就創(chuàng)融合的工程制圖教學(xué)研究與實(shí)踐

曹淑華，劉德良，路慧彪，于哲夫

(大連海事大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，遼寧 大連)

一 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020 年本科畢業(yè)生人數(shù)多達(dá)870 余萬，達(dá)到了歷史高點(diǎn)[1]。在本科畢業(yè)生人數(shù)持續(xù)增多的同時(shí)，當(dāng)前國內(nèi)經(jīng)濟(jì)增長變緩，企業(yè)崗位需求較為平緩，就業(yè)市場的供求變化使錄用標(biāo)準(zhǔn)不斷提升，本科生就業(yè)壓力逐漸增大[2]。

高校面對這樣的就業(yè)形勢，必須著力提升大學(xué)生綜合素質(zhì)，以需求為導(dǎo)向，從而培養(yǎng)并提升學(xué)生的就業(yè)能力。就業(yè)能力除了表達(dá)能力、人際溝通能力以及應(yīng)變能力外，還包括必需的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

創(chuàng)新，是一種能力，是人在學(xué)習(xí)工作上保持永久活力的源泉。在大學(xué)教育中提高學(xué)生的創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)能力已經(jīng)成為素質(zhì)教育的重要組成部分，有助于提高學(xué)生的就業(yè)能力和入職后的業(yè)務(wù)水平。

培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，推廣和發(fā)展創(chuàng)新教育，將創(chuàng)新教育與就業(yè)指導(dǎo)無縫融合[3]，是高等教育應(yīng)對就業(yè)形勢的改革熱點(diǎn)。研究表明，強(qiáng)化創(chuàng)新課程建設(shè)是創(chuàng)新教育的中心，尤為關(guān)鍵和必要[4]。為了培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識，深化高校的教學(xué)方法改革，需要教師在授課過程中，應(yīng)用新技術(shù)和新方法，將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神融入到教學(xué)環(huán)節(jié)中。

為了實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)由圖樣向產(chǎn)品模型的轉(zhuǎn)化，以產(chǎn)品的幾何模型為核心的CAD/CAM 一體化是適應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)信息化的必然趨勢，以優(yōu)化設(shè)計(jì)促進(jìn)產(chǎn)品改良，以智能設(shè)計(jì)促進(jìn)產(chǎn)品創(chuàng)新。為適應(yīng)這樣的發(fā)展趨勢，必須重新構(gòu)建工程圖學(xué)教育方向，結(jié)合教學(xué)目標(biāo)，引入現(xiàn)代三維技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)，以系列化、模塊化零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，在教學(xué)過程中模擬CAD/CAM 技術(shù)工程環(huán)境，重新構(gòu)建工程圖學(xué)課程體系，重新進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)并進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐。

二 增材制造（3D 打?。┈F(xiàn)狀及其在教育領(lǐng)域的應(yīng)用

三維CAD 技術(shù)在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的理念、工程信息的記錄和存儲方式，更為多元化，徹底改變了設(shè)計(jì)人員的思維方式和工作方式。先進(jìn)制造技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用，為工程設(shè)計(jì)提供了廣闊的創(chuàng)新空間。培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才，要求學(xué)生去適應(yīng)現(xiàn)代設(shè)計(jì)與制造的發(fā)展要求，將三維CAD 技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)融合引入到機(jī)械工程圖學(xué)教學(xué)中，做到學(xué)以致用、能力為本、創(chuàng)造為先、就業(yè)為上，可使教學(xué)效果顯著提高，提高學(xué)生的綜合競爭力[5]。

