機械類工程圖學課程三維化改革研究

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摘要：隨著三維CAD技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)裝備制造領(lǐng)域的設(shè)計思路、工作流程都在發(fā)生改變。江陰職業(yè)技術(shù)學院（以下簡稱：本院）適應(yīng)地區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，在機械類工程圖學課程中引入三維CAD軟件，重點從課程體系、課程內(nèi)容、教學實施流程和教學手段四個方面對課程進行了三維化改革的探索和實踐。

關(guān)鍵詞：高職院校；工程圖學；三維化；課程教學改革

在很長一段時間內(nèi)，二維圖紙是唯一的工程設(shè)計語言。雖然人們所看到的和接觸到的是三維實體，但是卻要用二維平面圖表達出來。為了識讀二維工程圖，必須要通過畫法幾何、機械制圖的學習來掌握投影規(guī)律和視圖識讀基礎(chǔ)。近年來，三維CAD軟件在裝備制造類企業(yè)迅速普及，逐漸代替二維CAD軟件成為設(shè)計的主要工具。高職院校也開設(shè)了相關(guān)課程，主要有SolidWorks、PRO-E、UG和國產(chǎn)的CAXA制造工程師。這些課程一般放在機械制圖、機械設(shè)計基礎(chǔ)等課程之后，作為單獨的一門課程來開設(shè)。三維軟件可以在電腦中輕松創(chuàng)建各類零件和部件模型，并生成仿真動畫；可以應(yīng)用于各類機構(gòu)結(jié)構(gòu)和原理的教學講解，使學生從復雜的圖樣識讀中解放出來，而專注于機構(gòu)的理解。Solidworks是達索公司的一款三維設(shè)計軟件，主打中低端市場。本院所在地無錫江陰市，位居全國百強縣第二、工業(yè)百強縣第一。經(jīng)調(diào)研，江陰地區(qū)使用solidworks軟件進行設(shè)計的裝備制造類企業(yè)比例超過56%。本院簽約的校外實習基地中使用Solidworks軟件的企業(yè)比例更是達到了71%。軟件易用性強，便于初學者上手。此外，軟件的草圖、建模等各模塊與機械制圖的思維邏輯很接近，基于以上考慮，本院以Solidworks為工具，對機械類工程圖學課程進行了三維化改革。

一、重新構(gòu)建制圖課程體系

從宏觀上解決三維造型技術(shù)與《工程圖學》教學內(nèi)容怎樣結(jié)合的問題。本院2015年以前采用分段獨立式的教學，在不同學期開設(shè)圖學課程和三維造型課程。這種教學方式的優(yōu)點是在實際教學過程中容易實施，既達到培養(yǎng)學生三維設(shè)計能力的目的，又較好地解決了二維和三維共存的問題。缺點是兩部分內(nèi)容完全分割開，造成內(nèi)容上的不連續(xù)，學生難以將二者融會貫通，難以滿足工程應(yīng)用需要，而且占用學時較多。2016年開始，將三維軟件（采用solidworks軟件）的內(nèi)容融入機械制圖相關(guān)部分。具體課程體系如圖1所示。

二、優(yōu)選課程教學內(nèi)容

進行項目化設(shè)計，解決計算機三維造型技術(shù)與《工程圖學》通過什么載體進行項目化融合的問題。課程內(nèi)容按照高職“實用、夠用、必須”的原則進行大刀闊斧的改革。去除畫法幾何部分的內(nèi)容，相貫線按照現(xiàn)行標準GB/T16675.1—2012《技術(shù)制圖簡化表示法第一部分：圖樣畫法》采用省略簡化畫法來講解，同時弱化截交線原理性講解，只針對典型截交線結(jié)構(gòu)進行講解。從2018年開始，三視圖已經(jīng)成為機械制圖課程內(nèi)容的起點。在確定課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上，結(jié)合蘇錫常地區(qū)及江陰周邊縣市裝備制造類企業(yè)的實際情況，以“機械零部件的造型與圖樣識讀”為典型工作任務(wù)，以上述企業(yè)常用零部件為載體，培養(yǎng)學生零部件造型和圖樣識讀能力。通過“簡單零件、軸套類零件、盤蓋類零件、叉架類零件和箱體類零件”這五類典型零件和“千斤頂、機用虎鉗、齒輪油泵以及一級圓柱齒輪減速器”這四個典型部件的造型和圖樣識讀，把三維軟件的建模方法和機械制圖的相關(guān)知識進行有機融合。標準件和常用件是機械制圖中的重要內(nèi)容，傳統(tǒng)教學一般會將這部分內(nèi)容單列一個章節(jié)，本院將這部分內(nèi)容分解到合適的載體中進行教學?！扒Ы镯敗敝兄v解螺紋，“機用虎鉗”中講解螺紋標準件，齒輪油泵中講解齒輪，“一級圓柱齒輪減速器”中講解鍵和銷。以螺紋緊固件的螺栓連接為例進行說明：第一步，從軟件標準件庫中按照參數(shù)分別生成螺栓、螺母和墊圈，然后對照零件講解國家標準和尺寸參數(shù)；第二步，用螺栓、螺母和墊圈連接兩個零件，完成三維裝配；第三步，生成螺栓連接裝配圖，講解螺栓連接中涉及的裝配圖畫法規(guī)則；第四步，尺規(guī)抄畫螺紋連接裝配圖，此任務(wù)從螺栓、螺母和墊片的模型入手，用這些螺紋緊固件連接兩個板類零件，然后裝配成典型的螺栓連接裝配體；第五步，創(chuàng)建螺栓連接裝配圖并抄畫。將螺栓連接的使用場合、裝配要點和畫法規(guī)則等各個知識點穿插其中進行講解，更符合一般的認知規(guī)律，貼合高職學生的學習特點。此外，利用齒輪插件geartrax和邁迪三維設(shè)計工具集等行業(yè)外掛標準件庫拓展Solidworks軟件插件，還可以完成非常規(guī)標準件和常用件的建模。

