郭南初

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

1 現(xiàn)狀與需求

投影法是機(jī)械制圖用來(lái)表述設(shè)計(jì)思想的一種方式，由于這一思維過(guò)程過(guò)于抽象，因此，學(xué)生在理解和學(xué)習(xí)上有很大的困難。制造企業(yè)要提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，必須以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)力，以最短的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間為目標(biāo)，這就要求傳統(tǒng)機(jī)械制圖課程采用先進(jìn)成圖技術(shù)。

Autodesk Inventor是一款優(yōu)秀的三維可視化實(shí)體模擬軟件，它通過(guò)簡(jiǎn)化復(fù)雜三維模型的構(gòu)建而極大地縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。數(shù)字樣機(jī)的創(chuàng)建并仿真運(yùn)行，能有效驗(yàn)證產(chǎn)品的功能，并據(jù)此發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題。越來(lái)越多的企業(yè)正在使用這個(gè)工具，進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。無(wú)論是從認(rèn)識(shí)論出發(fā)還是從實(shí)踐論出發(fā)，在計(jì)算機(jī)三維實(shí)體模型中去感知三維實(shí)體，通過(guò)組合體構(gòu)型方法，逐步形成零件的三維模型，能有效培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力和創(chuàng)新能力，以此突破“機(jī)械制圖”課程學(xué)習(xí)的瓶頸。

2 條件與機(jī)遇

智能制造的三大主題之一就是“智能生產(chǎn)”[1]，而要實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)，其首要任務(wù)就是設(shè)計(jì)過(guò)程智能化，即利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)CAD是解決工程問(wèn)題的一種簡(jiǎn)化方法，智能CAD實(shí)質(zhì)就是在計(jì)算機(jī)處理過(guò)程中考慮各種復(fù)雜的工藝問(wèn)題，力圖在一種擬實(shí)環(huán)境下用計(jì)算機(jī)處理原來(lái)人工都難以解決的問(wèn)題。

由中國(guó)職業(yè)教育技術(shù)協(xié)會(huì)與歐特克公司發(fā)起的Inventor三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件的贈(zèng)送活動(dòng)，給機(jī)械制圖課程改革帶來(lái)了契機(jī)，Inventor尤其適合機(jī)械產(chǎn)品建模和機(jī)械零部件工程圖的快速生成。

3 實(shí)踐與思考

“機(jī)械制圖”課程主要任務(wù)是產(chǎn)品零部件建模和工程圖生成，包含的信息主要有結(jié)構(gòu)形狀特征、尺寸和幾何精度特征、材料特征、裝配特征等。結(jié)構(gòu)形狀特征表述零件的形狀結(jié)構(gòu)和大??；尺寸和幾何精度特征表述的是零件中包含的尺寸公差、表面粗糙度和幾何公差等非結(jié)構(gòu)信息；材料特征要求學(xué)生會(huì)根據(jù)需要選用相應(yīng)的材料；裝配特征包含裝配體中各零件的相對(duì)位置關(guān)系、裝配關(guān)系等。零件建模要利用參數(shù)化并從設(shè)計(jì)的角度進(jìn)行特征造型，這既是設(shè)計(jì)的需要，也便于學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤后進(jìn)行修改，還便于快速形成多個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較，尤其是在工程圖確定視圖表達(dá)方案時(shí)特別方便快捷，給教與學(xué)帶來(lái)了極大的便利。

課程改革后，將以產(chǎn)品為主線(xiàn)來(lái)進(jìn)行“機(jī)械制圖”課程的教學(xué)。以產(chǎn)品(機(jī)器部件)為主線(xiàn)的課程體系不再孤立地講授制圖知識(shí)，而是通過(guò)產(chǎn)品的零件或部件，將機(jī)械制圖的知識(shí)和技能與機(jī)械關(guān)聯(lián)知識(shí)有機(jī)融合，培養(yǎng)學(xué)生注重學(xué)科間的關(guān)聯(lián)意識(shí)，強(qiáng)調(diào)機(jī)械制圖國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的貫徹執(zhí)行，重視將學(xué)生的設(shè)計(jì)思想表現(xiàn)為工程制圖的能力。課程改革后，以課堂為中心的教學(xué)模式向以“運(yùn)用、探索、創(chuàng)新”為中心的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變—跟蹤前沿技術(shù)，培養(yǎng)企業(yè)用得上的人才。

