高職機(jī)械類專業(yè)三維CAD技術(shù)與制圖課程的融合與延續(xù)

何秋梅，陶素連

(廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，廣東 廣州 510635)

隨著現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)與制造技術(shù)和計(jì)算機(jī)的不斷融合發(fā)展，在制圖教學(xué)中結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)引入三維CAD技術(shù)的教學(xué)改革迫在眉睫?，F(xiàn)有不少高校都進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)踐探索，發(fā)表或出版了相關(guān)的論文和教材[1-4]，但基本上都是針對(duì)本科院校的，理論性比較強(qiáng)。到目前為止，尚缺少應(yīng)用性比較強(qiáng)的關(guān)于高職院校開(kāi)展三維CAD技術(shù)與制圖課程教學(xué)模式的分析和論證方面的論文，且缺少考慮三維CAD技術(shù)后續(xù)專業(yè)課程的需要，尚未很好地解決其延續(xù)性方面的問(wèn)題，更沒(méi)有針對(duì)專業(yè)特點(diǎn)有效實(shí)施教學(xué)。機(jī)械類專業(yè)培養(yǎng)的人才需要具有豐富的創(chuàng)新創(chuàng)意表達(dá)能力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ碳夹g(shù)知識(shí)，因此應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)和三維空間的想象能力與創(chuàng)造力。為此，必須對(duì)傳統(tǒng)的制圖課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革和創(chuàng)新。本文針對(duì)高職院校機(jī)械類專業(yè)的特點(diǎn)，提出構(gòu)建三維CAD技術(shù)與制圖課程先融合式后獨(dú)立式的教學(xué)模式，突出培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)型思維、創(chuàng)新思維能力和圖形表達(dá)能力。

1 三維CAD技術(shù)與制圖課程的新教學(xué)模式的提出

工程制圖教學(xué)中引入三維CAD技術(shù)的方式比較多，常見(jiàn)的有分段式、獨(dú)立式和融合式3種[5-8]。其中，融合式是在制圖課程的不同階段引入相應(yīng)的三維CAD建模內(nèi)容，使其貫穿課程教學(xué)活動(dòng)的全過(guò)程；分段式是在不同學(xué)期設(shè)置不同的教學(xué)內(nèi)容，與原有工程圖學(xué)一起形成一種新的教學(xué)體系，盡可能引入三維CAD建模的內(nèi)容；獨(dú)立式是將三維CAD技術(shù)獨(dú)立于制圖課程之外，作為必修或選修課程納入課程體系。

融合式的教學(xué)有利于培養(yǎng)機(jī)械類專業(yè)學(xué)生的空間設(shè)計(jì)能力，但三維CAD建模內(nèi)容的引入必然使得原有的手工繪圖和識(shí)圖訓(xùn)練的時(shí)間減少，學(xué)生的讀圖能力會(huì)有所下降；分段式和獨(dú)立式的教學(xué)比較靈活和實(shí)用，不影響原有的制圖教學(xué)和繪圖訓(xùn)練，又能讓學(xué)生系統(tǒng)深入學(xué)習(xí)三維CAD技術(shù)，對(duì)于學(xué)習(xí)圖形與建模操作技能具有較好的延續(xù)性、系統(tǒng)性和完整性。但學(xué)習(xí)軟件操作的課時(shí)比較多，且與制圖課程教學(xué)相隔比較久，容易陷入軟件操作學(xué)習(xí)的層面。

