蔣麒麟

（南京工程學院 機械學院，江蘇 南京 211167）

《機械制圖》一直是我國高校機械類專業(yè)本科階段必修的重點課程之一，其屬于專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，具有較強的工程特點，實踐性要求較高。隨著時代的發(fā)展與科技的進步，《機械制圖》教學中存在的不足和問題引起了廣大高校教育工作者和企業(yè)的關(guān)注與重視，人們紛紛提出各種改革的觀點和設(shè)想。筆者根據(jù)多年的教學經(jīng)驗，建議面向數(shù)字化制造，進行教學改革。

1 課程教學的現(xiàn)狀與不足之處

《機械制圖》課程內(nèi)容一般主要由五個部分組成：制圖基礎(chǔ)、投影理論、表達方法、機械圖樣及計算機繪圖軟件應(yīng)用。制圖基礎(chǔ)部分主要是制圖國家標準知識的介紹；投影理論部分主要研究空間幾何元素與平面圖形按照“長對正、高平齊、寬相等”的投影規(guī)律作相互轉(zhuǎn)換；表達方法部分主要介紹視圖、剖視圖、斷面圖等機件的常用畫法；機械圖樣部分主要介紹零件圖、裝配圖及部分機械標準件與常用件的畫法；計算機繪圖軟件應(yīng)用部分一般介紹AutoCAD或CAXA等低端CAD軟件。在教學目標、教學內(nèi)容、教學方法、教學模式四個方面，該課程的教學現(xiàn)狀與不足之處如表1所示。

2 數(shù)字化制造的內(nèi)涵

數(shù)字化制造是指在數(shù)字化技術(shù)和制造技術(shù)相融合的背景下，在虛擬現(xiàn)實、計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫和多媒體等支撐技術(shù)的輔助下，根據(jù)用戶的需求，收集資源信息，對產(chǎn)品幾何信息、工藝信息和資源信息進行分析、規(guī)劃和重組，實現(xiàn)對產(chǎn)品設(shè)計、功能仿真和原型制造，進而快速生產(chǎn)出滿足用戶需求的產(chǎn)品的整個制造過程。

表1 《機械制圖》課程的教學現(xiàn)狀與不足之處

數(shù)字化制造將信息技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計、制造以及管理等產(chǎn)品全生命周期之中，以達到提高制造效率和品質(zhì)，降低制造工時和成本、實現(xiàn)敏捷響應(yīng)市場的目的。數(shù)字化制造是制造技術(shù)，計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與管理科學的交叉、融合、發(fā)展與應(yīng)用，是制造過程的數(shù)字化，也是制造企業(yè)、制造系統(tǒng)與產(chǎn)品設(shè)計制造過程、產(chǎn)品全生命周期不斷實現(xiàn)數(shù)字化的必然結(jié)果，其主要內(nèi)容包括計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助工程分析（CAE）、計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助工藝規(guī)劃（CAPP）、產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫管理（PDM）、企業(yè)資源計劃（ERP）、逆向工程（RE）和快速成型（RP）等。

數(shù)字化制造不僅是若干現(xiàn)代高新技術(shù)的綜合，也是一種制造理念，一種制造模式，更是制造業(yè)領(lǐng)域發(fā)展邁進的一種必然趨勢。

3 數(shù)字化制造對課程的基本要求

在數(shù)字化制造過程中，機械圖樣不僅要被“畫”到計算機里，而且還要把圖形的各種數(shù)據(jù)信息，以合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲到計算機里，并且能夠為各種工程應(yīng)用提供模型基礎(chǔ)?，F(xiàn)代機械圖樣,就其本質(zhì)來說,其是“數(shù)”而非“圖”，因為，其是以軟件為載體,包涵著實體的三維幾何信息、拓撲結(jié)構(gòu)和物理特征,通過計算機軟件及其支撐系統(tǒng)的處理,在顯示屏幕上得到虛擬“實體”的“圖像”，作為技術(shù)人員進行設(shè)計、修改、檢查、分析與處理的依據(jù)[2]。基于數(shù)字化制造技術(shù)建立的三維幾何與資源數(shù)據(jù)庫，將構(gòu)思設(shè)計、幾何造型、虛擬樣機、裝配檢查、工藝文件編制、數(shù)控加工等全過程由數(shù)據(jù)信息并行傳遞。產(chǎn)品開發(fā)不僅包含幾何建模，還要有力學分析、運動分析、仿真分析以及工藝安排、制造方法、測量測試等設(shè)計與制造一體化工作。在數(shù)字化制造技術(shù)的推動下，現(xiàn)代生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變?yōu)?需求分析—構(gòu)思產(chǎn)品—計算機三維造型—計算機輔助分析—虛擬制造與裝配—數(shù)控加工刀軌生成—生產(chǎn)檢驗。