文獻(xiàn)[2]在分析了中日機(jī)械制圖教材后指出，國(guó)內(nèi)課程體系以反映學(xué)科體系的邏輯性、知識(shí)系統(tǒng)的系統(tǒng)性為基調(diào)，課程基本知識(shí)、基本概念的內(nèi)容偏多，企業(yè)需求的實(shí)際應(yīng)用性的內(nèi)容不足，缺乏將機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械制圖有機(jī)融合的內(nèi)容，機(jī)械加工的知識(shí)與技能的介紹也不多。最近出版的制圖教材有以項(xiàng)目為主線(xiàn)進(jìn)行編排的，也有依據(jù)傳統(tǒng)思路進(jìn)行改編的，但在課程體系上都很少有大的改變。針對(duì)上述原因，基于多年的探索與實(shí)踐，將“機(jī)械制圖”課程的相關(guān)內(nèi)容做一調(diào)整和改革[3-4]。

1) 課程培養(yǎng)目標(biāo)：識(shí)讀和繪制零件圖與裝配圖。

2) 課程體系：由3個(gè)項(xiàng)目組成，每個(gè)項(xiàng)目可能包含5～15個(gè)任務(wù)。

3) 實(shí)現(xiàn)途徑：技能訓(xùn)練(多個(gè)任務(wù))和綜合實(shí)訓(xùn)(多個(gè)項(xiàng)目)。

4) 技能訓(xùn)練：測(cè)繪工具的使用與簡(jiǎn)單零件的測(cè)繪、手工繪圖和簡(jiǎn)單零件的計(jì)算機(jī)三維模型形成及由此生成工程圖。

5) 綜合實(shí)訓(xùn)：產(chǎn)品(部件或機(jī)器)的全套工程圖，鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

6) 課程協(xié)助：計(jì)算機(jī)繪圖助教團(tuán)隊(duì)(由教師和學(xué)生組成)；在線(xiàn)開(kāi)放課程。

7) 機(jī)械制圖課程的職業(yè)定義是：使用繪圖儀器、設(shè)備(計(jì)算機(jī)和打印機(jī))，根據(jù)工程或產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案、草圖和技術(shù)性說(shuō)明，繪制其零件圖、裝配圖及其他技術(shù)圖樣[2]。

筆者通過(guò)四年多的實(shí)踐與探索，優(yōu)化后的課程體系如表1所示。整個(gè)課程以常見(jiàn)的軸承拆卸器為項(xiàng)目載體來(lái)實(shí)施教學(xué)。學(xué)生利用三維造型軟件(蘇州市職業(yè)大學(xué)使用的是歐特克公司的Inventor軟件)進(jìn)行積木的搭建(即三維建模)，積木搭建完成后再進(jìn)行必要的機(jī)械制造處理，如鉆空、形成螺紋、銷(xiāo)孔及鍵槽的生成以及其他機(jī)械結(jié)構(gòu)的加工處理，當(dāng)然這一切都是按尺寸完成的(也可以再修改)，完成的尺寸帶有尺寸公差，也就是說(shuō)完成的三維模型是有尺寸公差要求的。

表1 課程內(nèi)容、課時(shí)分配與說(shuō)明

學(xué)生在完成前五章的學(xué)習(xí)后即可順利完成中等復(fù)雜程度的零件建模，如圖1所示。這是學(xué)生完成的軸承拆卸器橫梁三維模型。待學(xué)生完成第六章后，學(xué)生就可以根據(jù)前六章所學(xué)的內(nèi)容輕松完成該零件的工程圖，如圖2所示。而且這些表達(dá)方案可隨時(shí)和教師溝通，修改能即刻完成，這正是零件圖視圖表達(dá)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是零件視圖表達(dá)的精髓之一。