先進(jìn)制造技術(shù)(Advanced Manufacturing Technology，簡稱為AMT)融合了機(jī)械工程、電子、自動(dòng)化、信息技術(shù)等多種高新技術(shù)。成組技術(shù)（GT）、快速成型技術(shù)（RPM）、虛擬制造技術(shù)（VMT）是其關(guān)鍵技術(shù)，敏捷制造（AM）和智能制造（IM）是其關(guān)鍵系統(tǒng)[5]。先進(jìn)制造技術(shù)顛覆了傳統(tǒng)制造的理念和模式，對傳統(tǒng)制造業(yè)向現(xiàn)代制造業(yè)的轉(zhuǎn)變產(chǎn)生了深刻影響。

快速成型技術(shù)（RPM）集中應(yīng)用了CAD/CAM、激光加工、數(shù)控和新材料等技術(shù)領(lǐng)域的最新研究成果，是一種新型的適用于制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的原型制造技術(shù)[6]?？焖俪尚图夹g(shù)通過層層堆積材料的方式建造零件模型，其產(chǎn)品原型通過三維CAD 軟件生成，便于后續(xù)的修改和創(chuàng)新，能夠大幅度降低產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)使越來越多的產(chǎn)品基于三維CAD 軟件設(shè)計(jì)開發(fā)，凸顯出快速成型技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)中的重要性?？焖俪尚图夹g(shù)的典型代表是增材制造（Additive Manufacturing，AM）技術(shù)，俗稱3D 打印技術(shù)[7]。

最近10 年，政府、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)等社會團(tuán)體紛紛投入資金和人力關(guān)注增材制造技術(shù)的發(fā)展，并相應(yīng)地制定了促進(jìn)和推動(dòng)增材制造技術(shù)發(fā)展的國家戰(zhàn)略和企業(yè)發(fā)展規(guī)劃[8]。美國在2012 年率先建立增材制造創(chuàng)新研究所，研究未來美國在增材制造相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展路徑，認(rèn)為增材制造技術(shù)是決定未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展的革命性技術(shù)；德國最先將增材制造技術(shù)作為工業(yè)4.0 戰(zhàn)略技術(shù)，主要研究方向集中于該技術(shù)在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用，包括輕量化設(shè)計(jì)、材料、工藝等方向；法國致力于增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研制；日本投入大量人力和物力組織實(shí)施以增材制造技術(shù)為核心的制造革命計(jì)劃，有力促進(jìn)了該技術(shù)在本國航天領(lǐng)域的應(yīng)用[9]。

近年來，在國家的大力支持下，增材制造技術(shù)在我國發(fā)展迅速，航空航天、電子、軍工、醫(yī)療、汽車等行業(yè)大力發(fā)展和應(yīng)用增材制造技術(shù)，在材料、裝備和軟件等領(lǐng)域都取得了重大成就。清華、北航、西安交大、華中科技等大學(xué)相繼成立了增材制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，研究方向集中于產(chǎn)品研發(fā)、個(gè)性化需求、新材料應(yīng)用等領(lǐng)域，復(fù)雜零件的精密鑄造、金屬零件直接制造技術(shù)有了重大突破，大型薄壁航空零件和醫(yī)用組織結(jié)構(gòu)的直接制造也有了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展[9]。

目前，增材制造技術(shù)已經(jīng)成為衡量國家發(fā)展水平的標(biāo)準(zhǔn)之一。新的全球制造業(yè)競爭促使發(fā)達(dá)國家制造業(yè)回流，使國際競爭集中體現(xiàn)在高端裝備的競爭上，對制造工藝流程、生產(chǎn)模式和整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈都提出了新的要求。增材制造技術(shù)所代表的數(shù)字化制造和智能化制造已經(jīng)成為提升產(chǎn)業(yè)競爭力的關(guān)鍵。增材制造技術(shù)正成為各國大力培育和發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，必將改變各國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局。大力發(fā)展增材制造技術(shù)，推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，將提高我國制造業(yè)的國際競爭力，推動(dòng)我國由制造大國向制造強(qiáng)國[9]。