機械圖樣是機械工程技術(shù)人員交流的語言，貫穿產(chǎn)品的構(gòu)思、設(shè)計、分析、制造、管理等產(chǎn)品全生命周期。熟練地繪制與閱讀現(xiàn)代機械圖樣是《機械制圖》課程的基本教學目標；具備現(xiàn)代設(shè)計與制造理念及相關(guān)能力是數(shù)字化制造對《機械制圖》課程教學的基本要求。

4 課程教學改革的具體措施

根據(jù)前面的分析，筆者建議面向數(shù)字化制造進行教學改革，教改措施與特點如表2所示。

表2 《機械制圖》課程的教改措施與特點

4.1 教學目標的改革

在教學目標方面，筆者建議三點：

（1）增強構(gòu)型設(shè)計能力。

（2）增強徒手繪圖能力。

（3）增強中高端數(shù)字化制造軟件應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

形體的構(gòu)型設(shè)計是創(chuàng)造性設(shè)計的重要表達形式。構(gòu)型設(shè)計教育是一種關(guān)于創(chuàng)造的教育，其教學目標是培養(yǎng)學生機構(gòu)形體設(shè)計的創(chuàng)造性，這是培養(yǎng)學生形象與邏輯思維能力的關(guān)鍵，也是培養(yǎng)學生工程意識、工程素養(yǎng)以及創(chuàng)新能力的關(guān)鍵。在學生創(chuàng)造性構(gòu)型設(shè)計能力培養(yǎng)中，應(yīng)重點突出三維形體的造型能力[3]。

徒手繪圖是計算機和尺規(guī)無法替代的繪圖方式，也是表達設(shè)計創(chuàng)意、交流設(shè)計思想的有效工具，對于培養(yǎng)學生觀察能力、動手能力以及空間想象能力起著重要的作用，其特點是心想、手到、速成，有利于學生捕捉設(shè)計靈感、啟發(fā)設(shè)計思維。有了計算機繪圖以后，這一方面顯得尤其突出和重要。徒手繪圖應(yīng)貫穿于該課程教學的始終[4]。

脫離具體軟件的數(shù)字化制造是沒有意義的，掌握主流的數(shù)字化制造軟件是必須的。在繪制平面圖形方面，AutoCAD或CAXA具有一定的優(yōu)勢，而在數(shù)字化制造領(lǐng)域，它們則顯得捉襟見肘：三維實體造型能力不足、無法做到參數(shù)化的全相關(guān)尺寸處理、缺少工程輔助分析模塊、沒有數(shù)控加工后置處理功能。因此，Catia、Pro/E、UG、MasterCAM、Inventor等一些數(shù)字化制造領(lǐng)域應(yīng)用較廣的中高端計算機軟件應(yīng)被引入《機械制圖》課程的教學之中。

4.2 教學內(nèi)容的改革

在教學內(nèi)容方面，筆者建議四點：

（1）投影理論以“體”為中心。

（2）擴大表達方法的范圍。

（3）三維為主、二維為輔的機械圖樣繪制與閱讀。

（4）數(shù)字化制造基礎(chǔ)知識的介紹。

投影理論是前人在長期實踐中創(chuàng)造并不斷完善的一種實用圖示方法，前人用這種方法表達了設(shè)計者的思想、傳遞了科技發(fā)展的成果，至今仍發(fā)揮著巨大的作用。但是，它是手工繪圖時代的產(chǎn)物，雖然其對于開發(fā)人的智力、培養(yǎng)與發(fā)展空間思維與想象力起到了一定的作用，但是，以點、線、面、體為順序和基礎(chǔ)的畫法幾何學把原本直觀的的立體抽象化了，畫圖和讀圖始終處在一個抽象思維的環(huán)境之中，會使得學生更加迷惑。按照人類認知規(guī)律，在三維空間中去直接認識和感知幾何形體，才是發(fā)展和提高空間想象力的最好方法。所以，投影理論應(yīng)以“體”為中心，面、線、點作為輔助和補充。

國家標準里規(guī)定的視圖、剖視圖、斷面圖等若干表達方法作為《機械制圖》課程的主要教學內(nèi)容無可非議，但是，其他一些表達方法，包括軸測圖、透視圖、展開圖等，也應(yīng)納入該課程的教學范圍。表達方法的寬泛性有助于設(shè)計思維的拓展，如軸測圖、透視圖在提高形象思維能力和表達設(shè)計理念方面功不可沒，而在特定機械行業(yè)，如鈑金制造業(yè)，展開圖的作用則非常明顯[5]。

與傳統(tǒng)的以二維視圖表達產(chǎn)品的設(shè)計相比，從三維構(gòu)形開始的設(shè)計更符合人的設(shè)計思維邏輯。隨著計算機造型與輔助設(shè)計能力的日益提高，產(chǎn)品的設(shè)計過程常常是從三維構(gòu)形開始的。因此應(yīng)從三維設(shè)計開始，圍繞數(shù)字化制造這一主題，從形體的三維構(gòu)形和表達出發(fā)，向二維視圖輻射，同時突出多種視覺表達方式在設(shè)計和加工過程中的綜合應(yīng)用。