三、序化教學實施流程

解決微觀層面上項目化教學實施過程中具體的流程編排問題。現(xiàn)有教材中的三維建模部分基本上采用根據(jù)二維工程圖來進行建模的方式，在教學實施過程中需要讀懂二維工程圖才能進行下一步建模工作，而作為制圖課程教學難點的工程圖識讀還是會成為學生進行三維建模的障礙。課題針對項目教學的實施流程進行改革，每個項目都按照“建模、識讀工程圖、生成二維工程圖和抄畫工程圖”的四步教學法來進行教學。第一步,建模不是根據(jù)二維視圖來進行，是根據(jù)給定零件實物進行三維建模，只需對零件做簡單的尺寸測繪，對尺寸精度不做過多要求，甚至一開始給定標注有完整尺寸的零件立體圖作為建模對象。第二步，是識讀工程圖，以零件圖（后期是裝配圖）為對象，對照已建模型理解視圖表達，講解尺寸標注和其他技術(shù)要求等相應(yīng)的制圖國家標準。第三步，由模型創(chuàng)建工程圖。這一步的重點是生成符合國家標準的零件圖和裝配圖，也就是解決由軟件創(chuàng)建工程圖時的合規(guī)性問題。第四步，尺規(guī)抄畫零件圖，徒手抄畫立體圖（正等軸測圖）。對于這種給定實物（或給定帶尺寸的立體圖）進行建模的教學模式，學生沒有畏懼感，建模階段把精力集中在建模技巧上，然后轉(zhuǎn)成二維圖，再進行二維視圖的抄畫和識讀。由三維到二維的轉(zhuǎn)換更加符合一般的思維模式。通過這種方式引入三維軟件的造型和創(chuàng)建工程圖功能，解決學生讀圖難、畫圖難的問題。無論制圖改革往哪個方向走，都不能離開課程核心的“構(gòu)型、讀圖、表達與制圖”4個基本能力的訓練［1］。在四步教學法中，特別突出了4個基本能力，尤其是核心的構(gòu)型與表達能力的訓練。首先是構(gòu)型與讀圖能力，在第一步建模步驟中，分兩個階段進行。第一階段是給定帶尺寸的立體圖來進行建模，第二階段是給定帶尺寸的三視圖或零件圖進行建模。第一階段根據(jù)立體圖建模，結(jié)合組合體形體分析，分析立體的結(jié)構(gòu)特點，是疊加類、切割類還是綜合類，然后確定相應(yīng)的建模方法，是使用拉伸命令還是拉伸切除命令。這個建模過程就是形體分析在軟件中的再現(xiàn)過程，訓練學生構(gòu)建空間形體的能力。第二階段由三視圖或零件圖進行建模，實際上主要訓練的是學生讀圖能力，并將讀圖結(jié)果在軟件中再現(xiàn)，此時讀圖者對立體的信息和軟件的建模過程相互驗證、修正并完善，可以幫助學生比較高效地提升讀圖能力。其次是表達與制圖能力，現(xiàn)階段的行業(yè)企業(yè)對于尺規(guī)作圖的需求已經(jīng)很小，加工類企業(yè)更加注重于零件圖的閱讀能力。