把三維CAD技術(shù)引入工程制圖教學(xué)是圖學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)[9]，這就要求創(chuàng)建先進(jìn)的三維CAD制圖教學(xué)環(huán)境。首先要根據(jù)實(shí)際情況合理選用三維軟件，如UG、CATIA、Creo、SolidWorks、Inventor等，這些軟件的三維建模功能都比較強(qiáng)大。如果把制圖和三維CAD技術(shù)完全整合成一門(mén)課，那么教學(xué)體系太大，這將影響到二維圖形的訓(xùn)練效果。實(shí)際上三維CAD技術(shù)自身就具有完整性和系統(tǒng)性，因此廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院(以下簡(jiǎn)稱學(xué)院)將其設(shè)置成“機(jī)械制圖”和“三維CAD技術(shù)”兩門(mén)課程，形成一個(gè)教學(xué)包。“三維CAD技術(shù)”作為獨(dú)立的課程，同時(shí)又作為制圖與機(jī)械設(shè)計(jì)的關(guān)聯(lián)性課程，其教學(xué)分兩步走——先融合式后獨(dú)立式：先以制圖教學(xué)為主線，將制圖內(nèi)容與相關(guān)聯(lián)的三維CAD技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行融合，同步教學(xué)；再以三維CAD技術(shù)為主線，補(bǔ)充延續(xù)性方面的內(nèi)容，獨(dú)立教學(xué)。

1)先融合式教學(xué)。

首先，將“三維CAD技術(shù)”中的三維建模、裝配、工程圖制作方面的內(nèi)容與制圖課程在同一學(xué)期同步教學(xué)，因?yàn)檫@些內(nèi)容在兩門(mén)課程里關(guān)聯(lián)性非常緊密，融合式教學(xué)可以起到相互支撐的作用。高職的學(xué)生空間想象能力相對(duì)比較弱[10]，這種融合式的教學(xué)顯然有助于學(xué)生直觀理解零部件(產(chǎn)品)的空間形狀、配合關(guān)系、工作原理等，提高空間思維能力，并更好地理解二維圖形與三維實(shí)體之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，降低了畫(huà)圖與讀圖的困難，這對(duì)于提高學(xué)生的制圖學(xué)習(xí)興趣和效率大有好處。教學(xué)中，考慮到學(xué)生學(xué)習(xí)三維建模與制圖這兩部分內(nèi)容要有比較好的連續(xù)性和結(jié)合關(guān)系，使得相關(guān)聯(lián)的內(nèi)容相互融合、相互滲透，為此將兩門(mén)課程作為一個(gè)教學(xué)包盡量安排同一教師授課，保證教學(xué)的融合度。每周有制圖課教學(xué)的同時(shí)也有三維CAD技術(shù)軟件課，課上學(xué)生圍繞制圖內(nèi)容進(jìn)行上機(jī)操作。在這一階段，重點(diǎn)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)零部件的表達(dá)方案、徒手或尺規(guī)繪圖的訓(xùn)練。同時(shí)，對(duì)三維CAD建模與裝配、三維與二維圖形轉(zhuǎn)換、二維工程圖修改、尺寸標(biāo)注等進(jìn)行系統(tǒng)訓(xùn)練，使傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容與三維CAD技術(shù)相互支撐。以制圖教學(xué)為主線、三維CAD技術(shù)為輔線的融合式教學(xué)，可以取得事半功倍的效果，也避免浪費(fèi)學(xué)時(shí)、陷入軟件操作學(xué)習(xí)的層面[11]。

2)后獨(dú)立式教學(xué)。

融合式教學(xué)結(jié)束后，再安排“三維CAD技術(shù)”課程的曲面設(shè)計(jì)、動(dòng)畫(huà)制作與機(jī)構(gòu)仿真等的內(nèi)容進(jìn)行獨(dú)立教學(xué)，作為延續(xù)補(bǔ)充。其中，曲面設(shè)計(jì)對(duì)于現(xiàn)代的工業(yè)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，是提升造型藝術(shù)創(chuàng)意和體現(xiàn)個(gè)性化特色的重要工具；動(dòng)畫(huà)制作是展示機(jī)械產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征和質(zhì)感的重要手段；機(jī)構(gòu)仿真分析可以快速反映機(jī)械產(chǎn)品的工作運(yùn)動(dòng)原理，并快捷有效地檢驗(yàn)設(shè)計(jì)是否合理科學(xué)，是連接后續(xù)的機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)課程的重要紐帶。后續(xù)的這種獨(dú)立式教學(xué)，重點(diǎn)從機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)角度來(lái)提升學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新思維能力[12]。

