理實結(jié)合的機械制圖教學改革與實踐

朱文博, 紀海慧, 李海淵

(上海理工大學 機械工程學院, 上海 200093)

“工程制圖”課程主要研究圖樣畫法的基本原理、方法以及相關國家標準,培養(yǎng)學生繪制和閱讀工程圖樣的基本素質(zhì),提高學生的空間想象力、空間思維能力和創(chuàng)新能力[1]?！皺C械制圖”是工程制圖的核心內(nèi)容之一,主要講解標準件和常用件、零件圖、裝配圖的繪制,它是高等院校機械類專業(yè)大一本科生的基礎課和必修課,其教學效果的好壞直接影響學生后續(xù)課程的學習。然而這三部分內(nèi)容對于剛進大學的大一學生來說非常陌生且難度較大,再加上目前機械制圖的教學仍側(cè)重于書本理論,缺乏工程設計能力的系統(tǒng)培養(yǎng),導致學生很難掌握機械零部件的表達和繪制,這點在學生畢業(yè)設計及畢業(yè)后的工作中尤為突出[2-3]。因此,需要在機械制圖教學中將理論和實際相結(jié)合,適當增加制圖知識與實際生產(chǎn)應用相結(jié)合的環(huán)節(jié),從而讓學生更加高效地掌握零部件的識圖繪圖方法。

一、教學難點與改革目標

(一)教學難點

1.學生對零部件工藝結(jié)構理解難度大

大一新生對機械零部件的認識幾乎是空白,沒有任何機械專業(yè)知識,對于機械加工幾乎一無所知,絕大部分學生不知道鑄造、車、銑等加工方法,不知道倒角、螺紋退刀槽、砂輪越程槽這些工藝結(jié)構的具體含義,所以學生在畫圖時,死記硬背這些結(jié)構的畫法,出錯率很高。如果僅是采用傳統(tǒng)的按部就班的課堂板書加多媒體課件講授,學生難以提起學習興趣,學習效率也不高。

2.學生不會用工程圖去表達機械零部件

雖然給學生講解了各種機械零部件的表達方法,但是學生很難具體應用。學生不了解或不理解零件結(jié)構的作用和零部件間的裝配關系。不會選擇主視圖的投影方向,因為學生不清楚零件的加工工藝,不知零件的主要加工位置在哪里,學生也不明白零部件的實際用途,不知該零部件在整個機器中的工作位置。不會用向視圖和局部視圖來表達;不清楚哪些地方該做剖視圖,哪些地方不需要剖視;不清楚何時需用局部放大視圖等等。在這樣的認知狀態(tài)下畫零件圖或裝配圖非常容易出錯,更不要說合理正確的表達。

3.學生不會在圖中標注尺寸及技術要求

同一張圖形,學生的尺寸標注五花八門,尺寸標注重復,隨意性很大,主要原因在于學生沒有基準的概念,沒有尺寸鏈的概念。有關極限與配合、幾何公差、以及表面粗糙度的標注更凌亂,原因在于學生不知道零件在整個機器當中的位置和作用,對配合選擇沒有概念,對幾何公差和表面粗糙度的理解沒有建立在加工工藝知識的基礎上。

4.學生對制圖沒有標準化的概念

圖紙作為工程語言,對圖面元素進行表達,有很系統(tǒng)的要求,并形成了統(tǒng)一的制圖標準,而大多數(shù)學生沒有這個概念。作圖一開始就出現(xiàn)圖紙和圖樣比例選擇不當,導致有的圖看起來空蕩蕩的,有的圖看起來密密麻麻交叉在一起,尤其是標注尺寸時明顯擠在一起。在作圖的過程中,出現(xiàn)圖線的使用不合理,尤其是點畫線缺少;出現(xiàn)多余且錯誤的文字描述;字形字體不統(tǒng)一等等問題。

