面向数字化制造的《机械制图》教学改革

蒋麒麟

（南京工程学院 机械学院，江苏 南京 211167）

《机械制图》一直是我国高校机械类专业本科阶段必修的重点课程之一，其属于专业技术基础课，具有较强的工程特点，实践性要求较高。随着时代的发展与科技的进步，《机械制图》教学中存在的不足和问题引起了广大高校教育工作者和企业的关注与重视，人们纷纷提出各种改革的观点和设想。笔者根据多年的教学经验，建议面向数字化制造，进行教学改革。

1 课程教学的现状与不足之处

《机械制图》课程内容一般主要由五个部分组成：制图基础、投影理论、表达方法、机械图样及计算机绘图软件应用。制图基础部分主要是制图国家标准知识的介绍；投影理论部分主要研究空间几何元素与平面图形按照“长对正、高平齐、宽相等”的投影规律作相互转换；表达方法部分主要介绍视图、剖视图、断面图等机件的常用画法；机械图样部分主要介绍零件图、装配图及部分机械标准件与常用件的画法；计算机绘图软件应用部分一般介绍AutoCAD或CAXA等低端CAD软件。在教学目标、教学内容、教学方法、教学模式四个方面，该课程的教学现状与不足之处如表1所示。

2 数字化制造的内涵

数字化制造是指在数字化技术和制造技术相融合的背景下，在虚拟现实、计算机网络、数据库和多媒体等支撑技术的辅助下，根据用户的需求，收集资源信息，对产品几何信息、工艺信息和资源信息进行分析、规划和重组，实现对产品设计、功能仿真和原型制造，进而快速生产出满足用户需求的产品的整个制造过程。

表1 《机械制图》课程的教学现状与不足之处

数字化制造将信息技术应用于产品设计、制造以及管理等产品全生命周期之中，以达到提高制造效率和品质，降低制造工时和成本、实现敏捷响应市场的目的。数字化制造是制造技术，计算机技术、网络技术与管理科学的交叉、融合、发展与应用，是制造过程的数字化，也是制造企业、制造系统与产品设计制造过程、产品全生命周期不断实现数字化的必然结果，其主要内容包括计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程分析（CAE）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助工艺规划（CAPP）、产品数据库管理（PDM）、企业资源计划（ERP）、逆向工程（RE）和快速成型（RP）等。

数字化制造不仅是若干现代高新技术的综合，也是一种制造理念，一种制造模式，更是制造业领域发展迈进的一种必然趋势。

3 数字化制造对课程的基本要求

在数字化制造过程中，机械图样不仅要被“画”到计算机里，而且还要把图形的各种数据信息，以合理的数据结构存储到计算机里，并且能够为各种工程应用提供模型基础。现代机械图样,就其本质来说,其是“数”而非“图”，因为，其是以软件为载体,包涵着实体的三维几何信息、拓扑结构和物理特征,通过计算机软件及其支撑系统的处理,在显示屏幕上得到虚拟“实体”的“图像”，作为技术人员进行设计、修改、检查、分析与处理的依据[2]。基于数字化制造技术建立的三维几何与资源数据库，将构思设计、几何造型、虚拟样机、装配检查、工艺文件编制、数控加工等全过程由数据信息并行传递。产品开发不仅包含几何建模，还要有力学分析、运动分析、仿真分析以及工艺安排、制造方法、测量测试等设计与制造一体化工作。在数字化制造技术的推动下，现代生产模式转变为:需求分析—构思产品—计算机三维造型—计算机辅助分析—虚拟制造与装配—数控加工刀轨生成—生产检验。

机械图样是机械工程技术人员交流的语言，贯穿产品的构思、设计、分析、制造、管理等产品全生命周期。熟练地绘制与阅读现代机械图样是《机械制图》课程的基本教学目标；具备现代设计与制造理念及相关能力是数字化制造对《机械制图》课程教学的基本要求。

