试论基于数字化制造的职教机械制图教学改革

高恒星

摘要：在数字化制造技术不断发展和广泛应用的背景下，工程图读绘方法和能力要求也在不断发生变化。本文提出，职业教育机械制图课程作为培养技能型人才工程图应用能力的核心课程，需要紧跟技术进步和生产实际来改革教学内容和教学方法，将数字化制造软件应用与工程图读绘能力培养相结合，达到基于数字化制造背景的职教机械制图课程教学目标。

关键词：数字化制造 职业教育 机械制图 课程改革

课题：本文为江苏省淮安技师学院国家级高技能人才培训基地建设项目数控加工专业技能人才培养规律及培训模式研究成果之一。

2015年8月，教育部印发《关于深化职业教育教学改革全面提高人才培养质量的若干意见》，要求推进专业教学紧贴技术进步和生产实际。对接最新职业标准、行业标准和岗位规范，紧贴岗位实际工作过程，调整课程结构，更新课程内容，深化多种模式的课程改革。机械制图课程作为培养技术技能型人才应用工程技术语言能力的重要学科，也必须紧密结合产业发展实际，推动教育教学改革与产业转型升级衔接配套。

一、基于数字化制造技术的机械设计与制造

数字化制造技术是数字化技术和制造技术的融合，它是制造技术、计算机技术、网络技术与管理科学的交叉、融和、发展与应用的结果。随着工业4.0时代的到来，国家出台“中国制造2025”规划，大力推进信息化与工业化深度融合，数字化制造技术成为推动企业产业升级的有力推手。在数字化制造技术不断发展的时代，产品设计、制造信息平台，从二维向三维转变，从三维模型和二维工程图信息独立向数据关联转变，从设计、工艺、制造、检验、维修的独立信息载体向基于模型定义（MBD）技术的集成-化信息载体转变。当前，各类企业都在不同程度上应用数字化制造技术来实现生产和管理过程的信息化，提高生产效率和进行质量控制，数字化制造技术不断影响和改变着制造企业传统的生产以及管理方式。

二、数字化制造技术推动r程图绘制和识读方式的改变

传统工程图是建立在二维设计基础上的，以二维视图、各类符号标注和文字说明来定义产品设计和制造信息。随着计算机技术的发展和CAD软件技术的不断成熟，作为产品设计制造信息载体，工程图经历了从二维工程图到三维实体模型的三个发展阶段，即：“二维设计，二维出图”阶段、“三维设计，二维出图”阶段、MBD全三维数字化设计制造阶段。在中、小型制造企业中，数字化制造技术的应用处在三维模型和二维工程图表达相结合的设计与制造阶段，即“三维设计，二维出图”阶段，以三维CAD软件为设计平台，三维CAD模型以表达产品几何特征等设计信息为主要任务，以二维CAD软件为制造信息表达平台，采用包含轴测图的二维工程图表达产品尺寸、公差、粗糙度、工艺等制造信息为主要任务，两者都可以作为零部件生产和装配的技术文件。基于数字化制造技术的三维CAD模型必须依存于信息技术载体，二维工程图无论是无纸还是纸质载体，其与传统工程图读绘能力要求都有明显变化，如表1所示。

以数字化制造软件技术为支撑的产品定义载体，工程图的读绘方式和相应的能力要求，都发生了明显改变。从当前职业教育机械制图课程教学目标看，传统的工程图样读绘能力培养占主导地位，而对数字化制造软件在工程图领域的应用能力培养，还没有引起足够重视，或者说传统的工程图读绘能力与数字化制造技术条件下工程图读绘能力培养还没有紧密结合起来，将计算机绘图技术当做代替手工尺规绘图手段的思想仍然流行，按照传统教学方式对学生进行大强度读图和绘图训练的教学方法还普遍存在，部分计算机绘图课程培养目标停留在“画图”层面，局限于具体绘图命令的讲解，而机械制图课程对于计算机绘图技术的应用不够彻底，存在能力培养脱节现象。