(二)教學改革目標

針對上述教學難點,教學改革的目標應運而生。在原有的詳盡周密的圖學理論和繪圖規(guī)范下,利用先進的科學技術手段,如視頻、影像資料、模型、圖片等,使學生了解機械零部件的表達方法、加工方法、工藝結(jié)構,以及典型零件在機器中的實際應用等。通過零部件理論教學和零部件實際應用場景的理論和實踐相結(jié)合的教學,構建基于認識實踐的機械制圖教學環(huán)境,并且以工程設計為主線制定機械制圖教學體系,增加機械零部件認識實踐,加強零部件表達方法的實踐教學,以及嚴格要求學生按照制圖流程進行繪圖,從而有效提高學生繪制和閱讀零部件圖紙的能力,為后續(xù)的專業(yè)課程學習和為產(chǎn)品設計制圖打下堅實的基礎。以學生為中心,關注“教育產(chǎn)出”(學生學到什么),而非“教育輸入”(教師教了什么)。

更進一步,“機械制圖”課程改革要與“工程材料”“機械制造基礎”“機械原理”“機械設計”等課程一起融合改革,尤其是與機械設計課程教學結(jié)合改革,進行實踐性教學貫通式教學改革,提升學生工程綜合能力培養(yǎng);通過典型機械系統(tǒng)或產(chǎn)品案例教學,強化機械系統(tǒng)的方案、結(jié)構、制造、裝配的工程設計內(nèi)容、徒手繪圖與二維、三維數(shù)字化制圖相結(jié)合,以問題和創(chuàng)新為驅(qū)動,體現(xiàn)以學生為中心,能力和創(chuàng)新精神為培養(yǎng)目標的制圖綜合改革。

二、理實結(jié)合的機械制圖教學改革內(nèi)容

“工程制圖”課程經(jīng)歷了從單純的黑板徒手繪圖教學到現(xiàn)在的計算機多媒體教學,教學內(nèi)容和方法都發(fā)生了很大的變化,教學效果有了很大的提高[4]。盡管如此,學生對該門課程的掌握還是不盡如人意,比如,機械類學生雖然花了兩學期時間學習了大量的形體表達方面的內(nèi)容,做了大量的習題,但大一學生對專業(yè)知識知之甚少,不理解所繪制的零件的用途以及裝配體的工作原理,學生機械記憶知識,導致零件或裝配體稍有變化就不會表達,以至于學生在后續(xù)的課程設計和畢業(yè)設計中,零件圖和裝配圖的繪制、尺寸標注等方面出現(xiàn)許多錯誤,教學中存在諸多亟待解決的問題[5],所以必須改變以往的“灌輸式”教學模式,新教學模式要做到“主次兼顧、重點突出、注重能力、分層教學”。

為貫徹執(zhí)行中國工程教育認證的理念,培養(yǎng)具有分析機械工程領域復雜問題的能力,并具有良好的設計能力和創(chuàng)新能力的人才,“機械制圖”的課程內(nèi)容應突出理論知識和實際應用相結(jié)合的教學模式。因此,在工程設計為主線的教學改革中,課程體系規(guī)劃從建立優(yōu)化的教學環(huán)境、專業(yè)教學體系兩個方面入手。

(一)構建基于認識實踐的機械制圖教學環(huán)境

所謂認識實踐是指充分利用現(xiàn)代化的信息技術手段,如圖片、模型、視頻、影像資料等,使學生了解零件的加工方法及在機器中的實際用途、部件的裝配及具體使用場景等。對于認識實踐,一個很重要的目的就是使學生通過了解機械零部件的用途,增加對機械專業(yè)的了解,意識到學習機械制圖的重要性,提高學生對讀圖和繪圖的學習興趣。讓學生接受機械專業(yè)的認識實踐,將制圖知識和工程應用相關聯(lián),有助于提升學生實際應用制圖知識進行零部件表達繪制的能力。為最大限度地提高學生對機械制圖的興趣,啟發(fā)學生的主觀能動性,培養(yǎng)學生自主學習和創(chuàng)新的能力,需構建一種基于認識實踐的機械制圖教學環(huán)境。

