機械制圖測繪課程“四位一體”的教學(xué)改革研究

蘇金英，高小慶

（湖南有色金屬職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，湖南 株洲412006）

0 引言

機械制圖測繪是一門實踐教學(xué)課程，其教學(xué)目的是鞏固所學(xué)的機械制圖理論知識，進(jìn)一步提高繪圖和讀圖能力，以培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識解決實際問題的能力和創(chuàng)新能力，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定堅實的基礎(chǔ)。機械制圖測繪在設(shè)備維修、改造、仿制、技術(shù)資料完善等方面具有重要的實踐的意義，是機械工程技術(shù)人員必須掌握的職業(yè)技能。

1 問題的提出

制圖測繪課程在國內(nèi)誕生到現(xiàn)在已有30年歷史，但現(xiàn)有制圖測繪教學(xué)仍以傳統(tǒng)教學(xué)方式為主[1]。傳統(tǒng)制圖測繪對學(xué)生要求一般如下：（1）了解測繪模型的工作原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)；（2）正確拆裝測繪模型；（3）選用合適測量工具測量零件，徒手繪制草圖；（4）尺規(guī)繪制工程圖樣。上述教學(xué)目標(biāo)自開設(shè)制圖測繪課程以來一直如此，幾十年未曾改變。

隨著信息技術(shù)、數(shù)字技術(shù)的迅猛發(fā)展，機械行業(yè)的設(shè)計手段和制造手段均發(fā)生了翻天覆地的變化。企業(yè)作為用人的終端單位，對各崗位從業(yè)人員的職業(yè)技能要求也在不斷發(fā)生變化。高職院校作為高技能人才的主要供給側(cè)，如不與時俱進(jìn)、積極開展教研教改，就會出現(xiàn)“專業(yè)課程內(nèi)容與職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)脫節(jié)，教學(xué)過程與生產(chǎn)過程脫節(jié)”，導(dǎo)致輸出的人才與社會需求脫節(jié)。傳統(tǒng)的制圖測繪課程要求學(xué)生尺規(guī)作圖，事實上，得益于CAD技術(shù)的強勁來襲，我國幾乎所有工程技術(shù)人員在2000年前后已“甩掉圖板”，采用計算機進(jìn)行輔助繪圖和輔助設(shè)計，與此同時，計算機二維繪圖能力及三維建模能力已悄然成為企業(yè)用人的基本要求。近年來，美國一些高校加強了徒手草圖和三維構(gòu)型建模的教學(xué)內(nèi)容[2]，去掉了尺規(guī)作圖訓(xùn)練。

鑒于傳統(tǒng)制圖測繪教學(xué)的種種弊端，本文提出了“徒手草圖、計算機二維繪圖、三維建模技術(shù)、3D打印技術(shù)”四位一體的融合式教學(xué)改革（具體見圖1），力求實現(xiàn)“專業(yè)課程內(nèi)容與職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對接，教學(xué)過程與生產(chǎn)過程對接”，以期輸出與時代需求相匹配的制圖測繪人才。

圖1 機械制圖測繪課程“四位一體”教學(xué)改革

2 構(gòu)建“四位一體”的教學(xué)內(nèi)容

2.1 加強徒手草圖能力訓(xùn)練

徒手草圖具有成圖速度快、不受場地限制等顯著特點。只需一支筆、一張紙便可順利表達(dá)自己的設(shè)計構(gòu)想。在徒手繪制草圖的過程中，繪圖人員忽略繪圖工具的影響，將思維集中到零件的結(jié)構(gòu)分析、圖形的表達(dá)方法研究中。因此，通過徒手草圖的訓(xùn)練學(xué)習(xí)，可以有效培養(yǎng)學(xué)生對于方向、空間的認(rèn)知能力，并提高二維工程圖與三維實體相互轉(zhuǎn)換的空間思維能力及思維速度。

