朱文博, 紀(jì)海慧, 李海淵
(上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院, 上海 200093)
“工程制圖”課程主要研究圖樣畫法的基本原理、方法以及相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn),培養(yǎng)學(xué)生繪制和閱讀工程圖樣的基本素質(zhì),提高學(xué)生的空間想象力、空間思維能力和創(chuàng)新能力[1]。“機械制圖”是工程制圖的核心內(nèi)容之一,主要講解標(biāo)準(zhǔn)件和常用件、零件圖、裝配圖的繪制,它是高等院校機械類專業(yè)大一本科生的基礎(chǔ)課和必修課,其教學(xué)效果的好壞直接影響學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。然而這三部分內(nèi)容對于剛進大學(xué)的大一學(xué)生來說非常陌生且難度較大,再加上目前機械制圖的教學(xué)仍側(cè)重于書本理論,缺乏工程設(shè)計能力的系統(tǒng)培養(yǎng),導(dǎo)致學(xué)生很難掌握機械零部件的表達和繪制,這點在學(xué)生畢業(yè)設(shè)計及畢業(yè)后的工作中尤為突出[2-3]。因此,需要在機械制圖教學(xué)中將理論和實際相結(jié)合,適當(dāng)增加制圖知識與實際生產(chǎn)應(yīng)用相結(jié)合的環(huán)節(jié),從而讓學(xué)生更加高效地掌握零部件的識圖繪圖方法。
1.學(xué)生對零部件工藝結(jié)構(gòu)理解難度大
大一新生對機械零部件的認(rèn)識幾乎是空白,沒有任何機械專業(yè)知識,對于機械加工幾乎一無所知,絕大部分學(xué)生不知道鑄造、車、銑等加工方法,不知道倒角、螺紋退刀槽、砂輪越程槽這些工藝結(jié)構(gòu)的具體含義,所以學(xué)生在畫圖時,死記硬背這些結(jié)構(gòu)的畫法,出錯率很高。如果僅是采用傳統(tǒng)的按部就班的課堂板書加多媒體課件講授,學(xué)生難以提起學(xué)習(xí)興趣,學(xué)習(xí)效率也不高。
2.學(xué)生不會用工程圖去表達機械零部件
雖然給學(xué)生講解了各種機械零部件的表達方法,但是學(xué)生很難具體應(yīng)用。學(xué)生不了解或不理解零件結(jié)構(gòu)的作用和零部件間的裝配關(guān)系。不會選擇主視圖的投影方向,因為學(xué)生不清楚零件的加工工藝,不知零件的主要加工位置在哪里,學(xué)生也不明白零部件的實際用途,不知該零部件在整個機器中的工作位置。不會用向視圖和局部視圖來表達;不清楚哪些地方該做剖視圖,哪些地方不需要剖視;不清楚何時需用局部放大視圖等等。在這樣的認(rèn)知狀態(tài)下畫零件圖或裝配圖非常容易出錯,更不要說合理正確的表達。
3.學(xué)生不會在圖中標(biāo)注尺寸及技術(shù)要求
同一張圖形,學(xué)生的尺寸標(biāo)注五花八門,尺寸標(biāo)注重復(fù),隨意性很大,主要原因在于學(xué)生沒有基準(zhǔn)的概念,沒有尺寸鏈的概念。有關(guān)極限與配合、幾何公差、以及表面粗糙度的標(biāo)注更凌亂,原因在于學(xué)生不知道零件在整個機器當(dāng)中的位置和作用,對配合選擇沒有概念,對幾何公差和表面粗糙度的理解沒有建立在加工工藝知識的基礎(chǔ)上。
4.學(xué)生對制圖沒有標(biāo)準(zhǔn)化的概念
圖紙作為工程語言,對圖面元素進行表達,有很系統(tǒng)的要求,并形成了統(tǒng)一的制圖標(biāo)準(zhǔn),而大多數(shù)學(xué)生沒有這個概念。作圖一開始就出現(xiàn)圖紙和圖樣比例選擇不當(dāng),導(dǎo)致有的圖看起來空蕩蕩的,有的圖看起來密密麻麻交叉在一起,尤其是標(biāo)注尺寸時明顯擠在一起。在作圖的過程中,出現(xiàn)圖線的使用不合理,尤其是點畫線缺少;出現(xiàn)多余且錯誤的文字描述;字形字體不統(tǒng)一等等問題。
