基于PBL的工程制圖課程教學(xué)設(shè)計(jì)

劉陽，張?zhí)m霞

（1.東北大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧沈陽 110819；2.東北大學(xué)工商管理學(xué)院，遼寧沈陽 110819；3.東北大學(xué)PBL教學(xué)創(chuàng)新研究中心，遼寧沈陽 110819）

“工程制圖”是面向理工科學(xué)生開設(shè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，擔(dān)負(fù)著工科學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象進(jìn)行表達(dá)和空間形象思維能力的培養(yǎng)任務(wù)[1]。

“裝配圖拆畫零件圖”是“工業(yè)制圖”課程中的一個(gè)重要的知識(shí)點(diǎn)，也是一個(gè)理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，圍繞著“裝配圖拆畫零件圖”，基于如圖1所示PBL的教學(xué)流程進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐，不但會(huì)深化學(xué)生對(duì)相關(guān)理論與知識(shí)的理解和把握，提升學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，而且對(duì)其后續(xù)的學(xué)習(xí)乃至于步入職場后的職業(yè)生涯發(fā)展都是大有幫助的[2-5]。

圖1 PBL的基本教學(xué)流程

一、教學(xué)目標(biāo)

通過基于PBL的“裝配圖拆畫零件圖”的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐，期望實(shí)現(xiàn)的教學(xué)目標(biāo)包括：

1.讀懂裝配圖。首先要學(xué)會(huì)通過裝配圖的標(biāo)題欄、明細(xì)欄，讀懂裝配圖的工作原理；其次要清楚裝配圖上每個(gè)零件的作用及零件間的相對(duì)位置關(guān)系；再次要明確裝配體的傳動(dòng)路線及孔和軸間的配合關(guān)系；最后對(duì)某個(gè)重要零件的拆裝順序要明確。

2.分離出零件。首先要明確所要拆畫的零件，找到其在裝配圖中位置，即不同視圖上的相應(yīng)投影；其次對(duì)不完整的零件視圖要根據(jù)其相關(guān)的零件形狀，進(jìn)行合理地填補(bǔ)視圖；最后如有些在裝配圖中沒有表達(dá)清楚的結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，以完善零件圖。

3.確定零件圖的表達(dá)方案。首先判斷從裝配圖中拆畫出的零件視圖，是否適合作為單個(gè)零件的零件圖的視圖表達(dá)方案；若適合的話，則保留原零件視圖表達(dá)方案；否則，需要進(jìn)行調(diào)整或重新繪制零件視圖表達(dá)方案。其次對(duì)零件圖進(jìn)行尺寸標(biāo)注及技術(shù)要求進(jìn)行填寫。

4.規(guī)范地繪制零件圖。在繪制零件圖時(shí)，要遵循《技術(shù)制圖》和《機(jī)械制圖》的標(biāo)準(zhǔn)，從而培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的工作作風(fēng)。

5.培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、人際溝通等復(fù)合能力，開發(fā)學(xué)生的高層次思維。

二、創(chuàng)設(shè)問題情境

在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，一般先畫出裝配圖，然后按照裝配圖，設(shè)計(jì)并拆畫零件圖。在生產(chǎn)中，加工制造各種不同形狀的機(jī)器零件，主要依據(jù)是零件圖。機(jī)器零件的生產(chǎn)過程，首先根據(jù)零件圖中零件材料和數(shù)量的要求進(jìn)行備料，然后按圖樣中零件的形狀，尺寸與技術(shù)要求進(jìn)行加工制造。同時(shí)還要根據(jù)圖樣上的全部技術(shù)要求，檢查被加工的零件是否達(dá)到規(guī)定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。因此，零件圖是生產(chǎn)中進(jìn)行加工，制造與檢查零件質(zhì)量的重要技術(shù)文件。裝配圖是表達(dá)機(jī)器或部件的工作原理、運(yùn)動(dòng)方式、零件間的連接及其裝配關(guān)系的圖樣，它是生產(chǎn)中的主要技術(shù)文件之一。在組裝產(chǎn)品時(shí)，按照裝配圖進(jìn)行裝配、檢查和試驗(yàn)等工作；在使用產(chǎn)品時(shí)，裝配圖是了解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、正確使用調(diào)試、維修產(chǎn)品的重要依據(jù)。

為了使學(xué)生能夠更好地掌握“裝配圖拆畫零件圖”的理論與知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的復(fù)合能力，特創(chuàng)建了一個(gè)真實(shí)的問題情境，即將分度銑具的裝配圖（如圖2所示）提供給學(xué)生，學(xué)生面對(duì)的問題情境是：從分度銑具的裝配圖中拆畫1號(hào)件支座的零件圖。