徒手草圖在工程實踐領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，如有些急需加工生產(chǎn)的零件，由于任務(wù)的緊急性，沒有時間繪制完整的工程圖樣，可用徒手草圖予以表達(dá)；技術(shù)人員在現(xiàn)場調(diào)研、參觀學(xué)習(xí)或靈感突現(xiàn)，需要迅速記錄或表達(dá)設(shè)計構(gòu)想，也可用徒手草圖做記錄。與他人進(jìn)行技術(shù)交流時，往往也需要通過徒手繪制的草圖來表達(dá)自己的設(shè)計構(gòu)想。其次“徒手繪圖是一種發(fā)現(xiàn)行為，是對視覺思維能力、想象創(chuàng)造能力、圖形表達(dá)能力的有機結(jié)合”[3]。在徒手繪圖的過程中繪圖人員的發(fā)現(xiàn)、思考以及手、眼、腦的互動被強調(diào)，是培養(yǎng)學(xué)生形象化思維、設(shè)計分析及開拓創(chuàng)新思維的有效方法和途徑。制圖測繪是徒手草圖學(xué)習(xí)的深入，更是訓(xùn)練徒手草圖能力最合適的課程。

學(xué)生在開始徒手繪制草圖時，因缺乏相關(guān)驗，對線段長度、線段角度目測估算不準(zhǔn)確等問題異常突出。因此，建議先讓學(xué)生在帶有柵格的方格紙上徒手繪制草圖，然后逐漸脫離方格紙，進(jìn)行完全徒手草圖的訓(xùn)練。

2.2 計算機二維繪圖代替尺規(guī)繪圖

一直以來，尺規(guī)繪圖貫穿于傳統(tǒng)的制圖測繪全過程。多年的教學(xué)實踐表明：在制圖測繪過程中，學(xué)生們消耗在尺規(guī)作圖的時間往往達(dá)測繪總課時的40%～60%，然即便如此，尺規(guī)作圖仍未達(dá)到最初的教學(xué)目標(biāo)。首先，學(xué)生知道尺規(guī)繪圖方式在企業(yè)已完全被計算機繪圖取代，內(nèi)心深處抵觸尺規(guī)繪圖，學(xué)習(xí)態(tài)度就不端正。但迫于老師要求或需通過這門課程的考核，只好敷衍了事，有的甚至將其他同學(xué)已畫好的圖拿過來，“依葫蘆畫瓢”生硬地抄襲一遍，純粹為“繪圖”而“繪圖”。以至于圖雖然畫完了，卻不知道圖為什么要這么畫，表達(dá)的是什么內(nèi)容，其次，由于大部分同學(xué)們尺規(guī)作圖不熟練，作圖速度慢，有的同學(xué)因繪圖比例定得不恰當(dāng)或視圖布局不合理導(dǎo)致圖形超出圖幅范疇又重新繪制，既影響了作圖效率，又耗費了大量時間。在作圖過程中，因各種原因，多數(shù)同學(xué)都有對局部圖形“擦了改，改了擦”的改圖經(jīng)歷，不僅影響圖面的整潔，同時也延緩了整個課程的學(xué)習(xí)進(jìn)程。再者，學(xué)生在尺規(guī)繪圖的過程中，過分關(guān)注線條的均勻度，圖面的整潔度，容易忽視對零件設(shè)計、工藝結(jié)構(gòu)、尺寸標(biāo)注合理性等方面知識的理解和綜合運用[4]。

早在1992年，我國就開始實施“CAD應(yīng)用工程計劃”。國家教委在九五規(guī)劃中提出要求全國重點高等工科院校在九五末基本甩掉圖板，省屬地方高等工科院校也應(yīng)根據(jù)省情和各校特點擬定實施可行的改革方案以求逐步實現(xiàn)甩圖板的教改目標(biāo)[5]。CAD技術(shù)應(yīng)用于機械工程設(shè)計中最早也是最基礎(chǔ)的功能就是輔助繪圖[6]，至今用計算機輔助繪圖已儼然成為工程實踐領(lǐng)域的常態(tài)。其完善的繪圖功能和強大的編輯功能大大提高了繪圖效率，學(xué)生無須再糾結(jié)線條的質(zhì)量，圖面的整潔等，而是擁有更多的時間去關(guān)注和思考測繪零件及所繪圖形的本身，如零件的結(jié)構(gòu)、零件的表達(dá)方法、視圖的合理性等。

計算機繪圖和尺規(guī)作圖對當(dāng)下的機械工程技術(shù)人員來說，前者猶如硬筆寫字，不可或缺；后者猶如軟筆寫字，錦上添花。

2.3 增加三維建模技術(shù)