針對上述教學(xué)難點,教學(xué)改革的目標(biāo)應(yīng)運而生。在原有的詳盡周密的圖學(xué)理論和繪圖規(guī)范下,利用先進的科學(xué)技術(shù)手段,如視頻、影像資料、模型、圖片等,使學(xué)生了解機械零部件的表達方法、加工方法、工藝結(jié)構(gòu),以及典型零件在機器中的實際應(yīng)用等。通過零部件理論教學(xué)和零部件實際應(yīng)用場景的理論和實踐相結(jié)合的教學(xué),構(gòu)建基于認(rèn)識實踐的機械制圖教學(xué)環(huán)境,并且以工程設(shè)計為主線制定機械制圖教學(xué)體系,增加機械零部件認(rèn)識實踐,加強零部件表達方法的實踐教學(xué),以及嚴(yán)格要求學(xué)生按照制圖流程進行繪圖,從而有效提高學(xué)生繪制和閱讀零部件圖紙的能力,為后續(xù)的專業(yè)課程學(xué)習(xí)和為產(chǎn)品設(shè)計制圖打下堅實的基礎(chǔ)。以學(xué)生為中心,關(guān)注“教育產(chǎn)出”(學(xué)生學(xué)到什么),而非“教育輸入”(教師教了什么)。
更進一步,“機械制圖”課程改革要與“工程材料”“機械制造基礎(chǔ)”“機械原理”“機械設(shè)計”等課程一起融合改革,尤其是與機械設(shè)計課程教學(xué)結(jié)合改革,進行實踐性教學(xué)貫通式教學(xué)改革,提升學(xué)生工程綜合能力培養(yǎng);通過典型機械系統(tǒng)或產(chǎn)品案例教學(xué),強化機械系統(tǒng)的方案、結(jié)構(gòu)、制造、裝配的工程設(shè)計內(nèi)容、徒手繪圖與二維、三維數(shù)字化制圖相結(jié)合,以問題和創(chuàng)新為驅(qū)動,體現(xiàn)以學(xué)生為中心,能力和創(chuàng)新精神為培養(yǎng)目標(biāo)的制圖綜合改革。
“工程制圖”課程經(jīng)歷了從單純的黑板徒手繪圖教學(xué)到現(xiàn)在的計算機多媒體教學(xué),教學(xué)內(nèi)容和方法都發(fā)生了很大的變化,教學(xué)效果有了很大的提高[4]。盡管如此,學(xué)生對該門課程的掌握還是不盡如人意,比如,機械類學(xué)生雖然花了兩學(xué)期時間學(xué)習(xí)了大量的形體表達方面的內(nèi)容,做了大量的習(xí)題,但大一學(xué)生對專業(yè)知識知之甚少,不理解所繪制的零件的用途以及裝配體的工作原理,學(xué)生機械記憶知識,導(dǎo)致零件或裝配體稍有變化就不會表達,以至于學(xué)生在后續(xù)的課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計中,零件圖和裝配圖的繪制、尺寸標(biāo)注等方面出現(xiàn)許多錯誤,教學(xué)中存在諸多亟待解決的問題[5],所以必須改變以往的“灌輸式”教學(xué)模式,新教學(xué)模式要做到“主次兼顧、重點突出、注重能力、分層教學(xué)”。
為貫徹執(zhí)行中國工程教育認(rèn)證的理念,培養(yǎng)具有分析機械工程領(lǐng)域復(fù)雜問題的能力,并具有良好的設(shè)計能力和創(chuàng)新能力的人才,“機械制圖”的課程內(nèi)容應(yīng)突出理論知識和實際應(yīng)用相結(jié)合的教學(xué)模式。因此,在工程設(shè)計為主線的教學(xué)改革中,課程體系規(guī)劃從建立優(yōu)化的教學(xué)環(huán)境、專業(yè)教學(xué)體系兩個方面入手。