圖1 橫梁三維模型

圖2 橫梁工程圖

4 檢驗(yàn)與成效

課程按現(xiàn)有的內(nèi)容和順序進(jìn)行教學(xué)，借助在線(xiàn)開(kāi)放課程，可以很好地實(shí)現(xiàn)因材施教。課堂上教師只講授最基本的東西，項(xiàng)目任務(wù)則是在教師的輔導(dǎo)下由學(xué)生自己完成，項(xiàng)目按難易程度分為五級(jí)(初級(jí)、中級(jí)、高級(jí)、拓展級(jí)、提高級(jí))，前面兩個(gè)級(jí)別是每個(gè)學(xué)生都必須完成的，后面三個(gè)級(jí)別則可以由學(xué)生選擇完成。因此在課堂上，每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度是不同的，教師可以因人而異和因材施教。水平不同的學(xué)生可以學(xué)得快點(diǎn)或慢點(diǎn)，因?yàn)榭梢噪S時(shí)網(wǎng)上咨詢(xún)，教師可以隨時(shí)提供技術(shù)咨詢(xún)，水平不同的學(xué)生有不同的課程進(jìn)度。這樣的教學(xué)方法有點(diǎn)類(lèi)似于駕照的學(xué)習(xí)，考核方式也按類(lèi)似駕照考試項(xiàng)目過(guò)關(guān)的方式進(jìn)行。

初級(jí)、中級(jí)項(xiàng)目按傳統(tǒng)的教學(xué)模式實(shí)施，其余項(xiàng)目則要求學(xué)生按工作任務(wù)來(lái)實(shí)施。

改革成效分析：參加考試人數(shù)44人，2個(gè)改革班每班抽取8人，使用Inventor繪圖；6個(gè)常規(guī)班每班抽取4人，使用Autocad繪圖；外加4位來(lái)自常規(guī)班手工繪圖的學(xué)生。比較考試共進(jìn)行了兩次，兩次比較考試試題如下：

1) 學(xué)生可以選擇各種繪圖方法完成閥體的工程圖；時(shí)間90 min，手工繪圖使用A3紙。

2) 根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)形狀，選擇表達(dá)方案，畫(huà)出閥體工程圖。制圖要求為：①加工的表面粗糙度3.2～ 6.3 μm，其余表面鑄造直接獲得。②材料：HT200。③名稱(chēng)：閥體。④未注鑄造圓角R2-R3。⑤倒角C1。

圖3 考試題1

圖4 考試題2

表2 第一次成績(jī)與用時(shí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表3 第二次成績(jī)與用時(shí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

考試成績(jī)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2、表3所示。

由表2、表3可以看出，通過(guò)教學(xué)方法和手段的改革后，教學(xué)效果明顯優(yōu)于常規(guī)教學(xué)效果。

此外，學(xué)生在表達(dá)設(shè)計(jì)思想的能力、創(chuàng)新能力方面成效顯著。在一年級(jí)的課程學(xué)習(xí)期間，改革班級(jí)每年都有不少于四項(xiàng)實(shí)用新型專(zhuān)利申報(bào)，其中有兩項(xiàng)專(zhuān)利還成功授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利。

從企業(yè)調(diào)研顯示，通過(guò)“機(jī)械制圖”課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生畢業(yè)后可以勝任以下工作：能進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品零部件的設(shè)計(jì)、分析、制圖；能對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行解釋及提供技術(shù)指導(dǎo)；能按照現(xiàn)有的技術(shù)規(guī)范完成機(jī)械產(chǎn)品的圖紙標(biāo)準(zhǔn)化等工作。眾所周知，學(xué)生要順利將自己的設(shè)計(jì)思想表達(dá)出來(lái)就必須熟練掌握和使用機(jī)械制圖的知識(shí)和技能，若按現(xiàn)有“機(jī)械制圖”課程體系進(jìn)行教學(xué)，不論采用項(xiàng)目教學(xué)還是任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)形式，學(xué)生完成課程的學(xué)習(xí)后都很難將自己的設(shè)計(jì)思想表達(dá)出來(lái)。在機(jī)械制圖課程的教學(xué)改革中，通過(guò)引入現(xiàn)代成圖技術(shù)，不僅學(xué)生學(xué)習(xí)的痛苦指數(shù)明顯下降，學(xué)習(xí)熱情顯著提高，而且還能很好地將自己的設(shè)計(jì)思想表達(dá)出來(lái)。

參考文獻(xiàn)：

[1]森德勒 烏爾里希.工業(yè)4.0[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014：2-18.

[2]舒 宏，胡清泥，高 菲.中日機(jī)械制圖教材的比較及對(duì)教學(xué)改革的啟示[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2010(4)：166-171.

[3]胡宜鳴，孟淑華，王丹虹.機(jī)械制圖課程內(nèi)容、體系改革的研究與實(shí)踐[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2003(1)：123-127.

[4]張 瑩，周勝飛，婁玉印.淺談《機(jī)械制圖》與計(jì)算機(jī)二維、三維繪圖“三位一體化”教學(xué)改革[J].輕工科技，2015(4)：177-178.