高職院校的學(xué)生普遍來講，自信心不足，依賴思想嚴(yán)重。在制圖測繪課程中，學(xué)生面對自己繪制的工程圖樣是否正確心存疑慮，常常完全依賴?yán)蠋煹呐唩砑m錯。如果有讓學(xué)生通過某種方式能多方位地自主檢查工程圖樣的視圖錯誤，不但可以讓學(xué)生從中體會到自我發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的樂趣，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)的能力，更能增加學(xué)習(xí)信心。三維建?？汕〉胶锰幍亟鉀Q上述問題。

學(xué)生依據(jù)自己繪制的工程圖樣進(jìn)行三維建模，模型建好之后，將計算機里的三維模型與被測繪的零件比較，檢查修改確認(rèn)后，導(dǎo)出相應(yīng)的工程圖，再比較由三維模型導(dǎo)出的工程圖與事先繪制的工程圖樣的一致性，檢查修改。期間反復(fù)比較，反復(fù)思考，可有效修正前面實踐環(huán)節(jié)中的視圖表達(dá)等錯誤。其實質(zhì)是從多個角度自我檢查繪制的工程圖樣的正確性，目的是保證學(xué)生繪制的工程圖樣能真正表達(dá)被測繪的零件。在這個過程中，學(xué)生的讀圖能力、繪圖能力、三模建模能力、觀察能力、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)都得到了很好的訓(xùn)練。另可進(jìn)行三維虛擬裝配，進(jìn)一步了解各零部件之間的裝配關(guān)系。有興趣的同學(xué)還可嘗試運動仿真。

筆者不建議“實物（測繪模型）→三維虛擬模型→工程圖”，即以被測零件為依據(jù)進(jìn)行三維建模，再用三維模型導(dǎo)出的工程圖呈現(xiàn)為制圖測繪的最終工程圖樣。這樣看似走了一條捷徑，其實不然。本應(yīng)由學(xué)生自主完成的三維到二維的轉(zhuǎn)換現(xiàn)由三維軟件代替完成了，學(xué)生的視圖表達(dá)能力、空間思維能力均未得到很好的訓(xùn)練。機械制圖測繪課程一般是安排在機械制圖理論課程結(jié)束后的教學(xué)周，此階段正是學(xué)生空間思維能力得以鞏固和加強的最佳時期。一旦學(xué)生感受到由三維模型導(dǎo)出工程圖帶來的便捷，便會疏于三維到二維的視圖表達(dá)思考。久而久之，削弱了讀圖和繪圖能力。以至于嚴(yán)重依賴三維建模導(dǎo)出的工程圖樣，造成“沒有三維建模軟件，就無法繪制工程圖樣”的尷尬局面。在機械制造行業(yè)，有企業(yè)要求在生產(chǎn)藍(lán)圖的右下角添加三維圖，其用意是幫助想象實體的形狀和結(jié)構(gòu)而不是其它，指導(dǎo)生產(chǎn)用的藍(lán)圖始終是二維工程圖樣。二維工程圖樣不僅在表達(dá)上比三維更清楚和準(zhǔn)確，易于標(biāo)注尺寸、尺寸公差、形狀和位置公差、表面粗糙度等技術(shù)要求[7]，同時也是重要的技術(shù)文檔。具備識讀和繪制二維工程圖樣的能力是教學(xué)的基本要求，也是機械工程技術(shù)人員必備的實踐能力。其次，但凡有三維軟件使用經(jīng)驗的人都深有體會，由其直接導(dǎo)出的工程圖是不能拿來即用的，必須加以修改完善才可作為指導(dǎo)生產(chǎn)用的藍(lán)圖樣本。

2.4 引入3D打印技術(shù)

在傳統(tǒng)的機械制圖測繪課程中學(xué)生的最終成果是圖樣，終歸屬“紙上談兵”。依據(jù)學(xué)生繪制的圖紙進(jìn)行生產(chǎn)加工，能否制作出合格的零部件，不得而知。而這恰是工程實踐領(lǐng)域最為關(guān)心的問題。