三、机械制图课程融合CAD技术是产业转型升级的需要

传统的机械制图课程教学强调学生二维图样的绘图和读图基本功训练。这部分内容是教学重点，也是课程学习的难点。由于工程图表达的信息与工程实践结合紧密，需要一定实践经验积淀和反复练习才能熟练掌握工程图读绘技能。因此，在课程学习阶段，即使师生花费大量的时间和精力，效果有时也不尽如人意。在数字化制造技术引领制造业信息化的时代，计算机绘图技术已经超越代替传统手工绘图的功能，成为工程技术语言的新载体，不仅促进了“甩图板”和“甩图纸”的技术更新，更是当前整个产品生命周期过程中不可或缺的信息载体。机械制图课程作为培养应用工程技术语言的核心课程，其培养目标和对应教学内容必须与这一变化相适应。机械制图课程以培养工程图的识读与绘制能力为基本目标毋庸置疑，CAD软件技术作为数字化制造技术的核心，机械制图课程教学需要借力和顺应数字化制造技术，来有效提高技能型人才基于数字化制造技术的工程图识读与绘制能力。因此，需要将CAD软件技术应用能力真正融合到工程图读绘能力培养过程中，而不仅仅是作为代替手工绘图的工具，存在于相互独立的教学中。

在课程教学中以CAD软件三维造型为主线，应用易学易用的国产软件CAXA实体设计或UG、solidWorks等其他常用的数字化制造软件，按照在制图课程学习中“实用、够用”原则，教会学生基本三维造型方法，三维模型转二维视图基本方法，以及二维工程图标准化设置、尺寸标注、技术要求标注等基本方法。学生在学习机械制图课程过程中，就能习惯于应用数字化制造软件，按照工程图标准来表达产品定义相关信息。

四、机械制图课程教学内容和方法的滞后性

职业教育所培养的是中、高级技术技能型人才，突出人才职业能力的应用型和技术的实用性。在企业广泛采用数字化制造技术背景下，作为培养应用工程技术语言能力的机械制图课程，其教学目标和教学内容必须与制造业技术发展同步。

受机械制图课程教学内容、教学方法的传统惯性影响，以及大部分职业院校教师到企业实践的机会有限，缺乏足够的工程实践经验，课程教学内容与企业新技术应用存在一定的滞后性，培养目标与企业要求存在一定差距。从当前各类职业院校选用的机械制图课程教材看，无论从传统到当前的纵向比较，还是从中职到高职的横向比较，机械制图课程主要教学内容的结构体系基本没有太大变化。基本按照制图基本国标与基本技能、正投影作图基础、点线面投影、轴测图、组合体、机件表示法、零件图、装配图、零部件测绘、计算机绘图、其他图样（选学）来编排。对于计算机绘图内容，通常有三种教学方式，即单独开设计算机绘图课程，制图课程中集中教学授，或者分散教学。机械制图课程的实践性和职业性，要求学以致用、用以促学、学用相长，教学改革要求与产业与技术发展同步，但教学内容的滞后性影响基于数字化制造技术的工程图读绘能力培养。

由于新知识、新技术不断涌现，以培养应用型技能人才为目标的职业教育课程体系逐步以实践教学为中心，不断推进教学模式改革，导致机械制图课程总教学课时有相对压缩的趋势，由于机械制图课程学习对抽象思维的高要求，课程与工程实践结合的紧密性，学生缺少工程实践经验等因素，课程学习客观上存在一定困难。因此，要达到满足企业需求的职业能力，必须进行有效的课程改革。在本校多届的毕业生就业双选会上，如富士康（富准、鸿准）模具、舍弗勒（昆山）等众多企业对毕业生笔试选拔中，工程图读绘能力测试是必考项目，而且占有笔试成绩的很大比例，其中第三角画法、与数字化制造技术相关的图样读绘能力等企业正在应用的技术，都是常见的考核内容，企业对应用型技能人才工程图读绘能力的要求可见一斑。

五、基于数字化制造技术的机械制图教学内容改革

基于数字化制造技术在工程图表达中的应用，对机械制图教学内容进行增减处理。一方面，增加新技术、新方法，强化相关内容学习，为适应技术发展需要和后续课程学习奠定基础。另一方面，对教学内容中脱离培养目标和生产实际的知识、技能进行删减，不仅突出了教学重点，体现教学内容的先进性，也体现职业教育“实用性”原则。至于在传统教学内容中，利用尺规绘图技能训练和读图技能训练，虽然可培养学生一丝不苟、严谨认真的工作作风，以及空间想象能力和抽象思维能力，但针对职业教育培养对象和培养目标，教学内容应有利于紧贴岗位需求的应用性和实用性能力培养，而更高层次的职业素养应在未来的职业生涯中逐步提升。基于数字化制造技术的机械制图教学内容增减建议，如表2所示。