所謂認(rèn)識實踐是指充分利用現(xiàn)代化的信息技術(shù)手段,如圖片、模型、視頻、影像資料等,使學(xué)生了解零件的加工方法及在機器中的實際用途、部件的裝配及具體使用場景等。對于認(rèn)識實踐,一個很重要的目的就是使學(xué)生通過了解機械零部件的用途,增加對機械專業(yè)的了解,意識到學(xué)習(xí)機械制圖的重要性,提高學(xué)生對讀圖和繪圖的學(xué)習(xí)興趣。讓學(xué)生接受機械專業(yè)的認(rèn)識實踐,將制圖知識和工程應(yīng)用相關(guān)聯(lián),有助于提升學(xué)生實際應(yīng)用制圖知識進行零部件表達繪制的能力。為最大限度地提高學(xué)生對機械制圖的興趣,啟發(fā)學(xué)生的主觀能動性,培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的能力,需構(gòu)建一種基于認(rèn)識實踐的機械制圖教學(xué)環(huán)境。
如圖1所示,“機械制圖”核心內(nèi)容分為三大部分,標(biāo)準(zhǔn)件和常用件的繪制、零件圖的繪制,以及裝配圖的繪制。圍繞這三大塊內(nèi)容,給學(xué)生提供了很多模型,有螺紋緊固件、鍵、銷、齒輪、軸承、彈簧、典型的四大類零件、以及齒輪油泵等裝配體,讓學(xué)生看得見、摸得到這些實物。明白什么是肋(筋)板、沉孔、锪平孔、輪轂等常見的機械結(jié)構(gòu),對機械零部件,尤其是零件上的工藝結(jié)構(gòu),如倒角、倒圓、退刀槽、砂輪越程槽、中心孔等有直觀的認(rèn)識,從而幫助學(xué)生繪制符合國標(biāo)要求的相應(yīng)結(jié)構(gòu)。同時,自行錄制及網(wǎng)上收集視頻,如螺紋的加工方法、齒輪的加工方法、零件各種加工方法等視頻,最大限度地提供資料,幫助學(xué)生了解機械加工,增加其對機械專業(yè)的興趣,思考工藝要求與繪圖之間的關(guān)聯(lián),盡可能地提高學(xué)生的讀圖和畫圖能力。
所謂基于工程設(shè)計為主線是指將機器或部件的功能作用、設(shè)計制作流程與“機械制圖”課程教學(xué)進行有機結(jié)合。在工程設(shè)計為主線的教學(xué)體系中,把三個教學(xué)要素即教學(xué)主體(學(xué)生)、教學(xué)客體(教學(xué)內(nèi)容)和教學(xué)環(huán)境(包括教師、教材、教學(xué)手段、教學(xué)設(shè)施等因素)有機地結(jié)合起來。在教學(xué)過程中,以學(xué)生為中心,強調(diào)基礎(chǔ)與提高的結(jié)合、理論與實踐的結(jié)合、能力與技巧的結(jié)合,兼顧“傳授知識”“培養(yǎng)能力”,從而對學(xué)生進行多方位的立體化教育[3]。
基于工程設(shè)計為主線的機械制圖教學(xué)體系如圖2所示。針對機械制圖的教學(xué)內(nèi)容,介紹相應(yīng)的功能作用,再上升到標(biāo)準(zhǔn)件選型及功能結(jié)構(gòu)設(shè)計,從而加深學(xué)生對相關(guān)知識的理解,更好地達到教學(xué)要求。如螺紋緊固件的連接教學(xué),首先讓學(xué)生明白其作用是為了連接兩個零件,可以舉例說明連接箱體和箱蓋等;然后講解螺紋緊固件是標(biāo)準(zhǔn)件,什么是標(biāo)準(zhǔn)件,標(biāo)準(zhǔn)件不需要自行設(shè)計,不需要自行加工,只需選型;結(jié)合視頻,結(jié)合動畫,講解這些標(biāo)準(zhǔn)件是如何連接的;最后讓學(xué)生明白螺紋緊固件連接的畫法。又如,箱體零件圖繪制的教學(xué),首先讓
圖1 構(gòu)建基于認(rèn)識實踐的機械制圖教學(xué)環(huán)境Fig.1 Construction of mechanical drawing teaching environment based on cognitive practice
圖2 基于工程設(shè)計為主線的機械制圖教學(xué)體系Fig.2 Teaching system of mechanical drawing based on engineering design
