深化机械制图教学改革培养高技能创新型人才

2013-01-01宋洪侠

图学学报 2013年3期

宋洪侠

（大连理工大学机械工程学院，辽宁大连 116024）

1 世界技能组织及中国首次参赛简介

世界技能大赛是世界技能组织（简称WSI）举办的世界顶级赛事。世界技能组织成立于1954年，总部设在荷兰阿姆斯特丹，目前有58 个国家和地区成员。其宗旨是，通过成员之间的合作，促进青年人和培训师的职业技能和水平的提升，并积极推广职业技能，加强各国在职业技能领域的合作与交流[1]。世界技能组织自1989 年起每两年举办一次世界技能竞赛，被称为世界“技能界的奥林匹克”。其核心价值观是正直、透明、公平、合作和创新，这些精神被认为是世界技能组织的支柱。大赛注重选手的综合能力、作品创意、服务质量、工艺精准度的考察。

2011 年10 月5-8 日在英国伦敦举办了第41届世界技能大赛，共设置了46 个竞赛项目，涵盖了交通与物流、构造与建筑、机械制造、信息和通讯、创意与时尚、社会和个人服务等6 个方面。我国首次派选手分别参加了数控车、数控铣、机械设计CAD、网页设计、焊接及美发共6 个项目的比赛。通过代表团上下一心、共同努力，各位选手经过4 天的奋力拼搏，获得了参赛选手平均分在48 个参赛国（地区）中位列第二名的好成绩，且焊工选手裴先峰在激烈角逐中获得银牌，其他选手均获得了优胜奖。作为机械设计CAD 项目组的技术翻译，我全程参与选手推荐、培训跟踪、2011 年6 月伦敦热身赛及10 月份的正式比赛，对大赛有比较深刻的了解，感受颇多。

2 41 届WSC 机械设计CAD 竞赛项目介绍

2.1 项目简介

不同比赛项目具体规则不同，机械设计CAD项目所有赛题均当天现场发放，这与其他大部分项目不同（一般提前3 个月给出，赛场改变30%）。因此，要求选手具有坚实的机械工程基础知识、灵敏的整机装配意识、极强的设计应变能力和高超的软件应用技能。这些都要基于平时的扎实学习和大量高强度的赛前训练功底，才能在规定时间内高质量完成竞赛项目。机械设计CAD 项目所用软件是Autodesk 公司赞助的教育版Inventor professional 2012，所有竞赛题目均由该公司资深设计专家提供，全部项目必须基于ISO 标准完成。选手在4 天22 小时内共完成4 个模块，涵盖了机械制图、机械设计、计算机三维建模与装配、三维动画模拟、钢结构、钣金件设计及测绘等，具体内容如表1 所示。

表1 竞赛时间安排表

从表1 可知，特征建模及装配占总分值的46.5%（近1/2），尺寸与技术要求占25.5%（近1/4），图样表达（图形、动画、渲染）占28%（近1/4）。

2.2 项目具体内容

第1 天的项目主要考察选手的读图、建模、装配、动画、制图、ISO 标准掌握及软件应用等机械设计CAD 的基本技能。题量大，难度中上，对于各国的顶尖选手，也有一半完不成规定的任务。图1 为组装后的汽车模型，其中车体、车轮、前部间壁支架、底盘等零件是给定的，将大约60个零件（含标准件）要组装到一起，并完成子装配和整车装配过程的动态演示及复杂结构—前部间壁支架（如图2 所示）的制造工程图。

图1 组装后的遥控汽车模型

图2 车前部间壁支架

第2 天的项目重点考察选手车体零件运输系统的整体拼装能力、焊接桁架设计、钣金结构设计和动画表达能力。该物料输送机构是现代工厂流水线上比较典型的输送机构，如图3 所示。

具体分析可知，前两个项目属常规化的技能型项目，选手经过一定的训练拿到20 分以上没太大问题。但第3 天的项目以设计为主，注重结构设计的合理性、运动传递的可行性、概念设计的创新性、运动过程模拟的真实性。