圖2 分度銑具裝配圖

三、組成學(xué)習(xí)小組

工程制圖課程通常采用大班授課，學(xué)生來自3個(gè)自然班，每班30人左右，共計(jì)90人上下。在劃分學(xué)習(xí)小組時(shí)，教師限定每組人數(shù)為5～6人，要求學(xué)生自愿組合，共組建成15學(xué)習(xí)小組[6]。每個(gè)學(xué)校小組需選出組長1人，記錄員1人。從多年的教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，多數(shù)學(xué)生會(huì)以寢室為單位組成學(xué)習(xí)小組，小組成員需要進(jìn)行分工與合作，共同完成學(xué)習(xí)任務(wù)，所以，學(xué)習(xí)小組成員間的和睦關(guān)系對(duì)小組學(xué)習(xí)的順利完成是十分重要的[7]。此外，為方便小組合作學(xué)習(xí)的進(jìn)行，學(xué)校會(huì)為學(xué)生提供專用的繪圖教室。

在組成PBL學(xué)習(xí)小組之后，學(xué)生們首先要完成的學(xué)習(xí)任務(wù)就是確認(rèn)學(xué)習(xí)問題。針對(duì)工程制圖課程中的“裝配圖拆畫零件圖”部分，學(xué)生要確認(rèn)的學(xué)習(xí)問題可能是需要學(xué)習(xí)或重溫的內(nèi)容：裝配圖的畫法；由裝配圖拆畫零件圖的方法；零件圖視圖表達(dá)方案確定的方法；零件的制造及加工方法的不同，所涉及的結(jié)構(gòu)參數(shù)如何進(jìn)行設(shè)計(jì)；根據(jù)制圖標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范繪制零件圖等。

四、尋找知識(shí)缺口

在一部機(jī)器或設(shè)備的裝配圖中，通常不會(huì)將所有零件的投影都表達(dá)得非常清楚。因此，在拆畫零件圖的過程中，有時(shí)就需要對(duì)相關(guān)零件進(jìn)行形狀和參數(shù)的設(shè)計(jì)。為了完成學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生首先需要彌補(bǔ)的知識(shí)缺口就是零件的分類問題。對(duì)于傳動(dòng)零件，在機(jī)器或部件中是起傳遞動(dòng)力和改變運(yùn)動(dòng)方向的作用，其結(jié)構(gòu)要素大多已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，并且在國家標(biāo)準(zhǔn)中有其相應(yīng)的零件圖的規(guī)定畫法。所以，在表達(dá)這類零件時(shí)，要按照規(guī)定畫法畫出相應(yīng)的零件圖。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)件，它們?cè)跈C(jī)器或部件中主要起零件間的連接、聯(lián)結(jié)、支撐、密封等作用。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)件通常不必畫出零件圖，只要標(biāo)注出它們的規(guī)定標(biāo)記符號(hào)即可。對(duì)于一般零件，它們的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸大小常根據(jù)其在機(jī)器或部件中的作用，按照機(jī)器或部件的性能和結(jié)構(gòu)要求以及零件制造的工藝要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，一般零件都要繪制相應(yīng)的零件圖，這樣才能進(jìn)行加工制造。

學(xué)生需要拆畫分度銑具中的支座，為零件類型中的箱體類零件。學(xué)生需要彌補(bǔ)的知識(shí)缺口就是確定支座的視圖表達(dá)方案。在支座表達(dá)方案的確定方面，學(xué)生們?cè)谛〗M討論后決定采納原裝配圖中的支座視圖表達(dá)方案，還是進(jìn)行調(diào)整后繼續(xù)應(yīng)用，或者放棄原表達(dá)方案，重新確定新的視圖表達(dá)方案。若能建立三維立體圖，會(huì)有助于零件圖的繪制。

在解決問題的過程中，學(xué)習(xí)小組成員通過不斷地討論、不斷地修改及調(diào)整對(duì)問題的解決方案。這就是對(duì)理論知識(shí)不斷進(jìn)行梳理及整合，從而更好地完成學(xué)習(xí)任務(wù)，掌握知識(shí)點(diǎn)及其實(shí)際應(yīng)用。

在從分度銑具的裝配圖拆畫支座的零件圖的過程中，學(xué)生需要學(xué)習(xí)或重溫的內(nèi)容如下：裝配圖的內(nèi)容和作用；裝配圖的表達(dá)方法、裝配圖的尺寸標(biāo)注、裝配圖中零部件序號(hào)和明細(xì)欄；由裝配圖拆畫零件圖步驟；零件圖的視圖選擇及表達(dá)方法；零件圖的尺寸標(biāo)注；典型零件的零件圖分析零件結(jié)構(gòu)的合理性；極限與配合；幾何公差；表面結(jié)構(gòu)要求的表示法零件的測繪。

學(xué)生們進(jìn)行學(xué)習(xí)分工，學(xué)習(xí)內(nèi)容可以進(jìn)行適當(dāng)合并或分解，以便能夠高效地完成學(xué)習(xí)任務(wù)。在自主學(xué)習(xí)的過程中，學(xué)生們可以利用中國大學(xué)慕課（MOOC）平臺(tái)上的“畫法幾何及機(jī)械制圖”課程的內(nèi)容、教材、相關(guān)專業(yè)書、參考網(wǎng)上分度銑具的視頻及教師推送的各種相關(guān)鏈接等。