在高等教育中引入增材制造（3D 打?。┘夹g(shù)，將探索、質(zhì)疑、創(chuàng)新、自主學(xué)習(xí)等實(shí)踐環(huán)節(jié)融入傳統(tǒng)的理論課堂，會架起理論聯(lián)系實(shí)際的橋梁。傳統(tǒng)教學(xué)模式的改變，將有助于提高學(xué)生的合作意識、自我管理能力、創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力。為了增強(qiáng)學(xué)生對先進(jìn)制造技術(shù)的了解，開發(fā)能夠提高教學(xué)效果的實(shí)踐課程勢在必行[10]。

三 制造技術(shù)與工程制圖教學(xué)的融合，培養(yǎng)就業(yè)能力與創(chuàng)新能力

在機(jī)械工程圖學(xué)教學(xué)過程中引入基于增材制造技術(shù)的教學(xué)實(shí)訓(xùn)，可以將教學(xué)內(nèi)容生動(dòng)地呈現(xiàn)在課堂上，可以活躍課堂，更有利于學(xué)生掌握基本知識。輔以激發(fā)學(xué)習(xí)興趣的實(shí)踐環(huán)節(jié)，有助于引導(dǎo)和開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。在課堂上增加以增材制造技術(shù)為主題的科技創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，為教學(xué)科研的發(fā)展打開了新的思路，必將推進(jìn)就創(chuàng)融合的教學(xué)改革[11]。

（一） 改革的目標(biāo)

1. 在機(jī)械工程圖學(xué)教學(xué)過程中引入3D 打印實(shí)訓(xùn)課程，鍛煉學(xué)生的設(shè)計(jì)能力，初步培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力；使學(xué)生掌握基于特征的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和建模方法；掌握三維實(shí)體造型、曲面模型等的設(shè)計(jì)和制作能力；提高空間想象力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維；提高學(xué)生獨(dú)立分析問題和獨(dú)立解決問題能力；建立團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識；提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

2. 將3D 設(shè)計(jì)和打印概念引入到機(jī)械工程圖學(xué)的教學(xué)環(huán)節(jié)，從產(chǎn)品加工和制作角度解釋機(jī)械工程圖學(xué)的知識點(diǎn)，增加實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，輔以實(shí)訓(xùn)課程，提高學(xué)生應(yīng)用軟件和硬件的能力，通過教師現(xiàn)場輔導(dǎo)、師生互動(dòng)交流等教學(xué)活動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、感受、思考、參與創(chuàng)造性設(shè)計(jì)，改變以往枯燥、乏味的課堂教學(xué)，讓學(xué)生在創(chuàng)造過程中體會到學(xué)習(xí)的樂趣，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的熱情，使課堂成為一個(gè)融教學(xué)和學(xué)習(xí)一體、師生共同積極參與的愉快場所。從而提高教學(xué)質(zhì)量，拓寬就業(yè)渠道，深化素質(zhì)教育[12]。

（二） 改革的具體內(nèi)容

1. 基于增材制造技術(shù)的教學(xué)思維的轉(zhuǎn)化。增材制造技術(shù)從根本上改變了高等教育的教學(xué)手段，同時(shí)也應(yīng)體現(xiàn)在教學(xué)思維的變化上。傳統(tǒng)的機(jī)械工程圖學(xué)教學(xué)中，模型的講解多采用掛圖、教具模型和多媒體技術(shù)，卻從未使用過增材制造技術(shù)，限制了學(xué)生在課堂上的參與性、主動(dòng)性和積極性。增材制造技術(shù)將教師的“教”與學(xué)生的“學(xué)”有機(jī)結(jié)合，鼓勵(lì)學(xué)生實(shí)踐、體驗(yàn)、創(chuàng)造、探索和反思，幫助學(xué)生更好地理解基礎(chǔ)知識，提高專業(yè)技能。將增材制造技術(shù)滲透、融合到教學(xué)中去，可以充分發(fā)揮增材制造技術(shù)的優(yōu)勢，提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)創(chuàng)新人才。