六、基于数字化制造技术的机械制图教学方法改革

1.围绕数字化制造技术重新把握教学重难点

机械制图课程传统内容结构体系符合工程图知识技能认知和发展规律，但由于信息化技术，特别是数字化制造技术的广泛应用，其传统意义上的部分教学重、难点已经不能适应当前机械制图课程培养目标的需要，围绕数字化制造技术条件下工程图读绘能力要求，重新确定教学重点、难点，才能在有限的教学时间内保证教学目标的实现。如突出制图标准、平面图形分析、组合体和机件图样正确的读绘思维方法和步骤、尺寸和技术要求标注及其含义、图样表达方法的正确应用、CAD软件三维造型和二维视图转换及其标注等。

2.CAD软件应用与工程图读绘教学有机结合

要紧跟数字化制造技术发展和应用步伐，工程图读绘能力的培养过程就必须贯穿CAD软件技术应用，利用多媒体等信息化教学手段，将工程图读绘能力培养与CAD软件应用紧密结合，两者相辅相成，有利于培养学生基于数字化制造技术的工程图读绘意识和能力。

当前机械制图课程在职业院校通常开设两个学期，其中包含集中讲解或分散讲解的计算机绘图知识，随后计算机绘图（CAD）课程再开设一到两个学期。由于两门课的教师和教学时间不一致，教学内容被割裂开来，即使计算机绘图知识包含在机械制图课程两个学期中教学，其教学时间也会严重不足，难以达到基于数字化制造技术的工程图读绘能力培养要求。如将两门课程融合在三到四个学期教学，作为重要技术基础课的机械制图课程总课时有所延长，也避免将计算机绘图软件仅当成“画图”的工具，而忽视其作为工程图读绘重要手段和产品信息表达载体的本质作用。

3.应用信息化技术手段提高教学效果

随着教育部《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》的出台，信息化对教育的影响越来越广泛，为教师的教学方式提供了更多的手段。灵活应用多媒体技术、网络技术、计算机技术等信息化教学手段，教学内容可化抽象为具体，提高课堂教学直观性，化解教学难点，激发学生学习兴趣；解决教师课堂板图效率低的问题，方便教师“举一反三”，提高课堂教学容量，学生则“见多识广”；部分学生独立完成课外练习有困难时，可以借助手机、计算机等工具获得网络教学资源库中相关文件，辅助学生完成课后作业；采用CAD软件教学，通过二维视图设计三维模型的反复训练，可迅速提高学生读图能力，而借助三维模型生成二维视图的功能，可突出机件表达方法选择、尺寸和技术要求标注等重点教学内容，提高绘图能力训练效率。

4.吸收企业生产和技能竞赛图样作为教学素材

基于数字化制造技术的工程图已经在企业得到广泛应用，将企业生产实践中所应用的二维工程图、三维实体模型，以及基于CAM软件的零件二维和三维模型数控加工刀路文件作为教学素材，让学生了解基于数字化技术的工程图在企业生产中的实际应用。职业教育开展技能竞赛活动，是我国教育工作的一次重大制度设计与创新，各类职业技能竞赛成为引领和推动职业学校加快课程改革、提升教学质量、展示教学成果的重要平台，其中加工制造类竞赛项目多、范围广、影响大，产生了大量的实操竞赛图样，由于赛件具有典型结构的集成性、与生产实际的关联性以及加工工艺复杂性等特征，实操项目的设计和竞赛过程广泛采用数字化制造技术。例如，在国内各级竞赛和世界技能大赛（Worldskins）中，赛件的纸质零件图、装配图等二维图样都包含轴测图，竞赛过程也主要依赖于CAD/CAM软件技术。在不涉及知识产权的前提下，可以将这些实操赛题引入到机械制图课程教学中，来丰富教学素材，也能激发学生的学习兴趣。

七、基于数字化制造技术的机械制图教学改革实施效果

按照以上机械制图课程教学内容和教学方法改革思路，对本校五年制数控加工专业和模具制造专业人才培养方案进行修订，并在13、14、15级班级中执行调整后跨四个学期的机械制图新课程标准，教学效果提升十分明显。主要表现在：课后作业完成率和正确率明显提高；学生学习兴趣和主动性明显增强；利用软件技术辅助绘图和读图能力和意识明显增强；CAD软件实际应用能力显著提升；培养了学生对新知识、新技术的学习热情和求知欲望。