基于三維造型技術(shù)的機(jī)械制圖課程改革研究

章慧成 李玉軍 孫濤

摘要：《機(jī)械制圖》是理工科大學(xué)機(jī)械類及近機(jī)類專業(yè)的通識(shí)必修課程，主要培養(yǎng)學(xué)生的識(shí)圖和繪圖能力。隨著“3D打印”等新型制造技術(shù)的興起及發(fā)展，傳統(tǒng)教學(xué)模式下簡(jiǎn)單的二維工程圖樣已不能滿足智能制造時(shí)代的需求。為適應(yīng)智能制造技術(shù)的發(fā)展，強(qiáng)化學(xué)生制圖技能，針對(duì)現(xiàn)行機(jī)械制圖教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法的課程改革勢(shì)在必行。

關(guān)鍵詞：工程圖樣;智能制造;課程改革

0 ?引言

機(jī)械圖樣作為一種“工程語(yǔ)言”不僅是設(shè)計(jì)人員進(jìn)行創(chuàng)意交流的工具，也是設(shè)計(jì)者和制造者進(jìn)行溝通的橋梁，在機(jī)械制造過(guò)程中具有舉足輕重的地位[1]。目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)院校培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械制圖能力的實(shí)現(xiàn)途徑依舊由畫(huà)法幾何、機(jī)械制圖及CAD平面造型三個(gè)模塊簡(jiǎn)單疊加而成，且仍停留在以學(xué)習(xí)二維圖樣識(shí)讀為主的階段，這在一定程度上割裂了制圖能力和設(shè)計(jì)應(yīng)用能力的融合培養(yǎng)。在計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代制造技術(shù)蓬勃發(fā)展的大背景下，如何在機(jī)械制圖教學(xué)中合理融合二維設(shè)計(jì)與三維實(shí)體造型的內(nèi)容和思想，使學(xué)生更快、更好地適應(yīng)機(jī)械制圖學(xué)習(xí)，滿足現(xiàn)代企業(yè)對(duì)人才的設(shè)計(jì)造型能力需求，成為機(jī)械制圖課堂教學(xué)亟待解決的問(wèn)題。

1 ?機(jī)械制圖課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

1.1 教學(xué)內(nèi)容過(guò)于陳舊

教材是課程內(nèi)容的主要載體，教材內(nèi)容設(shè)計(jì)是否合理直接影響課堂教學(xué)效果，現(xiàn)行制圖教材主要由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、投影原理、畫(huà)法幾何及機(jī)械制圖四大模塊組成。在課時(shí)分配層面，諸如投影原理和畫(huà)法幾何等理論性知識(shí)的講解篇幅占比過(guò)大，在實(shí)際課堂教學(xué)中往往課時(shí)量不夠，而針對(duì)零件圖等內(nèi)容的設(shè)置較少，學(xué)生沒(méi)有足夠時(shí)間進(jìn)行零件的識(shí)圖繪圖訓(xùn)練。在內(nèi)容設(shè)計(jì)層面，教材所選用的圖例較為陳舊，未能采用機(jī)床、機(jī)器人等現(xiàn)代企業(yè)中的常見(jiàn)實(shí)例，且90%以上的圖例均為平面圖，未能引入三維模型進(jìn)行對(duì)比分析。而在航空航天、汽車制造等制造領(lǐng)域已有三維圖樣取代二維圖樣的趨勢(shì)，因此，制圖教材的更新及調(diào)整刻不容緩。

1.2 教學(xué)方式過(guò)于單一

機(jī)械制圖是一門(mén)基于投影原理和繪圖國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)簡(jiǎn)單構(gòu)型和繪圖訓(xùn)練，逐步實(shí)現(xiàn)識(shí)讀繪制機(jī)械圖樣目標(biāo)的一門(mén)課程。目前教師的講解，主要依賴于尺規(guī)作圖、課件PPT圖片和教學(xué)模型等工具進(jìn)行講解，但圖片并不能動(dòng)態(tài)表達(dá)形體的投影特征，不能將形體的各個(gè)角度進(jìn)行全方位展示，學(xué)生主要依靠“發(fā)揮想象”來(lái)學(xué)習(xí)該課程，在學(xué)習(xí)過(guò)程中易產(chǎn)生厭學(xué)情緒。

1.3 考核方式較為刻板

機(jī)械制圖是一門(mén)“理論+實(shí)踐”的理實(shí)一體化課程，該課程雖然需要掌握國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的圖樣畫(huà)法以及基本的投影原理等理論知識(shí)，但其最終目標(biāo)是學(xué)生要能正確的識(shí)讀和繪制圖樣。因此，采取閉卷考試的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)效果的考核方式有待進(jìn)一步優(yōu)化和完善。

2 ?三維造型在課堂教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 在組合體教學(xué)中的應(yīng)用