从比赛进程看，因设计是难点，设计挑战是拉开分值的关键项目。计量泵如图4 所示，内部结构较复杂，含有蜗轮蜗杆减速机构。在没有装配图的情况下，选手凭借对设备的敏感度，将所给零部件组装成计量泵。同时，根据给定的参数，利用设计加速器或旋转切出蜗杆，完成蜗杆设计。蜗轮上的曲柄驱动带滑槽的摆杆以带动活塞实现泵的吸、排工作过程。

图3 车体物料运送机构

图4 改进后的计量泵

图5 为项目给定剪刀式升降运输机构的概念设计草图。其下部液压缸为主动件，驱动剪刀机构升降。此项目要求磙子输送托盘在下方有驱动电机驱动下回转90°以衔接下一个输送轨道，图6 为满足全部要求的概念设计结果。

第4 天的项目属反求设计，即根据给定的零件，如图7 和图8 所示。通过手工测量后，构造其三维模型，并生成制造工程图。考察测量的精准性、特征建模的正确性、尺寸标注的完整性、技术要求的合理性。初步观察零件似乎不难，实际存在大量的孔、凸台、圆角及倾斜特征，且基准定位面不明显。易导致测量不准、尺寸标注缺失、几何公差基准难确定等。因此，要求选手具备一丝不苟且高超的测量、建模及工程图编辑能力（零件在选手处只保留2 小时）。

图5 剪刀式升降运输机构概念草图

图6 剪刀式升降运输机构模型

图7 测量用零件下面

图8 测量用零件上面

3 世界技能机械设计CAD 项目带来的启迪

从4 天竞赛项目的复杂程度和难度可见机械设计CAD 的发展趋势及其在现阶段和未来工业现代化发展进程中所起的作用。使我们清楚地意识到当今机械设计类高技能创新型人才培养的基本目标及人才需求的大方向。

中国在由制造大国向制造强国迈进的过程中，急需大批高技能创新型人才。中国参加世界技能大赛就是本着熟悉规则，了解动态，积累经验，学习交流和提高技能人才培养水平为目的[3]。竞赛给我们带来了深刻的启迪，即在注重设计和制图效率的同时，更注重设计及图纸的质量、精度和可加工性、以及设计表达及模拟的真实性，这恰恰是我们教学中容易忽略之处。

纵观国内高校机械大类培养计划，机械设计CAD 通常融汇在机械制图、机械加工基础、机械精度设计及检测技术、机械原理、机械设计、机械制造技术基础等必修课及CAD/CAM 选修课中，这些课程一般要大三结束时才能学完。按照我国大学生的基本入学年龄计算，那时都超过22 岁，不具备基本的比赛资格。由于各课程学习的衔接性不强，缺乏课程独立性项目设计及各课程间综合性应用项目的研究，我国大学生应对这样的高水平国际赛事有相当的难度。诚然我们培养人才的目的不只是为了参赛，而参照参赛项目重新审视人才培养的大方向更是我们应该思考的问题。

机械制图属工科大类技术基础课，一般设在大学一年级，此时，学生年龄大多不到20 岁，是最佳的学习年龄，却也是基本不具备任何专业知识的年龄。对学生而言，机械制图是他们最早接触到的专业课，充满了好奇和求知愿望，如何利用这个极好的契机带领学生学到更多的有关机械设计CAD 方面的知识是机械制图教师的责任和义务。同时，鼓励学生积极参加与世界技能大赛相关的各类选拔赛，展现中国机械设计年轻技能人才实力、推动中国技能人才培养进程。

4 国内高校机械制图课程教学需要改革

4.1 机械制图课程教学目标定位需要提高

机械制图教学内容和难度同该竞赛项目相比差别甚大[3]。教学大纲重点强调投影规则、视图表达、简单的二三维CAD 绘图知识等。国内机械制图教材很少涉及与绘图关联十分密切的设计应用内容，主要以介绍投影规则和解析国家机械制图标准为主，学生学完了机械制图课程不知道为什么而学、学了做什么、今后怎么做的大有人在。

4.2 教学内容与实际应用的联系需要加强

通过选手培训和竞赛的全过程可知，我国选手机械设计CAD 基础教育非常欠缺。教学内容能够用到生产设计实践中的不足20%，尤其是工程图中的尺寸和技术要求标注不注重可测性和可加工性，大多遵从与设计基准相一致的原则，这与国外高等教育或职业技能教育注重紧密联系生产实际形成巨大的反差。如何缩小差距以增强我国在该项目上的实力是教师必须深思和要解决的问题，并从整体上提升机械制图教学水平。