如圖1所示,“機械制圖”核心內(nèi)容分為三大部分,標準件和常用件的繪制、零件圖的繪制,以及裝配圖的繪制。圍繞這三大塊內(nèi)容,給學生提供了很多模型,有螺紋緊固件、鍵、銷、齒輪、軸承、彈簧、典型的四大類零件、以及齒輪油泵等裝配體,讓學生看得見、摸得到這些實物。明白什么是肋(筋)板、沉孔、锪平孔、輪轂等常見的機械結(jié)構,對機械零部件,尤其是零件上的工藝結(jié)構,如倒角、倒圓、退刀槽、砂輪越程槽、中心孔等有直觀的認識,從而幫助學生繪制符合國標要求的相應結(jié)構。同時,自行錄制及網(wǎng)上收集視頻,如螺紋的加工方法、齒輪的加工方法、零件各種加工方法等視頻,最大限度地提供資料,幫助學生了解機械加工,增加其對機械專業(yè)的興趣,思考工藝要求與繪圖之間的關聯(lián),盡可能地提高學生的讀圖和畫圖能力。

(二)建立基于工程設計為主線的機械制圖教學體系

所謂基于工程設計為主線是指將機器或部件的功能作用、設計制作流程與“機械制圖”課程教學進行有機結(jié)合。在工程設計為主線的教學體系中,把三個教學要素即教學主體(學生)、教學客體(教學內(nèi)容)和教學環(huán)境(包括教師、教材、教學手段、教學設施等因素)有機地結(jié)合起來。在教學過程中,以學生為中心,強調(diào)基礎與提高的結(jié)合、理論與實踐的結(jié)合、能力與技巧的結(jié)合,兼顧“傳授知識”“培養(yǎng)能力”,從而對學生進行多方位的立體化教育[3]。

基于工程設計為主線的機械制圖教學體系如圖2所示。針對機械制圖的教學內(nèi)容,介紹相應的功能作用,再上升到標準件選型及功能結(jié)構設計,從而加深學生對相關知識的理解,更好地達到教學要求。如螺紋緊固件的連接教學,首先讓學生明白其作用是為了連接兩個零件,可以舉例說明連接箱體和箱蓋等;然后講解螺紋緊固件是標準件,什么是標準件,標準件不需要自行設計,不需要自行加工,只需選型;結(jié)合視頻,結(jié)合動畫,講解這些標準件是如何連接的;最后讓學生明白螺紋緊固件連接的畫法。又如,箱體零件圖繪制的教學,首先讓

圖1 構建基于認識實踐的機械制圖教學環(huán)境Fig.1 Construction of mechanical drawing teaching environment based on cognitive practice

圖2 基于工程設計為主線的機械制圖教學體系Fig.2 Teaching system of mechanical drawing based on engineering design

學生明白箱體零件是起支撐和包容箱體內(nèi)一系列零件的作用,因此需要從結(jié)構上滿足箱體零件的功能,這就是功能結(jié)構設計,需要中空薄壁的結(jié)構去包容,需要肋(筋)板起到加強牢固的作用,需要锪平孔等安裝結(jié)構,需要軸承孔,需要螺孔等。最后講表達,如何表達這些功能結(jié)構?需要剖開其內(nèi)部結(jié)構,即需要采用剖視圖;肋(筋)板如何表達?需要斷面圖;底板如何表達?需要局部視圖;一些細小的結(jié)構如何表達?需要局部放大圖;等等。從功能結(jié)構上去分析零件的表達,使學生明白表達的目的和意義,從而在后續(xù)課程中學會應用各種表達方法來繪制零部件圖。

教學環(huán)境和教學體系方面的教學改革,能夠促進學生觀察力和技能性學習效果,提高教學質(zhì)量。講授機械零部件用途和繪制工程圖,為未來機械裝備的設計提供基礎,從而發(fā)展學生自主研究問題和解決問題的能力,使學生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力得到有效培養(yǎng)。

(三)理實結(jié)合的機械制圖教學改革實踐

教學改革應幫助學生在解決問題的過程中活化知識,從而能夠?qū)⑹聦嵭灾R轉(zhuǎn)化為解決問題的工具;運用產(chǎn)生于真實背景中的問題啟迪學生思維,開展實踐能力、應用能力和專業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)[6]。在機械制圖理實結(jié)合的教學改革實踐中,分別從增加機械零部件的認識,加強零部件表達方法的學習和嚴格按照制圖流程進行繪圖的三個主要的實踐教學環(huán)節(jié)展開,通過具體實際的實踐教學方案使學生了解機械零部件的加工制造和生產(chǎn)裝配關系等,從而使學生在零部件繪圖方面有顯著的能力提升。