而制造類企業(yè)在設(shè)計時通常采用三維設(shè)計，然后由三維模型創(chuàng)建工程圖。所以在四步法的教學中，由三維模型創(chuàng)建工程圖是一個很重要的環(huán)節(jié)?？紤]到設(shè)計表達的需要，四部法中在第四步訓練學生繪圖技能，重點訓練徒手繪制正等軸測圖的能力。這樣的話，綜合考慮目前周邊地區(qū)裝備制造類企業(yè)的各類崗位需求，設(shè)定相應(yīng)使用場景，將崗位所需技能結(jié)合三維軟件融入工程圖學的教學實施步驟中。四、開發(fā)助學軟件，拓展教學手段本院制作的“機械零部件虛擬模型庫”軟件，獲得第十四屆全國多媒體課件大賽二等獎。它是在模型庫的基礎(chǔ)上開發(fā)了“機械零部件圖紙素材庫”軟件，能夠同時進行三維零部件和配套工程圖樣的展示。系統(tǒng)以軟件形式封裝，對操作環(huán)境無任何依賴，在沒有安裝二維和三維CAD專業(yè)軟件與瀏覽器的環(huán)境中也可以直接運行［2］。兩個軟件已經(jīng)完成電腦安裝版，學生可以在電腦上隨意瀏覽三維零部件以及相應(yīng)的工程圖樣，從容研習組合體三視圖、零件圖和裝配圖，培養(yǎng)空間構(gòu)形能力，從而提高其閱讀工程圖能力。下一步第一個目標是完善“機械零部件虛擬模型庫”和“零部件圖紙庫”軟件，增加功能模塊，提高易用性；第二個目標是準備開發(fā)應(yīng)用于智能手機的App，讓學生可以利用手機進行碎片化學習。在長期教學實踐中所開發(fā)的軟件不僅可以用于機械制圖的教學，還可以作為機械類專業(yè)課程教學的助學軟件來使用，拓展了課程教學手段，教學效果良好。五、三維軟件引入工程圖學課程應(yīng)注意的相關(guān)事項通過上述四個措施，對機械類工程圖學課程進行了三維化改革。特別是作為課程教改核心的四步教學法，每一步對象都是具體的，不需要抽象的制圖理論和讀圖技巧。按照四步教學法學習完任意項目單元，學生都能很自然地掌握建模、讀圖、創(chuàng)建工程圖以及徒手繪制立體圖的方法。同一流程在不同單元反復練習，受教者的各項技巧不斷完善，直至完全掌握。三維軟件融入制圖教學的過程中，存在一些相關(guān)注意事項。原因是Solidworks并非國產(chǎn)軟件，從建模思路到工程圖標準等方面與制圖國家標準存在差異。具體教學中有以下相關(guān)方面需要加以明確。（一）坐標體系不一致制圖課程的坐標體系與Solidworks的坐標體系不一致。（五）建立合作學習評價機制教師在教學過程中可以建立評價機制。它對學生學習的進度和效果既能及時掌握，又能激發(fā)學生的學習動機，使學生的學習主動性得到顯著提高。教師建立的評價機制可以分為組內(nèi)評價機制和組間評價機制。在實施組間評價機制時，以學生學習任務(wù)完成的程度來作為教師的評價標準。教師根據(jù)各小組學習任務(wù)完成的程度客觀地給出相應(yīng)分數(shù)。最后教師在每學期的期中和期末進行總評，根據(jù)這兩次成績對前三名學生進行物質(zhì)或者精神上的獎勵，使每一組努力完成學習任務(wù)，使每小組成員為了獲得獎勵而進行不懈的努力［7］。小組內(nèi)部的評價機制主要是基于小組成員對小組學習任務(wù)的貢獻而設(shè)置。小組成員的貢獻將被記錄下來，在學期結(jié)束時，對每個小組貢獻最大的小組成員將獲得物質(zhì)或精神補償。同時，學生應(yīng)該認識到小組合作學習不僅是為了個人利益，也是為了整體利益，從而更好地培養(yǎng)他們良好的團隊精神和個人競爭意識。

四、結(jié)語

綜上所述，在高職排球教學中運用問題教學法，有利于培養(yǎng)高素質(zhì)、綜合性的排球運動員。不僅可以使學生的排球技術(shù)得到充分掌握，而且還可以培養(yǎng)其排球精神，可以更好地幫助我國排球運動的建設(shè)和發(fā)展。然而，在運用問題型教學法時，應(yīng)注意以下幾點：其一，學習目的要明確；其二，目標設(shè)置要合理；其三，學習內(nèi)容選擇要合適；其四，在教學實施前要給予學生明確的方法指導；其五，教師要人為地縮短小組間學習水平的差異；其六，保證各組的平等。這樣才能更好地保證問題型教學法的順利實施，同時，重視學生的個體差異，使學生能夠更積極地參與教學活動。

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作者：張良 單位：江陰職業(yè)技術(shù)學院