4 课程教学改革的具体措施

根据前面的分析，笔者建议面向数字化制造进行教学改革，教改措施与特点如表2所示。

表2 《机械制图》课程的教改措施与特点

4.1 教学目标的改革

在教学目标方面，笔者建议三点：

（1）增强构型设计能力。

（2）增强徒手绘图能力。

（3）增强中高端数字化制造软件应用能力的培养。

形体的构型设计是创造性设计的重要表达形式。构型设计教育是一种关于创造的教育，其教学目标是培养学生机构形体设计的创造性，这是培养学生形象与逻辑思维能力的关键，也是培养学生工程意识、工程素养以及创新能力的关键。在学生创造性构型设计能力培养中，应重点突出三维形体的造型能力[3]。

徒手绘图是计算机和尺规无法替代的绘图方式，也是表达设计创意、交流设计思想的有效工具，对于培养学生观察能力、动手能力以及空间想象能力起着重要的作用，其特点是心想、手到、速成，有利于学生捕捉设计灵感、启发设计思维。有了计算机绘图以后，这一方面显得尤其突出和重要。徒手绘图应贯穿于该课程教学的始终[4]。

脱离具体软件的数字化制造是没有意义的，掌握主流的数字化制造软件是必须的。在绘制平面图形方面，AutoCAD或CAXA具有一定的优势，而在数字化制造领域，它们则显得捉襟见肘：三维实体造型能力不足、无法做到参数化的全相关尺寸处理、缺少工程辅助分析模块、没有数控加工后置处理功能。因此，Catia、Pro/E、UG、MasterCAM、Inventor等一些数字化制造领域应用较广的中高端计算机软件应被引入《机械制图》课程的教学之中。

4.2 教学内容的改革

在教学内容方面，笔者建议四点：

（1）投影理论以“体”为中心。

（2）扩大表达方法的范围。

（3）三维为主、二维为辅的机械图样绘制与阅读。

（4）数字化制造基础知识的介绍。

投影理论是前人在长期实践中创造并不断完善的一种实用图示方法，前人用这种方法表达了设计者的思想、传递了科技发展的成果，至今仍发挥着巨大的作用。但是，它是手工绘图时代的产物，虽然其对于开发人的智力、培养与发展空间思维与想象力起到了一定的作用，但是，以点、线、面、体为顺序和基础的画法几何学把原本直观的的立体抽象化了，画图和读图始终处在一个抽象思维的环境之中，会使得学生更加迷惑。按照人类认知规律，在三维空间中去直接认识和感知几何形体，才是发展和提高空间想象力的最好方法。所以，投影理论应以“体”为中心，面、线、点作为辅助和补充。

国家标准里规定的视图、剖视图、断面图等若干表达方法作为《机械制图》课程的主要教学内容无可非议，但是，其他一些表达方法，包括轴测图、透视图、展开图等，也应纳入该课程的教学范围。表达方法的宽泛性有助于设计思维的拓展，如轴测图、透视图在提高形象思维能力和表达设计理念方面功不可没，而在特定机械行业，如钣金制造业，展开图的作用则非常明显[5]。

与传统的以二维视图表达产品的设计相比，从三维构形开始的设计更符合人的设计思维逻辑。随着计算机造型与辅助设计能力的日益提高，产品的设计过程常常是从三维构形开始的。因此应从三维设计开始，围绕数字化制造这一主题，从形体的三维构形和表达出发，向二维视图辐射，同时突出多种视觉表达方式在设计和加工过程中的综合应用。

作为一门技术基础课，在《机械制图》教学中，一些数字化制造的基本概念与基础知识应作一些简单的介绍，让学生了解一定的专业入门知识，如现代设计与制造的理念、尺寸驱动的参数化建模、形状特征对应的典型加工方法、数控加工前置与后置处理等。这对于学生后续专业课程的学习也奠定了一定的概念基础。