作為一門技術(shù)基礎(chǔ)課，在《機械制圖》教學中，一些數(shù)字化制造的基本概念與基礎(chǔ)知識應(yīng)作一些簡單的介紹，讓學生了解一定的專業(yè)入門知識，如現(xiàn)代設(shè)計與制造的理念、尺寸驅(qū)動的參數(shù)化建模、形狀特征對應(yīng)的典型加工方法、數(shù)控加工前置與后置處理等。這對于學生后續(xù)專業(yè)課程的學習也奠定了一定的概念基礎(chǔ)。

4.3 教學方法的改革

在教學方法方面，筆者建議：在講授法、練習法的基礎(chǔ)上，融合討論法、參觀法、案例法等多種教學方法。

在《機械制圖》教學中，傳統(tǒng)的教學方法是講授法和練習法：理論部分教師講解，一定的課時讓學生來動手練習。雖然在知識傳遞和能力培養(yǎng)方面，兩種方法具有一定的積極作用，但是對于師生之間的充分交流、學生創(chuàng)新能力的訓練、學生學習興趣的產(chǎn)生、學生動手實踐能力的提高等方面，傳統(tǒng)的教學方法顯得力不從心。

針對具體的教學內(nèi)容，如表達方法的綜合應(yīng)用部分，應(yīng)采用討論法教學，拓展學生思路，不拘泥于狹窄的、甚至單一的思維空間，鼓勵和促進學生充分的思考和討論；如基本體與組合體部分，應(yīng)采用參觀法教學，引領(lǐng)學生參觀實體的和虛擬的（網(wǎng)絡(luò)）制圖模型室（庫），在完成對形狀各異、品種繁多的立體模型參觀之后，感性認識與視覺觀察力自然得到了提高；如裝配圖部分，應(yīng)采用案例法教學，教師將實際的設(shè)計開發(fā)類課題引入課程教學，或者把課題分解成多個子課題，交給多個小組，雖然學生缺乏足夠的工程應(yīng)用知識與能力，距離課題完成的總體目標相距甚遠，但是學生在查閱資料、綜合分析、構(gòu)型設(shè)計、繪制圖樣、作品展示等工作過程中，他們的自主學習能力、綜合表達能力、實踐動手能力和溝通技巧、團隊協(xié)作精神都會得到一定的訓練和培養(yǎng)。

4.4 教學模式的改革

在教學模式方面，筆者建議：更新傳統(tǒng)面授教學，采用循環(huán)動態(tài)教學模式。

在傳統(tǒng)的教學模式中，教師決定著教學方向和內(nèi)容，掌握著教學進程、方法和結(jié)果，雖然有時也要求發(fā)展學生的主觀能動性，但學生更多地是處在一個被動接受的位置，因此傳統(tǒng)的教學過程實質(zhì)上是一個以“教”為主導的過程。

循環(huán)動態(tài)教學模式以建構(gòu)主義學習理論為基礎(chǔ)，采用協(xié)作學習的結(jié)構(gòu)化模型，在數(shù)字化校園平臺之上，通過對多種教學媒體信息的選擇與組織來反映教學過程和教學策略。在循環(huán)動態(tài)教學模式中,學生不再是被動地接受課程教學信息,而是主動地參與教學過程,他們采用新穎而熟練的現(xiàn)代學習方法,對知識進行提取、整合、再創(chuàng)造,并作為自身的學習成果。因此，循環(huán)動態(tài)教學模式強調(diào)的重點體現(xiàn)在學生的學習上，而不是教師的講課上，體現(xiàn)在名副其實地改變學生的學習方式，實現(xiàn)真正意義上的、以培養(yǎng)學生探索精神和創(chuàng)新能力為目的的“交互式學習”和以培養(yǎng)學生協(xié)作精神和溝通能力為目的的“合作式學習”[6]。

循環(huán)動態(tài)教學模式基本框架如圖1所示。

圖1 循環(huán)動態(tài)教學模式基本框架

5 結(jié)束語

在機械工程領(lǐng)域，數(shù)字化制造正朝著網(wǎng)絡(luò)化、集成化、智能化的方向發(fā)展，作為重要制造信息載體的機械圖樣，理應(yīng)與數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展趨勢相適應(yīng)，為現(xiàn)代化生產(chǎn)提供先進、實時、可靠的基礎(chǔ)信息。熟練地繪制與閱讀現(xiàn)代機械圖樣是《機械制圖》課程的基本教學目標，該課程的教學改革必須與數(shù)字化制造技術(shù)相適應(yīng)。這對于培養(yǎng)具備綜合素質(zhì)的、適應(yīng)數(shù)字化時代發(fā)展要求的專業(yè)技術(shù)人才具有十分重要的現(xiàn)實意義。

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