-117+120.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]