2 融合式階段的教學(xué)設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)踐

為了更好地將三維CAD建模有機(jī)融合到制圖教學(xué)中，對(duì)兩門(mén)課程采用統(tǒng)一的教學(xué)載體,如平口鉗、法蘭夾具、減速器、柱塞泵、手壓閥和快速閥，這些都是常用的典型機(jī)械裝置，里面有階梯軸、端蓋、箱體、齒輪、鍵、銷、螺紋聯(lián)接件、軸承等，種類齊全，既可以讓學(xué)生充分了解各類機(jī)械零部件的特征，又可作為教學(xué)載體實(shí)施項(xiàng)目教學(xué)。一方面，讓學(xué)生掌握機(jī)件常用的表達(dá)方法以及標(biāo)準(zhǔn)件、常用件、零件圖、裝配圖等圖學(xué)知識(shí)；另一方面，這些零部件包含了零件設(shè)計(jì)的基本特征(拉伸、旋轉(zhuǎn)等)、基準(zhǔn)特征、工程特征(圓角、孔、筋板、拔模等)和高級(jí)特征(掃描、混合等),學(xué)生可以掌握各種3D建模方法和標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的調(diào)用、裝配、干涉檢查、渲染、工程圖的制作等三維CAD技術(shù)。

為了便于項(xiàng)目教學(xué)的組織實(shí)施，將大型項(xiàng)目按照零件類型分解成若干個(gè)子項(xiàng)目，各子項(xiàng)目之間是層層遞進(jìn)的關(guān)系，有明確的工作目標(biāo)和具體的工作內(nèi)容，將理論知識(shí)按照一定的規(guī)律分配、滲透到各工作任務(wù)中，其綜合了制圖與三維CAD技術(shù)等內(nèi)容，涉及面廣。

目前，學(xué)院機(jī)械類專業(yè)制圖課程是84學(xué)時(shí)，而三維CAD技術(shù)以Creo軟件為主，有30學(xué)時(shí)融合到制圖課程中，將三維建模和裝配設(shè)計(jì)、工程圖制作的內(nèi)容穿插到制圖中同步教學(xué)。為了提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，還另外安排了連續(xù)三周的綜合實(shí)訓(xùn)，其中制圖2周、三維CAD技術(shù)1周。具體安排見(jiàn)表1。

表1 制圖與三維CAD技術(shù)融合教學(xué)安排表

裝配圖的識(shí)讀與測(cè)繪是制圖課程學(xué)習(xí)的重點(diǎn)與難點(diǎn)，與后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和就業(yè)需求息息相關(guān)。采用共同的教學(xué)載體(例如手壓閥)，同步學(xué)習(xí)三維CAD軟件裝配體的制作及其剖切、分解、二維裝配圖的生成方法。圖1為由三維軟件造型并裝配得到的手壓閥虛擬裝配模型和剖視立體圖、分解模型，圖2為手壓閥由裝配模型轉(zhuǎn)換并處理的二維工程圖。在融合式的教學(xué)過(guò)程中，重點(diǎn)訓(xùn)練學(xué)生的工程圖手繪能力和對(duì)圖形的表達(dá)能力，同時(shí)通過(guò)三維造型將手工圖表達(dá)的零部件或裝配體轉(zhuǎn)換為二維工程圖，以培養(yǎng)學(xué)生的圖形表達(dá)能力。

圖1 手壓閥三維模型

圖2 手壓閥裝配工程圖

教學(xué)過(guò)程中應(yīng)注重軟件規(guī)則與制圖國(guó)標(biāo)的融合，三維CAD建模軟件中工程圖的創(chuàng)建有其自身的算法和規(guī)則，有些地方與制圖國(guó)標(biāo)不一致，如圖線、字體、尺寸樣式、縱剖肋板按不剖處理及裝配圖中實(shí)心桿件不剖的規(guī)定畫(huà)法等。因此，必須貫徹執(zhí)行制圖標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的圖形表達(dá)能力。