組合體是點(diǎn)、線、面及基本立體投影的擴(kuò)展和延伸，是機(jī)械制圖中有一定難度的知識(shí)模塊，在以往課堂教學(xué)中主要運(yùn)用平面線框分析為主的線面分析等方法進(jìn)行講解，學(xué)生理解有一定的難度?；诖耍诮M合體教學(xué)中，通過(guò)UG軟件“疊加”、“切割”等命令搭建不同組合方式的組合體，一方面可讓學(xué)生更為直觀的理解組合體的常見(jiàn)組合方式，另一方面可以從宏觀角度培養(yǎng)學(xué)生的空間構(gòu)型能力。

2.2 在剖視圖中的應(yīng)用

剖視圖作為機(jī)械零件較為重要的表達(dá)方式之一，在零件內(nèi)部具有較多孔、溝、槽、臺(tái)階以及其他較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)時(shí)可用剖視圖進(jìn)行展示。對(duì)于剖視圖中難以表達(dá)的幾何形體，在課堂教學(xué)中可在UG環(huán)境下，利用其“剖切”功能進(jìn)行演示，以進(jìn)一步觀察機(jī)械零件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，借助三維造型技術(shù)可進(jìn)行多角度分析和觀察，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)剖視圖的理解和掌握。

2.3 在裝配圖中的應(yīng)用

裝配圖是各個(gè)機(jī)械零部件進(jìn)行有序組合的一個(gè)綜合圖樣，學(xué)生在裝配圖學(xué)習(xí)中往往對(duì)零件之間的裝配關(guān)系較為困惑?；诖耍蓪⒘慵S建模后組裝成三維實(shí)體，利用UG對(duì)裝配圖進(jìn)行“爆破”處理，使學(xué)生對(duì)各個(gè)零件的裝配關(guān)系具有更為直觀的認(rèn)識(shí)，以此來(lái)指導(dǎo)二維工程圖樣的繪制。

3 ?應(yīng)用成效分析

3.1 教師層面

在傳統(tǒng)機(jī)械制圖的課堂教學(xué)中，教師主要以尺規(guī)作圖、展示教學(xué)掛圖和實(shí)體模型等方式進(jìn)行理論講解，以輔助學(xué)生提高形體識(shí)別能力[2]。但近些年來(lái)，隨著大學(xué)課程體系重構(gòu)，機(jī)械制圖課堂教學(xué)課時(shí)較之于前壓縮近三分之一，較少的教學(xué)課時(shí)與提高學(xué)生制圖能力需求之間的矛盾日漸突出。若沿用傳統(tǒng)教學(xué)手段，將會(huì)擠占大量課堂時(shí)間，縮短學(xué)生在課堂中的有效學(xué)習(xí)時(shí)間，進(jìn)而拖累教學(xué)進(jìn)度。三維造型以其高仿真性、高靈活性及易操作性等突出優(yōu)點(diǎn)取代非必要性尺規(guī)作圖后，大大提高了教師的授課效率，從根本上保證了教學(xué)任務(wù)的順利完成。

3.2 學(xué)生層面

學(xué)生在以往的制圖課程學(xué)習(xí)中，繪圖能力及空間思維能力的培養(yǎng)主要依托于教師的語(yǔ)言性講解，鮮有較為直觀的構(gòu)型展示及訓(xùn)練。一方面，三維造型技術(shù)的引入，改變了課堂內(nèi)容冗長(zhǎng)乏味的現(xiàn)狀，增加實(shí)物動(dòng)態(tài)投影的可視性加深了學(xué)生對(duì)投影原理及空間形體表達(dá)的直觀認(rèn)識(shí)與理解，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的趣味性和有效性[3]。另一方面，三維造型技術(shù)更貼合“智能制造”的實(shí)際工程需求，學(xué)生可通過(guò)制圖課程中三維造型技術(shù)的引入，逐漸接觸和了解3D打印等新型制造技術(shù)，增強(qiáng)其后續(xù)發(fā)展的競(jìng)爭(zhēng)力。

4 ?總結(jié)與展望

隨著綠色制造、智能制造等新型制造方式的出現(xiàn)，三維造型技術(shù)在企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的地位日趨重要，與之相適應(yīng)的機(jī)械制圖課程教學(xué)改革業(yè)勢(shì)在必行。基于三維造型技術(shù)的課堂教學(xué)改革，以投影原理和畫(huà)法幾何為基礎(chǔ)，依托三維造型技術(shù)為教學(xué)手段，構(gòu)建了一種機(jī)械制圖新型課堂教學(xué)模式，滿足了提升學(xué)生空間思維能力及培養(yǎng)其構(gòu)型設(shè)計(jì)能力的需求，對(duì)培養(yǎng)和引導(dǎo)學(xué)生參與“中國(guó)制造2025”宏偉戰(zhàn)略具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：2019年度甘肅省教育廳高等學(xué)校創(chuàng)新能力提升項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2019A-250）。

作者簡(jiǎn)介：章慧成（1991-），男，甘肅酒泉人，講師，研究生，工學(xué)碩士，主要從事數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造等方面的教學(xué)研究工作。