2. 促進(jìn)增材制造技術(shù)與專業(yè)知識的緊密結(jié)合。自增材制造技術(shù)問世以來，在高等教育中引入增材制造技術(shù)的一直側(cè)重于讓學(xué)生了解和學(xué)習(xí)其操作方法，而與專業(yè)知識的結(jié)合還不夠緊密。將增材制造技術(shù)融入機(jī)械零件設(shè)計(jì)、船舶及水下航行器設(shè)計(jì)、模具制造乃至汽車、航空等專業(yè)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中思考、設(shè)計(jì)、制造，最終解決一些實(shí)際專業(yè)問題，做到知識、技術(shù)和實(shí)踐緊密結(jié)合，提高學(xué)生的專業(yè)技能，使其成長為國家和社會急需的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。

3. 使教學(xué)內(nèi)容與就業(yè)需求密切聯(lián)系。隨著增材制造技術(shù)在我國制造行業(yè)的廣泛應(yīng)用，市場需求不斷釋放，企業(yè)會更多地將資金和人力投入到與增材制造技術(shù)相關(guān)的研發(fā)工作中，也擴(kuò)大了與增材制造技術(shù)有關(guān)的人才需求。增材制造技術(shù)是很重要的發(fā)展產(chǎn)業(yè)，人社部還推出了“3D 打印造型師”的資質(zhì)認(rèn)證。增材制造技術(shù)的快速發(fā)展，在新技術(shù)和新材料研發(fā)方面的投資增加，覆蓋的領(lǐng)域涉及航空、醫(yī)療、軍工等高尖端產(chǎn)業(yè)，對高素質(zhì)人才的需求會越來越多。

增材制造技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域決定了其在制造行業(yè)對綜合性高素質(zhì)人才的特殊需求。如支撐上游應(yīng)用從事工藝和材料研發(fā)所需的主要是來自國內(nèi)的技術(shù)實(shí)驗(yàn)室及其團(tuán)隊(duì)和高校培養(yǎng)的碩、博士研究生等的高層次專業(yè)技術(shù)人才；支撐中游應(yīng)用裝備研發(fā)所需的是設(shè)計(jì)、制造、檢測相關(guān)的機(jī)械加工制造領(lǐng)域的人才。支撐基礎(chǔ)應(yīng)用需要的機(jī)械設(shè)計(jì)和制造、三維建模、模具設(shè)計(jì)等生產(chǎn)、服務(wù)、管理需要的一線應(yīng)用人才。對比增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展，高校應(yīng)注重培養(yǎng)精通增材制造技術(shù)的專業(yè)人才，并以此促進(jìn)專業(yè)領(lǐng)域技術(shù)上的創(chuàng)新，為各行業(yè)發(fā)展注入新的動(dòng)力。

（三） 擬解決的關(guān)鍵問題

1. 在工程制圖課程內(nèi)容中引入3D 打印實(shí)訓(xùn)課程內(nèi)容后，如何協(xié)調(diào)課時(shí)限制。

2. 3D 打印實(shí)訓(xùn)課程從教學(xué)內(nèi)容引入—建模軟件學(xué)習(xí)—三維模型設(shè)計(jì)—3D 打印—綜合評價(jià)整個(gè)流程的細(xì)化和延續(xù)。

3. 如何在教學(xué)方法、教學(xué)手段上切入3D 打印實(shí)訓(xùn)的教學(xué)內(nèi)容。

4. 3D 打印實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)軟硬件配備。

（四） 實(shí)施方案

1. 對不同專業(yè)分層次引入3D 打印實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)內(nèi)容

（1）對機(jī)械類專業(yè)，以設(shè)計(jì)制造為目標(biāo)設(shè)置課程內(nèi)容。

（2）對非機(jī)類專業(yè)，以認(rèn)知為目標(biāo)設(shè)置課程內(nèi)容。

2. 采用先進(jìn)技術(shù)，多種教學(xué)方法結(jié)合，做到因?qū)I(yè)而異，因內(nèi)容而異，靈活教學(xué)