3D打印技術(shù)具有仿真性強、速度快、價格便宜、高易用性等優(yōu)點，是對傳統(tǒng)制造業(yè)的顛覆性變革[8]。實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，在機械制圖測繪課程中引入3D打印技術(shù)，讓學(xué)生通過3D打印機將零件模型打印出來，并進(jìn)行組裝，是對學(xué)生測繪成果的實踐檢驗。由于學(xué)生工作經(jīng)驗的缺乏，在公差等級選擇，測繪數(shù)據(jù)處理等細(xì)節(jié)方面考慮欠妥。組裝模型過程中可能會現(xiàn)配合間隙不合適，安裝孔位錯位等問題，甚至好不容易組裝好，功能又不能滿足使用要求。這些問題是工程實踐領(lǐng)域經(jīng)常出現(xiàn)的問題，3D打印技術(shù)的引入讓學(xué)生提到遇到這些工程實際問題，他們在通過對組裝模型與測繪模型的比較、觀察、思考中查找原因、解決問題、修配模型、修改圖紙、總結(jié)經(jīng)驗、甚至嘗試結(jié)構(gòu)或工藝的技術(shù)改進(jìn)，逐步優(yōu)化、完善自己的測繪成果。這種逼真的工程實踐體驗，極大提高了學(xué)生分析問題、解決問題的能力。為日后在工作中解決同類問題積累了實踐經(jīng)驗。其次，學(xué)生親眼見證自己繪制的圖紙變成了實物，成就感油然而生，滿心喜悅享受自己的學(xué)習(xí)成果，增加了學(xué)習(xí)樂趣，激發(fā)了學(xué)習(xí)熱情。

3 構(gòu)建“四位一體”的教學(xué)實施方案

按2周教學(xué)周計算，機械制圖測繪學(xué)時分配如表1所示。

表1 機械制圖測繪學(xué)時分配

前一項目的完成質(zhì)量直接影響后一項目的完成質(zhì)量。教師一定要加強全程督促和指導(dǎo)，及時有效地解決學(xué)生遇到的問題。機械測繪課程一般

由一個老師授課，按每學(xué)生6張草圖計算，全班有約兩百張草圖。讓學(xué)生等待老師在短時間內(nèi)批改完所有草圖后再畫工程圖樣是不現(xiàn)實的，建議學(xué)生將草圖拍照發(fā)給老師。這樣，學(xué)生在繪制工程圖樣的同時，老師在批閱草圖，草圖中的發(fā)現(xiàn)問題及時提醒學(xué)生，以便學(xué)生在繪制工程圖樣時進(jìn)行更正。

學(xué)生在機房繪制工程圖樣或三維建模，為防止學(xué)生之間相互拷貝作業(yè)，可借助相應(yīng)的“防拷貝檢測系統(tǒng)”[9]來予以判斷，并遵循“拷貝零容忍”的成績評定原則。一旦發(fā)現(xiàn)拷貝他人圖紙，則該項目成績計零分?！?/p>

三維建模階段，同組內(nèi)成員需分工合同，齊心協(xié)力以最快的速度完成所有零件的三維建模。3D打印以組為單位，每組打印一套零件模型組裝。

4 構(gòu)建“四位一體”的考核方案

考核方案應(yīng)科學(xué)、合理、公平，操作性強?？己隧椖繎?yīng)覆蓋機械制圖測繪的全過程，兼顧知

識目標(biāo)、能力目標(biāo)、職業(yè)素養(yǎng)目標(biāo)。具體見表2.

表2 考核方案

5 結(jié)語

依據(jù)新的職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，從實際生產(chǎn)出發(fā)，在機械制圖測繪課程中實行“徒手草圖、計算機二維繪圖、三維建模、3D打印技術(shù)”四位一體的融合式教學(xué)改革，去掉了尺規(guī)作圖，強化了徒手草圖、計算機二維繪圖及三維建模等職業(yè)技能力的訓(xùn)練，3D打印技術(shù)的引入將學(xué)生的測繪成果實物化，對其測繪成果進(jìn)行了實踐檢驗。四位一體的有效融合成功實現(xiàn)了機械制圖測繪全過程的“由物到圖再到物”的閉環(huán)控制（具體見圖1），不僅有效提高了學(xué)生的讀圖和繪圖能力，而且培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、解決問題的能力，對培養(yǎng)適合時代需求的機械制圖測繪人才具有重要的現(xiàn)實意義。