五、形成問題解決方案

經(jīng)過學(xué)生們多次反復(fù)的自主學(xué)習(xí)、小組合作學(xué)習(xí)過程之后，便可以確定如下問題解決方案：

（一）對(duì)分度銑具裝配圖的深度分析

由圖2可知，分度銑具是通用性的卡具，利用分度盤上不同的孔數(shù)和定位銷通過計(jì)算來實(shí)現(xiàn)工件所需的劃分度數(shù)。首先要通過明細(xì)欄了解組成此裝配件的各個(gè)零件。其工作原理是工件利用附件（圖中用雙點(diǎn)劃線畫出）與頂尖兒固定在一起。分度時(shí)，擰松手柄，使夾緊套、松開，然后拔出定位銷，轉(zhuǎn)動(dòng)搖把，按需要的角度將定位銷插入分度盤中的另一個(gè)襯套的孔中。搖把與主軸間鑲有鍵，搖把轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，由此實(shí)現(xiàn)分度。然后擰緊手柄，用夾緊套、夾緊主軸便可以進(jìn)行加工。

分度銑具總功能，分別是由工件支持功能、分度實(shí)現(xiàn)功能、主軸鎖緊功能、移動(dòng)限位功能來完成工件分度。深入分析裝配圖的各分功能，綜合裝配體的外形特征、內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進(jìn)行傳動(dòng)方式、傳動(dòng)路線、連接方式等模塊的分析。清楚每個(gè)零件的在整體部件的作用，研究裝配圖上標(biāo)注的尺寸，為后續(xù)拆支座、繪制零件圖做準(zhǔn)備。

（二）拆畫指定的零件，繪制規(guī)范零件圖

經(jīng)過系統(tǒng)地分析，明確所要拆卸的支座在裝配圖中的相應(yīng)投影后，判斷支座在裝配圖中的視圖是否適合其作為零件圖時(shí)的視圖表達(dá)方案。

零件圖中的一組視圖只能表達(dá)零件的結(jié)構(gòu)形狀，而零件上各結(jié)構(gòu)的精確尺寸及各結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)位置大小，是通過圖樣上標(biāo)注的尺寸來確定的。尺寸是加工和檢驗(yàn)零件的重要依據(jù)，是一項(xiàng)十分重要的工作。因此，在拆畫零件圖時(shí)，對(duì)于尺寸標(biāo)注需要注意的是：裝配圖中與該零件有關(guān)的尺寸可抄注；有的尺寸可以通過計(jì)算來精確確定；對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，如鍵槽、倒角、退刀槽等需要查閱相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)來確定；對(duì)于其他的位置尺寸，可直接從裝配圖中量取，量取的尺寸在標(biāo)注時(shí)應(yīng)注意圓整和比例的協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換。

六、展示學(xué)習(xí)成果及評(píng)價(jià)

學(xué)生展示的學(xué)習(xí)成果通常有兩項(xiàng)內(nèi)容：

1.提交支座零件圖（尺規(guī)繪圖）。每位同學(xué)依據(jù)所給分度銑具的裝配圖，繪制比例為2∶1的支座零件圖。

2.以小組為單位，進(jìn)行20分鐘的答辯。在答辯過程中，小組成員或小組成員代表首先會(huì)通過PPT闡述其整個(gè)學(xué)習(xí)過程及其學(xué)習(xí)成果，然后共同就教師及其其他小組同學(xué)的提出的問題進(jìn)行解答。

評(píng)價(jià)主要采用總結(jié)性評(píng)價(jià)的方式對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)成果進(jìn)行評(píng)價(jià)，包括支座零件圖部分和小組答辯部分，前者占總成績的70%，后者占總成績的30%。學(xué)生最后獲得的成績分別為優(yōu)、良、中、及格和不及格，共5個(gè)等級(jí)。

在答辯過程中，除了要檢驗(yàn)小組合作學(xué)習(xí)的成效以外，還要根據(jù)小組成員對(duì)問題回答的準(zhǔn)確性、完整性以及小組成員間的合作能力進(jìn)行評(píng)分。學(xué)生應(yīng)該具有團(tuán)隊(duì)合作的理念，這是PBL十分重視的學(xué)習(xí)理念。

七、結(jié)論

將“工業(yè)制圖”中的“裝配圖繪制零件圖”部分進(jìn)行基于PBL的教學(xué)設(shè)計(jì)，有助于學(xué)生對(duì)制圖基本知識(shí)、機(jī)件表達(dá)方法、裝配圖等內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行有機(jī)地整合，對(duì)教學(xué)內(nèi)容的掌握以及后續(xù)課程的學(xué)習(xí)都是非常重要的。通過基于PBL的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生將自己梳理的知識(shí)，應(yīng)用到模擬真實(shí)工程的環(huán)境中，解決實(shí)際的問題。這樣，不僅提高學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的認(rèn)知，而且增加了學(xué)生的成就感，提升了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性。