本校“機械制圖”課程的學時是48學時,每學時45分鐘,分16周上完,本文所述的教學改革是在不改變教學計劃的前提下進行的。如表1所示,所增加的三個教學改革實踐環(huán)節(jié)均在原有48學時中進行,改革前后教學內(nèi)容和進度不變,只是增加模型和視頻播放,加強學生對機械零部件的認識能力,并且在原有閱讀和繪制零部件圖的教學過程中,強化零部件的表達和制圖流程的學習。

表1 理實結(jié)合的機械制圖教學改革前后教學內(nèi)容對比Tab.1 Teaching contents before and after the reform of mechanical drawing teaching by combining theory with practice

1.增加機械零部件認識實踐教學環(huán)節(jié)

機械制圖有很強的工程實踐性,零部件的加工制造場景的構建與傳統(tǒng)的課堂教學方式之間的矛盾特別明顯。很多在課堂上無法展示的教學內(nèi)容,例如各種加工方法和加工典型零件的實例等,都可以充分利用視頻等手段在課堂內(nèi)或課堂外深入展開。從機械相關企業(yè)及網(wǎng)絡上收集制作典型零件的加工方法及在機器中的實際用途、部件的裝配及使用場景的影像、圖片等資料,構建具有系統(tǒng)性、真實性的多媒體課件。通過對典型機械零部件的認識實踐,了解零件的加工制造、零件的用途、各零部件間的裝配關系和各部件的工作原理。在這個過程中,可通過講解標準件、常用件、零件、裝配體的案例,使學生對整個以工程設計為主線的教學體系中所涉及的機械裝備進行初步了解,為繪圖打下扎實基礎。

如圖3所示,采用SolidWorks軟件、視頻文件、模型、圖片等形式,搭建機械零部件認識平臺,目的在于讓學生了解典型零件的加工和典型部件的裝配方式等,幫助學生閱讀和繪制機械圖樣。

圖3 搭建機械零部件認識平臺Fig.3 Building a platform for understanding mechanical parts

2.加強零部件表達方法的實踐教學環(huán)節(jié)

在加強零部件表達方法的教學環(huán)節(jié)的學習中,要求學生了解典型零部件用途之后,加大其識讀相關零部件圖紙的數(shù)量,通過多看零部件圖,學習體會零部件的表達。通過實際的圖紙案例,讓學生掌握應根據(jù)加工位置、工作位置和形狀特征為原則確定零件和部件的主視圖,并為彌補主視圖表達的不足,合理選擇其他視圖,如表達外部結(jié)構的基本視圖、向視圖、局部視圖和斜視圖,表達內(nèi)部結(jié)構的全剖、半剖和局部剖視圖,以及表達斷面結(jié)構的移出斷面圖和重合斷面圖等。

在大量閱讀零部件工程圖的基礎上,開始訓練學生自行繪制零部件圖,要求學生嚴格按照工程制圖的流程進行繪圖。繪圖的首要任務是確定表達方案。對于零件圖的表達來說,首先要求學生判斷零件的種類,是屬于軸套類、輪盤蓋類、叉架類,還是箱體類零件,根據(jù)零件的種類相對應的主視圖選擇原則來確定主視圖的投影方向,進而根據(jù)零件種類所建議的表達方案,以及完整性、真實性來彌補主視圖表達的不足,確定零件的表達方案,隨后展開討論,對比學生所提出的表達方案,最終確定合理的表達方案,或許不止一種方案。對于裝配圖的表達來說,首先要求學生將裝配體按照工作位置放置,主視圖投影的確定要以工作位置為原則,然后找到裝配干線,根據(jù)裝配干線的數(shù)量確定基本視圖(剖視圖)的數(shù)量,接著再仔細查看所有零件是否都出現(xiàn)過,所有零件的主體結(jié)構是否都已表達,從而最終確定表達方案。圖4為零件圖表達方法的教學環(huán)節(jié),圖5為裝配圖表達方法的教學環(huán)節(jié)。

3.嚴格按照制圖流程進行繪圖

加強手工繪制A2/A3圖紙的能力,并要求學生嚴格按照制圖流程繪制零部件圖,按照以下六個步驟進行。

第一步:確定比例和圖幅。首先確定表達方案之后,要求學生根據(jù)零件、部件或機器的大小及復雜程度確定畫圖的比例,進而粗算圖幅大小,同時要預留尺寸標注、序號(裝配圖)、明細欄(裝配圖)和標題欄的位置,確定圖幅。