4.3 教学方法的改革

在教学方法方面，笔者建议：在讲授法、练习法的基础上，融合讨论法、参观法、案例法等多种教学方法。

在《机械制图》教学中，传统的教学方法是讲授法和练习法：理论部分教师讲解，一定的课时让学生来动手练习。虽然在知识传递和能力培养方面，两种方法具有一定的积极作用，但是对于师生之间的充分交流、学生创新能力的训练、学生学习兴趣的产生、学生动手实践能力的提高等方面，传统的教学方法显得力不从心。

针对具体的教学内容，如表达方法的综合应用部分，应采用讨论法教学，拓展学生思路，不拘泥于狭窄的、甚至单一的思维空间，鼓励和促进学生充分的思考和讨论；如基本体与组合体部分，应采用参观法教学，引领学生参观实体的和虚拟的（网络）制图模型室（库），在完成对形状各异、品种繁多的立体模型参观之后，感性认识与视觉观察力自然得到了提高；如装配图部分，应采用案例法教学，教师将实际的设计开发类课题引入课程教学，或者把课题分解成多个子课题，交给多个小组，虽然学生缺乏足够的工程应用知识与能力，距离课题完成的总体目标相距甚远，但是学生在查阅资料、综合分析、构型设计、绘制图样、作品展示等工作过程中，他们的自主学习能力、综合表达能力、实践动手能力和沟通技巧、团队协作精神都会得到一定的训练和培养。

4.4 教学模式的改革

在教学模式方面，笔者建议：更新传统面授教学，采用循环动态教学模式。

在传统的教学模式中，教师决定着教学方向和内容，掌握着教学进程、方法和结果，虽然有时也要求发展学生的主观能动性，但学生更多地是处在一个被动接受的位置，因此传统的教学过程实质上是一个以“教”为主导的过程。

循环动态教学模式以建构主义学习理论为基础，采用协作学习的结构化模型，在数字化校园平台之上，通过对多种教学媒体信息的选择与组织来反映教学过程和教学策略。在循环动态教学模式中,学生不再是被动地接受课程教学信息,而是主动地参与教学过程,他们采用新颖而熟练的现代学习方法,对知识进行提取、整合、再创造,并作为自身的学习成果。因此，循环动态教学模式强调的重点体现在学生的学习上，而不是教师的讲课上，体现在名副其实地改变学生的学习方式，实现真正意义上的、以培养学生探索精神和创新能力为目的的“交互式学习”和以培养学生协作精神和沟通能力为目的的“合作式学习”[6]。

循环动态教学模式基本框架如图1所示。

图1 循环动态教学模式基本框架

5 结束语

在机械工程领域，数字化制造正朝着网络化、集成化、智能化的方向发展，作为重要制造信息载体的机械图样，理应与数字化制造技术的发展趋势相适应，为现代化生产提供先进、实时、可靠的基础信息。熟练地绘制与阅读现代机械图样是《机械制图》课程的基本教学目标，该课程的教学改革必须与数字化制造技术相适应。这对于培养具备综合素质的、适应数字化时代发展要求的专业技术人才具有十分重要的现实意义。

[1]梁治钢.数字化制造的研究及数控代码自动编程的实现[D].兰州理工大学硕士论文，2007:1-7．

[2]王成刚.对二维与三维工程图的思考[J].湖北工业大学学报，2007,(6):86-89．

[3]陈锦昌，陈炽坤.基于构型设计的工程图学教学体系的探讨[J].工程图学学报，2008,(5):130-132．

[4]冯 涓.美国高校工程图学教育特色分析[J].工程图学学报，2008,(3):139-144．

[5]胡 琳，程 蓉.浅论中、英“工程图学”教育的差异[J].北京大学学报，2007,(5):110-114．

[6]李勇帆.论新世纪数字化教学的内涵与特性及对教师的基本要求[J].电化教育研究，2002,(5):3-8．