融合式的教學(xué)使得制圖的教學(xué)效果明顯改善，而且為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)提供了有力的支持。例如在機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)中，師生都可利用已學(xué)過(guò)的三維CAD建模方法，對(duì)相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行建模，以便進(jìn)行工藝性分析、動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析等。這種教學(xué)模式的實(shí)施，提高了學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)能力，促進(jìn)了學(xué)生實(shí)際工作能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3 獨(dú)立式階段的教學(xué)設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)踐

根據(jù)機(jī)械類專業(yè)的特點(diǎn)，將“三維CAD技術(shù)”課程分成實(shí)體造型、裝配設(shè)計(jì)、工程圖制作、曲面設(shè)計(jì)、動(dòng)畫(huà)制作與機(jī)構(gòu)仿真分析六大模塊。其中，實(shí)體造型、裝配設(shè)計(jì)與工程圖制作三大模塊已與制圖課程融合進(jìn)行同步教學(xué)，而曲面設(shè)計(jì)、動(dòng)畫(huà)制作與機(jī)構(gòu)仿真分析模塊則作為補(bǔ)充的內(nèi)容在后續(xù)單獨(dú)展開(kāi)教學(xué)，以具有典型特征的工業(yè)產(chǎn)品作為教學(xué)載體，把水槽、煙斗、把手等作為曲面設(shè)計(jì)的教學(xué)載體，包括了基本特征曲面(填充曲面、拉伸曲面、旋轉(zhuǎn)曲面等)和高級(jí)特征曲面(掃描、混合、邊界混合曲面等)；把齒輪油泵、牛頭刨床作為動(dòng)畫(huà)制作、機(jī)構(gòu)仿真分析的教學(xué)載體，包括了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)和棘輪機(jī)構(gòu)類型，案例典型實(shí)用。具體教學(xué)內(nèi)容安排見(jiàn)表2。

高職院校培養(yǎng)的是應(yīng)用型人才，課程設(shè)置以“必需”、“夠用”為度，強(qiáng)調(diào)實(shí)踐性和應(yīng)用性，因此三維CAD技術(shù)的Creo軟件課程以上機(jī)操作指導(dǎo)課為主，共計(jì)60學(xué)時(shí)和2周綜合實(shí)踐，其中一半學(xué)時(shí)用于與制圖課程融合式的教學(xué)，另一半學(xué)時(shí)用于后續(xù)獨(dú)立式的教學(xué)。課程最后還設(shè)置綜合實(shí)踐項(xiàng)目和拓展性教學(xué)項(xiàng)目，主要讓學(xué)生進(jìn)行工業(yè)產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì),包括建模、裝配、制作工程圖、運(yùn)動(dòng)仿真等。這些項(xiàng)目工程應(yīng)用性強(qiáng)，能為學(xué)生可持續(xù)發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。學(xué)生通過(guò)系統(tǒng)性的訓(xùn)練，創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維能力和綜合設(shè)計(jì)能力顯著提高，同時(shí)加深了對(duì)三維CAD技術(shù)應(yīng)用的認(rèn)識(shí)，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

表2 “三維CAD技術(shù)”課程延續(xù)性的教學(xué)內(nèi)容安排表

4 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，學(xué)院深入開(kāi)展三維CAD技術(shù)與制圖課程的融合與延續(xù)的教學(xué)改革，實(shí)踐證明，學(xué)生在構(gòu)型、視圖表達(dá)、讀圖與繪圖等方面能力明顯提高。在全國(guó)職業(yè)技能大賽“工業(yè)產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造” 賽項(xiàng)和“高教杯”全國(guó)大學(xué)生先進(jìn)成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模創(chuàng)新大賽中碩果累累，多次榮獲團(tuán)體一、二等獎(jiǎng)，說(shuō)明該課程大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有效提升了學(xué)生的識(shí)圖與制圖水平，其三維建模能力和創(chuàng)新思維能力也明顯得到提高。