第二步:繪制作圖基準線?；鶞示€是零部件的主要軸線、對稱中心線或某些零件的基面或端面。作圖基準線確定視圖的位置。向?qū)W生強調(diào)基準線的位置直接影響整張圖紙布圖的合理性,幾個視圖之間不能太集中,也不能太分散,視圖之間要有足夠的空間進行尺寸標注、技術要求標注。對于裝配圖還需考慮視圖之間要留有空間以便書寫序號。

圖4 零件圖表達方法教學環(huán)節(jié)Fig.4 Teaching method of parts detail drawing

圖5 裝配圖表達方法教學環(huán)節(jié)Fig.5 Teaching method of assembly drawing

第三步:繪制零部件主要結(jié)構和細節(jié)部分。對于零件圖,先繪制主要結(jié)構,結(jié)合形狀特征和位置特征,根據(jù)投影規(guī)律同時繪制幾個基本視圖,之后再繪制細節(jié)部分,如螺孔、鍵槽、銷孔等。一般在基本視圖繪制完成后,再繪制局部視圖、斷面圖等。對于裝配圖,通常部件中的各個零件以一定的裝配關系分布在一條或幾條裝配干線上,因此,在繪圖時可沿這些裝配干線由里向外或由外向里,按定位和遮擋關系依次將各零件繪制出來。一般也是先繪制主、俯、左等基本視圖,再繪制局部視圖等其他視圖。還要向?qū)W生強調(diào)每幅圖中不要遺留點畫線,機械制圖中點畫線是必須要畫的,在回轉(zhuǎn)體的軸線、對稱面或圓心處必須要畫上點畫線。

第四步:標注尺寸和技術要求。強調(diào)尺寸標注和技術要求標注的規(guī)范性、完整性和合理性,尤其讓學生明確標注表面粗糙度、極限與配合及幾何公差的意義。

第五步:填寫標題欄、序號和明細欄。嚴格要求學生根據(jù)國標規(guī)范填寫零部件圖標題欄。對于裝配圖中的序號和明細欄,要求學生按照國標對序號的編寫規(guī)則,圍繞視圖順時針或逆時針、橫豎對齊排列序號,并嚴格按照國標規(guī)范繪制填寫明細欄。

第六步:檢查完圖。要求學生一定要仔細檢查之后,才能完工。最后完工前再次核對制圖標準,再次檢查投影關系,再次檢查尺寸標注等,一定要查看點畫線是否已畫全。機械制圖是大一新生最先接觸的一門專業(yè)基礎課,具有育人的先導性。通過強調(diào)圖紙的規(guī)范性、科學性和嚴肅性,培養(yǎng)學生嚴謹、認真、負責、細致的工作素養(yǎng),以及一絲不茍、踏實敬業(yè)的“工匠”精神。

繪制零部件圖的步驟如圖6所示。

三、結(jié)束語

機械制圖的理論畫法與零部件實際應用相結(jié)合的教學改革與實踐,消除了長期以來機械制圖教學只側(cè)重書本理論知識,而學生缺乏工程實踐認識導致學習效果不好的弊端。在本次教學改革中,建立基于認識實踐的機械制圖教學環(huán)境和基于工程設計為主線的機械制圖教學體系,增加機械零部件認識實踐教學環(huán)節(jié)、加強零部件表達方法的實踐教學環(huán)節(jié),以及嚴格要求學生按照制圖流程進行繪圖,提升了學生的讀圖能力和繪圖能力,提高了教學質(zhì)量,達到了良好的教學效果,并有利于加強學生的工程設計能力,促進學生觀察力和技能性學習效果。與此同時,這種教學改革方式充分調(diào)動了學生的學習積極性,使學生從被動學習變?yōu)橹鲃訉W習,適應“新工科”背景下工程教育的主導思想,也真正做到貫徹執(zhí)行中國工程教育認證的產(chǎn)出導向教育理念。

圖6 繪制零部件圖步驟Fig.6 Steps of parts detail drawing and assembly drawing