學(xué)生明白箱體零件是起支撐和包容箱體內(nèi)一系列零件的作用,因此需要從結(jié)構(gòu)上滿足箱體零件的功能,這就是功能結(jié)構(gòu)設(shè)計,需要中空薄壁的結(jié)構(gòu)去包容,需要肋(筋)板起到加強牢固的作用,需要锪平孔等安裝結(jié)構(gòu),需要軸承孔,需要螺孔等。最后講表達,如何表達這些功能結(jié)構(gòu)?需要剖開其內(nèi)部結(jié)構(gòu),即需要采用剖視圖;肋(筋)板如何表達?需要斷面圖;底板如何表達?需要局部視圖;一些細小的結(jié)構(gòu)如何表達?需要局部放大圖;等等。從功能結(jié)構(gòu)上去分析零件的表達,使學(xué)生明白表達的目的和意義,從而在后續(xù)課程中學(xué)會應(yīng)用各種表達方法來繪制零部件圖。
教學(xué)環(huán)境和教學(xué)體系方面的教學(xué)改革,能夠促進學(xué)生觀察力和技能性學(xué)習(xí)效果,提高教學(xué)質(zhì)量。講授機械零部件用途和繪制工程圖,為未來機械裝備的設(shè)計提供基礎(chǔ),從而發(fā)展學(xué)生自主研究問題和解決問題的能力,使學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力得到有效培養(yǎng)。
教學(xué)改革應(yīng)幫助學(xué)生在解決問題的過程中活化知識,從而能夠?qū)⑹聦嵭灾R轉(zhuǎn)化為解決問題的工具;運用產(chǎn)生于真實背景中的問題啟迪學(xué)生思維,開展實踐能力、應(yīng)用能力和專業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)[6]。在機械制圖理實結(jié)合的教學(xué)改革實踐中,分別從增加機械零部件的認(rèn)識,加強零部件表達方法的學(xué)習(xí)和嚴(yán)格按照制圖流程進行繪圖的三個主要的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)展開,通過具體實際的實踐教學(xué)方案使學(xué)生了解機械零部件的加工制造和生產(chǎn)裝配關(guān)系等,從而使學(xué)生在零部件繪圖方面有顯著的能力提升。
本?!皺C械制圖”課程的學(xué)時是48學(xué)時,每學(xué)時45分鐘,分16周上完,本文所述的教學(xué)改革是在不改變教學(xué)計劃的前提下進行的。如表1所示,所增加的三個教學(xué)改革實踐環(huán)節(jié)均在原有48學(xué)時中進行,改革前后教學(xué)內(nèi)容和進度不變,只是增加模型和視頻播放,加強學(xué)生對機械零部件的認(rèn)識能力,并且在原有閱讀和繪制零部件圖的教學(xué)過程中,強化零部件的表達和制圖流程的學(xué)習(xí)。
表1 理實結(jié)合的機械制圖教學(xué)改革前后教學(xué)內(nèi)容對比Tab.1 Teaching contents before and after the reform of mechanical drawing teaching by combining theory with practice
1.增加機械零部件認(rèn)識實踐教學(xué)環(huán)節(jié)
機械制圖有很強的工程實踐性,零部件的加工制造場景的構(gòu)建與傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方式之間的矛盾特別明顯。很多在課堂上無法展示的教學(xué)內(nèi)容,例如各種加工方法和加工典型零件的實例等,都可以充分利用視頻等手段在課堂內(nèi)或課堂外深入展開。從機械相關(guān)企業(yè)及網(wǎng)絡(luò)上收集制作典型零件的加工方法及在機器中的實際用途、部件的裝配及使用場景的影像、圖片等資料,構(gòu)建具有系統(tǒng)性、真實性的多媒體課件。通過對典型機械零部件的認(rèn)識實踐,了解零件的加工制造、零件的用途、各零部件間的裝配關(guān)系和各部件的工作原理。在這個過程中,可通過講解標(biāo)準(zhǔn)件、常用件、零件、裝配體的案例,使學(xué)生對整個以工程設(shè)計為主線的教學(xué)體系中所涉及的機械裝備進行初步了解,為繪圖打下扎實基礎(chǔ)。