4.3 教学模式需要更新

多年来的教学改革成效不甚明显。教学模式总脱离不了课堂教授为主，课下完成局部知识点对应的简单作业为辅的教学模式。课程缺少综合性、深入性、与实际应用紧密联系的实践性教学环节，亦缺少客观考核学习效果的评价方式，致使学生应用所学知识解决实际问题的能力得不到应有的锻炼和提高。尤其是缺乏引导学生深入学习较复杂机构图样的项目，无法更好地激发学生自主学习的潜能。

5 机械制图教学改革的具体措施

切实转变观念，加大改革力度。在机械制图教学中融入更多的设计元素、实际应用元素、现代设计表达元素等，以期调动学生的学习兴趣，激励他们奋发向上，主动探索，打好机械设计CAD 基础。我们培养的是具有创新能力的人才和现代设计工程师，要彻底改变单一化理解“机械制图”的陈旧观念，才有助于高技能创新型人才培养这一国家战略性大计的贯彻和实施。

5.1 调整教学重点，加强上机实践环节

压缩画法几何内容，把更多的时间分配给机械制图及上机实践指导。教学中注重结构设计的合理化、图纸表达的标准化、尺寸及技术要求标注可测性及可加工性。

5.2 急需编辑出版融机械制图、设计、三维软件应用为一体的新型教材

继承原有机械制图教材细腻与规范的优点，需要更多地结合设计和应用实例，从设计、工作过程仿真、工程图出图等方面，指导学生学好、用好“机械制图”知识的教材尽早问世。强化设计、制图、表达三者间的关系，切实提高学生的综合运用能力和现代设计能力。

5.3 围绕工程应用实践培养学生的创新能力[4-6]

从机械设计CAD 技能大赛的竞赛分值所占百分比可知三维设计、工程图表达及标注、动态模拟是高技能人才必备的现代设计技能。教学中应围绕工程应用实践，着重结合项目学习法深入剖析部件的工作原理、设计特色、功能结构特点、视图表达、制造工程图的生成、动态拆装及工作过程模拟等内容的学习和训练，以掌握这些现代设计基本技能，为优秀人才成长打下良好基础。

5.4 解放思想，转变观念，大力推广应用研究型教学模式

机械制图绝不是简单意义上的基于投影对应关系的二维绘图。一方面二维图形信息已远不能适应现代设计和制造的需求；另一方面为缩短设计周期，三维虚拟设计已成为必然，因此，当今的机械制图应该是建立在三维设计基础之上，无法将制图与设计割裂开来，这就给机械制图教学带来了挑战和机遇。

教学中从探究出发，结合不同的工程项目或产品，给学生提供关键性的指导，让他们发挥主观能动性，自觉投入到项目学习中，以团队形式完成项目作业[4,6]。同时，引导学生尽量从身边看得见、摸得着的实物出发，从概念设计、改进设计、发明创造的角度发掘设计灵感。完成设计的过程就是他们阶段性自我实现的过程，巨大的成就感会促使他们不断进取。从而扎实掌握建模及装配、拆装过程及工作原理仿真、制造工程图编辑和出图等一系列必备知识，打好机械设计CAD 基础，为后续课程学习和现代设计技能的进一步提高奠定扎实的基础。

多年来，国内不少高校在机械制图教学改革中做了很多工作，各有特色。以大连理工大学机械制图课程教学为例简要说明该教学模式的优点。我们一直秉承着继承与创新并重，制图与设计并行的教学理念，全程采用应用研究型教学模式，因此，每年都有80%以上的学生通过机械制图课程的学习，不仅掌握了机械制图的基本知识，同时在结构设计和创新上都有尝试和突破。自2009 年以来有多名学生参加亚太地区、国家级、省级的机械设计大赛，CAD 二维、三维认证，全国大学生机械产品数字化设计大赛，以及2 名非常优秀的学生作为世界技能大赛的最终备选选手等，他们都取得了很好的成绩。这些是得益于机械制图课程的研究型教学模式，学生们在后续课程的学习中柔韧有余，受益匪浅。