基于毕业设计图样的工程图学教学改革

高征兵,秦永法

(扬州大学机械工程学院,江苏扬州225127)

毕业设计是高等学校人才培养的最后一个教学环节,是人才培养品质的重要体现。机械专业工程设计类专业毕业设计所要完成的任务和提交的材料包括毕业设计前期材料(内含毕业设计任务书、开题报告、实习报告、外文资料翻译)、毕业设计说明书及相应课题的设计图样等内容。其中设计图样的品质是评价毕业设计品质的重要指标,而工程图学学习品质的优劣,是毕业设计图样品质的决定性因素之一。笔者对所在学校近几年机械专业工程设计类毕业设计图样中存在的问题进行了分析,从教学内容、教学方法、教学手段及教师自身水平等方面提出了对工程图学进行教学改革的一些措施,提出以传统教学、多媒体教学与三维造型设计为主线的教学相互结合的方法,并将徒手绘图、尺规绘图及计算机绘图融为一体的教学模式。

1 毕业设计图样存在的问题

1.1 绘图不符合国家标准和制图规范

图样既然是“工程师的语言”,那么规则应统一。在我国工程图样必须符合一系列制图国家标准,包括标题栏、线型、比例、字体、尺寸标注等方面。但在毕业设计所提交的图样中存在多处不符合规范的地方。有的数字、汉字字体不分;有的标题栏格式不规范,甚至图名、单位(校名班级)等信息填错位置;有的线型使用不正确,如粗细不分、虚实不分、细点画线和细实线不分、图线是否相交不分;有的尺寸标注错误或不规范,如在装配图上标注了零件的详细尺寸等等。

1.2 视图表达不准确

对于稍复杂的零件工程图和装配工程图的表达常常错误较多。比如,使用视图、剖视图、断面图等表达方法时,概念模糊、目的不明确、投影关系不清楚。再如,在选择视图表达方案时,没有从零件的形状特征、工作位置、加工位置等方面来确定,而是机械地套用三视图,致使所画的图样不能完整地表达出零件的结构形式。

1.3 标准件和常用件不遵守标准手册要求

对于螺纹坚固件、轴承、销、弹簧、齿轮等标准件和常用件,国家标准规定了具体的画法。但图样上存在着明显的错误。这些反映了学生不善于查标准手册,而是想当然。

1.4 技术要求标注混乱

从图上所标注的表面粗糙度、尺寸公差、形位公差、材料及热处理等技术要求及毕业答辩来看,学生没有真正掌握这些技术要求的含义及应用,如有的标注格式混乱,甚至错误;有的选用不合理或直接一抄了事。

2 存在问题的原因分析

2.1 课程安排不合理

工程图样是产品制造、检验的重要技术文件和工程界的共同语言,因此许多院校都把工程图学看作是为后续课程服务的公共基础课而被安排在大一学完。多年来的教学实践表明,这是一个认识上的错误[1]。众所周知,机械类工程图学包括画法几何、制图基础、机械图及CAD绘图等内容,是一门有理论、有认识,而且实践性很强的技术基础课,其中的机械图及CAD绘图需要一定相关专业知识为基础,而把该课程安排在金工实习等教学环节之前,由于学生缺乏相应的实践环节及对零部件的感性认识,造成学生对课程上的内容不理解是理所当然的。另外,工程图学与后续课程相脱节,学生在大一学完该课程,到大三大四课程设计、毕业设计时很多制图知识已遗忘,图样上错误较多也就不足为奇了。

2.2 学生基本技能训练不够

随着教学大纲的不断修订,工程图学课时逐渐减少而教学内容不变,教学中尺规绘图、徒手绘图训练等传统的尺规制图内容被逐渐淡化了,造成绘图基本技能的训练不足,而且这一现象随着计算机绘图的应用而日益明显。事实上尺规绘图是学习工程图学一种有效的、无法替代的教学手段。学生只有通过一定数量的习题及尺规绘图作业的训练,才能掌握国家标准中制图的有关技能和规定;才能培养严肃认真、一丝不苟的工作作风;才能逐渐培养绘图、读图能力;才能更好地掌握计算机这一绘图工具。

2.3 学生学习积极性不高

工程图学的教学目的旨在培养学生的空间想象能力和空间构思能力,从而能够绘制和阅读工程图样。对于刚进大学校门的大学生来说,他们的空间概念不是很强,部分学生感到学习困难,渐渐地感到该课程枯燥乏味,于是学习的积极性、主动性下降。教师如果不注重教学的生动性,只满足于讲解,那么就不能激发学生的学习兴趣,从而达不到应有的教学效果。