如圖3所示,采用SolidWorks軟件、視頻文件、模型、圖片等形式,搭建機械零部件認(rèn)識平臺,目的在于讓學(xué)生了解典型零件的加工和典型部件的裝配方式等,幫助學(xué)生閱讀和繪制機械圖樣。
圖3 搭建機械零部件認(rèn)識平臺Fig.3 Building a platform for understanding mechanical parts
2.加強零部件表達方法的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)
在加強零部件表達方法的教學(xué)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)中,要求學(xué)生了解典型零部件用途之后,加大其識讀相關(guān)零部件圖紙的數(shù)量,通過多看零部件圖,學(xué)習(xí)體會零部件的表達。通過實際的圖紙案例,讓學(xué)生掌握應(yīng)根據(jù)加工位置、工作位置和形狀特征為原則確定零件和部件的主視圖,并為彌補主視圖表達的不足,合理選擇其他視圖,如表達外部結(jié)構(gòu)的基本視圖、向視圖、局部視圖和斜視圖,表達內(nèi)部結(jié)構(gòu)的全剖、半剖和局部剖視圖,以及表達斷面結(jié)構(gòu)的移出斷面圖和重合斷面圖等。
在大量閱讀零部件工程圖的基礎(chǔ)上,開始訓(xùn)練學(xué)生自行繪制零部件圖,要求學(xué)生嚴(yán)格按照工程制圖的流程進行繪圖。繪圖的首要任務(wù)是確定表達方案。對于零件圖的表達來說,首先要求學(xué)生判斷零件的種類,是屬于軸套類、輪盤蓋類、叉架類,還是箱體類零件,根據(jù)零件的種類相對應(yīng)的主視圖選擇原則來確定主視圖的投影方向,進而根據(jù)零件種類所建議的表達方案,以及完整性、真實性來彌補主視圖表達的不足,確定零件的表達方案,隨后展開討論,對比學(xué)生所提出的表達方案,最終確定合理的表達方案,或許不止一種方案。對于裝配圖的表達來說,首先要求學(xué)生將裝配體按照工作位置放置,主視圖投影的確定要以工作位置為原則,然后找到裝配干線,根據(jù)裝配干線的數(shù)量確定基本視圖(剖視圖)的數(shù)量,接著再仔細查看所有零件是否都出現(xiàn)過,所有零件的主體結(jié)構(gòu)是否都已表達,從而最終確定表達方案。圖4為零件圖表達方法的教學(xué)環(huán)節(jié),圖5為裝配圖表達方法的教學(xué)環(huán)節(jié)。
3.嚴(yán)格按照制圖流程進行繪圖
加強手工繪制A2/A3圖紙的能力,并要求學(xué)生嚴(yán)格按照制圖流程繪制零部件圖,按照以下六個步驟進行。
第一步:確定比例和圖幅。首先確定表達方案之后,要求學(xué)生根據(jù)零件、部件或機器的大小及復(fù)雜程度確定畫圖的比例,進而粗算圖幅大小,同時要預(yù)留尺寸標(biāo)注、序號(裝配圖)、明細欄(裝配圖)和標(biāo)題欄的位置,確定圖幅。
第二步:繪制作圖基準(zhǔn)線?;鶞?zhǔn)線是零部件的主要軸線、對稱中心線或某些零件的基面或端面。作圖基準(zhǔn)線確定視圖的位置。向?qū)W生強調(diào)基準(zhǔn)線的位置直接影響整張圖紙布圖的合理性,幾個視圖之間不能太集中,也不能太分散,視圖之間要有足夠的空間進行尺寸標(biāo)注、技術(shù)要求標(biāo)注。對于裝配圖還需考慮視圖之間要留有空間以便書寫序號。
圖4 零件圖表達方法教學(xué)環(huán)節(jié)Fig.4 Teaching method of parts detail drawing