（1）認(rèn)知型課程教學(xué)——多媒體課件和視頻。

（2）設(shè)計(jì)制造型課程教學(xué)——從產(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計(jì)、3D 模型到3D 打印綜合型實(shí)踐。

（3）綜合提高型課程教學(xué)——基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)和校企合作的課程應(yīng)用實(shí)踐。

（五） 實(shí)施方法

1. 課時(shí)數(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容本身已存在沖突，再增加3D 打印內(nèi)容，勢必加劇這種矛盾[12]。要解決這個(gè)矛盾，需要將3D 打印教學(xué)內(nèi)容實(shí)訓(xùn)化，增加微課教學(xué)環(huán)節(jié)，采用“微課自學(xué)+互助合作”教學(xué)方法，教師可提前利用錄屏軟件、視頻制作軟件制作教學(xué)微視頻，內(nèi)容覆蓋軟件學(xué)習(xí)、模型設(shè)計(jì)和3D 打印所涉及的所有知識點(diǎn)，采用多人一組團(tuán)隊(duì)合作，充分利用學(xué)生的課余時(shí)間自我學(xué)習(xí)和自我探究，培養(yǎng)學(xué)生自主設(shè)計(jì)和主動(dòng)學(xué)習(xí)能力，提高課堂效率[12]。

2. 采用以學(xué)生實(shí)踐為中心，自主活動(dòng)為基礎(chǔ)的教學(xué)過程，大力推進(jìn)教學(xué)活動(dòng)由“教”向“學(xué)”再向“行”逐漸深入，通過設(shè)計(jì)與后續(xù)設(shè)計(jì)課程培養(yǎng)目標(biāo)相一致的實(shí)踐環(huán)節(jié)，使教學(xué)內(nèi)容從教學(xué)內(nèi)容引入—建模軟件學(xué)習(xí)—三維模型設(shè)計(jì)—3D 打印—綜合評價(jià)逐層細(xì)化、層層延續(xù)，做到理論知識與實(shí)踐環(huán)節(jié)結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，使創(chuàng)新教育教學(xué)落到實(shí)處。

3. 在傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容中切入3D 打印教學(xué)內(nèi)容。畫法幾何部分，在比較難理解的相貫線教學(xué)中，設(shè)計(jì)打印5 種圓柱體相貫立體模型，加深課程內(nèi)容的理解和實(shí)踐；機(jī)械制圖部分，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)簡單的機(jī)構(gòu)，并完成設(shè)計(jì)和打印的全過程；計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)部分，完成自主產(chǎn)品設(shè)計(jì)，提高三維設(shè)計(jì)和打印的應(yīng)用水平。

4. 充分利用學(xué)校資源和采用校企聯(lián)合方式，解決實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)軟硬件配備問題。

四 結(jié)語

增材制造在高等教育課堂上的應(yīng)用能夠架起理論知識聯(lián)系實(shí)際制造的橋梁，通過在機(jī)械工程圖學(xué)教學(xué)過程中引入基于增材制造的教學(xué)實(shí)訓(xùn)，可以實(shí)現(xiàn)：

（一） 建立3D 建模和3D 打印的工程圖學(xué)教學(xué)理念，將先進(jìn)制造技術(shù)的概念融入工程圖學(xué)的教學(xué)全過程。

（二）形成了集大綱、教材、在線課程、混合模式授課為一體3D 建模和3D 打印工程圖學(xué)教學(xué)體系。

（三）改變傳統(tǒng)以繪制二維工程圖為主的工程技術(shù)觀念，使學(xué)生對本課程的理解上升到生產(chǎn)實(shí)踐高度，達(dá)到專業(yè)知識、技術(shù)水平與創(chuàng)新能力的統(tǒng)一，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，并以此拓寬學(xué)生的就業(yè)之路。