2.4 实践性教学环节存在不足

虽然在第二学期初安排了制图实训周,内容是根据装配示意图拼画装配图及由装配图拆画零件图,由于没有专业知识,图上的工艺结构、技术要求并不能真正理解;到了大三大四课程设计,工程图学及互换性与测量技术等课程的内容已生疏,图上的内容同样没有真正掌握;生产实习在车间的时间有限,认真研究工序卡片、工程图样的机会也不多。因此,实践性教学环节在整个教学过程中没有起到应有的作用。

3 工程图学课程的教学改革和相应措施

3.1 合理安排教学内容

3.1.1 分阶段全程教学

第一阶段:在第一学期安排画法几何及制图基础,为金工实习奠定了一定的绘图和读图能力;第二阶段:在第二学期或第三学期初先安排金工实习,而金工实习又为紧跟其后的机械图及CAD绘图的学习提供了必要的机械制造基础知识;第三阶段:在讲授完互换性与测量技术后,安排制图实践训练周,进一步巩固和提高学生的绘图技能;其他阶段:工程图学教师应和专业教师共同指导含有工程设计类的课程设计和毕业设计,并侧重指导装配图和零件图的表达方法及图面品质。在该阶段教师可发现学生的薄弱环节,从而总结教学中的不足,以便更好地进行教学。这种课程设置能将工程图学的教育贯穿于在校的全程教育,从而保证学生的绘图训练不间断,绘图技能、工程设计的能力不断得以提高。

3.1.2 教学内容调整

a)尺规绘图、计算机绘图及徒手图并重的技能培养

目前虽然计算机绘图已经普及,但尺规绘图仍是学生掌握制图规范、培养学生绘图技能及空间思维能力的重要途径。计算机绘图技术是一种绘图环境和工具,是图板和丁字尺的发展和延伸[2]。实践证明,只有掌握制图知识的人,才能更好地掌握和使用计算机绘图。徒手图具有快速、灵活、高效的特点,在机器测绘、方案讨论、技术、现场记录均要用到徒手图。因此,在教学内容中应有尺规绘图、计算机绘图及徒手图三种绘图能力的培养。

b)调整画法几何及制图基础的内容

1)画法几何点、线、面及基本体部分,实质上讲了两个问题:图示法和图解法。图示法揭示了视图间的投影规律,是制图部分的理论基础,必须重点掌握;图解法是研究空间几何元素的度量、定位等问题。随着学时数的减少及计算机绘图技术的应用,该部分内容应作相应调整。具体做法是:在介绍投影法的基础上将点、线、面融入到基本体中介绍,因为借助于基本体的三面投影图可讲清楚点、线、面的投影规律及性质;删除在制图部分应用极少或用计算机可方便求解的图解法内容,如一般位置线与面、面与面的相互位置问题,空间几何元素的角度、距离等问题。

2)去掉在制图部分应用较少的投影变换这一章节,所需内容可在斜视图、斜剖视图中补充介绍。

3)截交线、相贯线这两类题目的共同点是求平面与立体、两立体共有点,在新的国家标准中规定相贯线可用模糊画法来表示及在企业常由简单的直线或曲线代替。因此,教学中可通过常规例题,如圆柱类、圆锥类、球类等,着重介绍这两类线的概念及共有点的求法,题目的难度及数量可适当降低。

4)轴测图内容不必单独成章,可将其内容穿插到基本体、组合体及视图中进行讲解,这样更有利于学生借助于轴测图进行读图和绘图。

c)增加三维造型设计内容

传统设计中,由于受工具的制约,二维投影图是传递设计信息的介质;但在现代工程设计中,计算机生成的三维几何造型可直接用于后续生产、制造阶段,二维投影图不再是这一过程中所必须的文件[3]。因此,传统画法几何及制图基础内容在减少的同时,与三维造型技术有关的计算机图形学内容应得到加强,这样的调整可进一步培养学生的空间思维及动手的能力。

d)调整制图实践训练的内容

改变过去单纯由零件图拼画装配图的模式,将制图实践训练周的内容调整为以机用虎钳、齿轮泵或减速器为模型,让学生测绘出除标准件以外所有零件的草绘图,然后指定部分零件用尺规或计算机绘制出零件图,最后绘制出模型的部分装配图(某条装配干线)或整个装配图。通过对典型零件的认知和测绘,不仅可以提高学生的工程设计能力及动手能力,同时还将工程图学和后续课程有机地结合在一起。

3.2 合理应用教学方法及手段

3.2.3 加强实践性教学环节

通过实践训练阶段使学生重点掌握徒手绘图、尺规绘图、计算机绘图的技能和设计思维方法。学生除了可以对现有产品进行测绘外,还可以对产品进行改进设计或自由选题。具体分为三个阶段:1)绘制草图,包括轴测图,展示产品的设计结构及方案。2)对零件进行三维建模、装配、分解并生成二维工程图,掌握机械CAD软件的应用及机械工程图样的表达。3)通过尺规绘图完成主要零件的零件图或部件的二维装配图,巩固机械制图国家标准的有关规定。通过这种将徒手绘图、尺规绘图及计算机绘图融为一体的实践教学模式,有助于培养学生的设计思维方式,掌握先进的设计表达方法,引导学生的工程设计意识[6],培养其工程实践能力。