圖5 裝配圖表達方法教學(xué)環(huán)節(jié)Fig.5 Teaching method of assembly drawing
第三步:繪制零部件主要結(jié)構(gòu)和細節(jié)部分。對于零件圖,先繪制主要結(jié)構(gòu),結(jié)合形狀特征和位置特征,根據(jù)投影規(guī)律同時繪制幾個基本視圖,之后再繪制細節(jié)部分,如螺孔、鍵槽、銷孔等。一般在基本視圖繪制完成后,再繪制局部視圖、斷面圖等。對于裝配圖,通常部件中的各個零件以一定的裝配關(guān)系分布在一條或幾條裝配干線上,因此,在繪圖時可沿這些裝配干線由里向外或由外向里,按定位和遮擋關(guān)系依次將各零件繪制出來。一般也是先繪制主、俯、左等基本視圖,再繪制局部視圖等其他視圖。還要向?qū)W生強調(diào)每幅圖中不要遺留點畫線,機械制圖中點畫線是必須要畫的,在回轉(zhuǎn)體的軸線、對稱面或圓心處必須要畫上點畫線。
第四步:標(biāo)注尺寸和技術(shù)要求。強調(diào)尺寸標(biāo)注和技術(shù)要求標(biāo)注的規(guī)范性、完整性和合理性,尤其讓學(xué)生明確標(biāo)注表面粗糙度、極限與配合及幾何公差的意義。
第五步:填寫標(biāo)題欄、序號和明細欄。嚴(yán)格要求學(xué)生根據(jù)國標(biāo)規(guī)范填寫零部件圖標(biāo)題欄。對于裝配圖中的序號和明細欄,要求學(xué)生按照國標(biāo)對序號的編寫規(guī)則,圍繞視圖順時針或逆時針、橫豎對齊排列序號,并嚴(yán)格按照國標(biāo)規(guī)范繪制填寫明細欄。
第六步:檢查完圖。要求學(xué)生一定要仔細檢查之后,才能完工。最后完工前再次核對制圖標(biāo)準(zhǔn),再次檢查投影關(guān)系,再次檢查尺寸標(biāo)注等,一定要查看點畫線是否已畫全。機械制圖是大一新生最先接觸的一門專業(yè)基礎(chǔ)課,具有育人的先導(dǎo)性。通過強調(diào)圖紙的規(guī)范性、科學(xué)性和嚴(yán)肅性,培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真、負(fù)責(zé)、細致的工作素養(yǎng),以及一絲不茍、踏實敬業(yè)的“工匠”精神。
繪制零部件圖的步驟如圖6所示。
機械制圖的理論畫法與零部件實際應(yīng)用相結(jié)合的教學(xué)改革與實踐,消除了長期以來機械制圖教學(xué)只側(cè)重書本理論知識,而學(xué)生缺乏工程實踐認(rèn)識導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不好的弊端。在本次教學(xué)改革中,建立基于認(rèn)識實踐的機械制圖教學(xué)環(huán)境和基于工程設(shè)計為主線的機械制圖教學(xué)體系,增加機械零部件認(rèn)識實踐教學(xué)環(huán)節(jié)、加強零部件表達方法的實踐教學(xué)環(huán)節(jié),以及嚴(yán)格要求學(xué)生按照制圖流程進行繪圖,提升了學(xué)生的讀圖能力和繪圖能力,提高了教學(xué)質(zhì)量,達到了良好的教學(xué)效果,并有利于加強學(xué)生的工程設(shè)計能力,促進學(xué)生觀察力和技能性學(xué)習(xí)效果。與此同時,這種教學(xué)改革方式充分調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,使學(xué)生從被動學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí),適應(yīng)“新工科”背景下工程教育的主導(dǎo)思想,也真正做到貫徹執(zhí)行中國工程教育認(rèn)證的產(chǎn)出導(dǎo)向教育理念。
圖6 繪制零部件圖步驟Fig.6 Steps of parts detail drawing and assembly drawing