3.2.1 教学模式的转变

3.2.4 完善校园网络教学资源

前面已经提到贯穿于工程设计、制造一体化全过程的是产品的计算机三维模型,二维投影图不再是这一过程中所必须的文件。这些变化不可避免地对传统的工程图学的教学体系、教学内容及教学手段提出了挑战。因此,以二维投影图为核心的传统教学模式转变为以三维造型设计为核心的教学模式是机械类专业工程图学教学改革的趋势。

3.2.2 坚持传统教学、多媒体教学与三维造型设计为主线的教学相互结合的教学方法

1)工程图学传统的教学方法是板书、教学模型、幻灯片、挂图等的应用,因板书重点突出、对照模型或轴测图作图过程清楚,在教学中发挥了重要作用。但由于模型、挂图的局限性,再加上现在是合班课,学生人数较多,单一使用该方法效果不佳。

2)多媒体教学的特点是将教学内容生动、形象、直观地展现在投影屏幕上,具有画面清晰、色彩鲜明、信息量大等优点,但由于其速度快,留给学生思考的时间少,而且学生的注意力都集中在屏幕,而不是教师,教师的主导地位较少得到学生的注意[4]。若采用单一播放式的多媒体教学,教学效果当然也不理想。

3)以三维造型设计为主线的教学方法。如何培养学生的空间想象能力和构思能力,是工程图学教学过程中的主线。以三维造型设计为主线的教学特点体现在:三维形体具有较强的可视性,能准确地反映出工程师的设计思想;能直接利用零件模型数据进行虚拟装配、生成相应的二维投影图,还可进行有限元分析、运动分析、数控加工及快速成型等后置处理[5];能够和后续课程,如计算机图形学、机械CAD/CAM等较好地衔接起来。实践证明,这种教学方法对激发学生的学习兴趣、培养学生的创造性思维是非常有益的。

综上所述,在教学中应当根据教学内容实时地综合应用上述教学方法,以达到最佳的教学效果。

教务处在校园网上开设了“网络教学综合平台”,教师应当健全网络课程的内容,如将教学大纲、教学日历、电子教案、CAI课件、三维虚拟模型库、习题解答、在线答疑、在线测试等项目放到该平台上,通过这些项目可实现师生之间的沟通与交流,从而对学生的学习起到检查、巩固和提高。

3.3 提高教师自身水平

工程图学虽是一门技术基础课,但其教学内容不仅包含画图、读图等一系列制图本身的内容,还包含了机械制造基础、互换性、机械设计、工程材料等学科的内容,这就要求工程图学教师具有丰富教学经验的同时,还必须有相应的专业知识和实际经验。但事实上大部分制图教师教学活动单一,只担任制图类课程的教学。教师队伍的知识结构较为单一、实际设计经验缺乏、科研经历不足是目前大部分制图教师的现状[7]。因此,工程图学教师除了必须掌握后续课程的现状和发展趋势外,还应多参加生产实习、实践,积极参与科研项目,只有具备这样的实践经验和科研经历并将其渗透到教学中,才能成为合格的工程图学教师。

4 结语

要提高机械类专业毕业设计图样的品质,必须对工程图学的教学进行改革,这种改革体现在教学内容、教学方法及教学手段等方面。采用以三维造型设计为核心且综合其他手段的教学方法,并将徒手绘图、尺规绘图及计算机绘图有机地结合在一起的教学模式,对培养学生的读图能力、绘图能力、创新能力和工程设计意识有较强的系统性和可行性。学生具备这些能力将为后续课程的学习和毕业设计及今后的实际工作打下坚实的基础,从而更好地适应社会的需求。

[1]丁茹.从毕业计看工程图学全程教育问题[J].辽宁商务职业学院学报,2003(4):83-84.

[2]裴善报.机械制图课程教学改革与实践[J].安徽工业大学学报,2010(27),3:128-129.

[3]杨光,黄毓瑜,刘静华,等.突出“设计”和“三维”的观点改革工程图学教学[J].工程图学学报,2002(2):150-156.

[4]王建华,郝育新,刘令涛.工程图学计算机辅助教学实践与思考[J].工程图学学报,2012(12):116-120.

[5]王宗彦,冯敬华,暴建岗.从三维设计出发改革传统机械制图教学[J].华北工学院学报,2004(2):70-72.

[6]陈东祥,徐健,郑惠江,等.面向“卓越工程师”培养目标的“工程图学”教学改革[J].教育教学论坛,2012(33):27-28.

[7]舒宏,胡清泥,高菲.中日机械制图教材的比较及对教学改革的启示[J].工程图学学报,2010(4):166-171.