机械制图测绘课程“四位一体”的教学改革研究

苏金英，高小庆

（湖南有色金属职业技术学院机电工程系，湖南 株洲412006）

0 引言

机械制图测绘是一门实践教学课程，其教学目的是巩固所学的机械制图理论知识，进一步提高绘图和读图能力，以培养学生综合运用所学知识解决实际问题的能力和创新能力，为后续专业课程的学习奠定坚实的基础。机械制图测绘在设备维修、改造、仿制、技术资料完善等方面具有重要的实践的意义，是机械工程技术人员必须掌握的职业技能。

1 问题的提出

制图测绘课程在国内诞生到现在已有30年历史，但现有制图测绘教学仍以传统教学方式为主[1]。传统制图测绘对学生要求一般如下：（1）了解测绘模型的工作原理、内部结构；（2）正确拆装测绘模型；（3）选用合适测量工具测量零件，徒手绘制草图；（4）尺规绘制工程图样。上述教学目标自开设制图测绘课程以来一直如此，几十年未曾改变。

随着信息技术、数字技术的迅猛发展，机械行业的设计手段和制造手段均发生了翻天覆地的变化。企业作为用人的终端单位，对各岗位从业人员的职业技能要求也在不断发生变化。高职院校作为高技能人才的主要供给侧，如不与时俱进、积极开展教研教改，就会出现“专业课程内容与职业标准脱节，教学过程与生产过程脱节”，导致输出的人才与社会需求脱节。传统的制图测绘课程要求学生尺规作图，事实上，得益于CAD技术的强劲来袭，我国几乎所有工程技术人员在2000年前后已“甩掉图板”，采用计算机进行辅助绘图和辅助设计，与此同时，计算机二维绘图能力及三维建模能力已悄然成为企业用人的基本要求。近年来，美国一些高校加强了徒手草图和三维构型建模的教学内容[2]，去掉了尺规作图训练。

鉴于传统制图测绘教学的种种弊端，本文提出了“徒手草图、计算机二维绘图、三维建模技术、3D打印技术”四位一体的融合式教学改革（具体见图1），力求实现“专业课程内容与职业标准对接，教学过程与生产过程对接”，以期输出与时代需求相匹配的制图测绘人才。

图1 机械制图测绘课程“四位一体”教学改革

2 构建“四位一体”的教学内容

2.1 加强徒手草图能力训练

徒手草图具有成图速度快、不受场地限制等显著特点。只需一支笔、一张纸便可顺利表达自己的设计构想。在徒手绘制草图的过程中，绘图人员忽略绘图工具的影响，将思维集中到零件的结构分析、图形的表达方法研究中。因此，通过徒手草图的训练学习，可以有效培养学生对于方向、空间的认知能力，并提高二维工程图与三维实体相互转换的空间思维能力及思维速度。

徒手草图在工程实践领域中应用广泛，如有些急需加工生产的零件，由于任务的紧急性，没有时间绘制完整的工程图样，可用徒手草图予以表达；技术人员在现场调研、参观学习或灵感突现，需要迅速记录或表达设计构想，也可用徒手草图做记录。与他人进行技术交流时，往往也需要通过徒手绘制的草图来表达自己的设计构想。其次“徒手绘图是一种发现行为，是对视觉思维能力、想象创造能力、图形表达能力的有机结合”[3]。在徒手绘图的过程中绘图人员的发现、思考以及手、眼、脑的互动被强调，是培养学生形象化思维、设计分析及开拓创新思维的有效方法和途径。制图测绘是徒手草图学习的深入，更是训练徒手草图能力最合适的课程。

学生在开始徒手绘制草图时，因缺乏相关验，对线段长度、线段角度目测估算不准确等问题异常突出。因此，建议先让学生在带有栅格的方格纸上徒手绘制草图，然后逐渐脱离方格纸，进行完全徒手草图的训练。

2.2 计算机二维绘图代替尺规绘图

一直以来，尺规绘图贯穿于传统的制图测绘全过程。多年的教学实践表明：在制图测绘过程中，学生们消耗在尺规作图的时间往往达测绘总课时的40%～60%，然即便如此，尺规作图仍未达到最初的教学目标。首先，学生知道尺规绘图方式在企业已完全被计算机绘图取代，内心深处抵触尺规绘图，学习态度就不端正。但迫于老师要求或需通过这门课程的考核，只好敷衍了事，有的甚至将其他同学已画好的图拿过来，“依葫芦画瓢”生硬地抄袭一遍，纯粹为“绘图”而“绘图”。以至于图虽然画完了，却不知道图为什么要这么画，表达的是什么内容，其次，由于大部分同学们尺规作图不熟练，作图速度慢，有的同学因绘图比例定得不恰当或视图布局不合理导致图形超出图幅范畴又重新绘制，既影响了作图效率，又耗费了大量时间。在作图过程中，因各种原因，多数同学都有对局部图形“擦了改，改了擦”的改图经历，不仅影响图面的整洁，同时也延缓了整个课程的学习进程。再者，学生在尺规绘图的过程中，过分关注线条的均匀度，图面的整洁度，容易忽视对零件设计、工艺结构、尺寸标注合理性等方面知识的理解和综合运用[4]。

早在1992年，我国就开始实施“CAD应用工程计划”。国家教委在九五规划中提出要求全国重点高等工科院校在九五末基本甩掉图板，省属地方高等工科院校也应根据省情和各校特点拟定实施可行的改革方案以求逐步实现甩图板的教改目标[5]。CAD技术应用于机械工程设计中最早也是最基础的功能就是辅助绘图[6]，至今用计算机辅助绘图已俨然成为工程实践领域的常态。其完善的绘图功能和强大的编辑功能大大提高了绘图效率，学生无须再纠结线条的质量，图面的整洁等，而是拥有更多的时间去关注和思考测绘零件及所绘图形的本身，如零件的结构、零件的表达方法、视图的合理性等。

计算机绘图和尺规作图对当下的机械工程技术人员来说，前者犹如硬笔写字，不可或缺；后者犹如软笔写字，锦上添花。

2.3 增加三维建模技术

高职院校的学生普遍来讲，自信心不足，依赖思想严重。在制图测绘课程中，学生面对自己绘制的工程图样是否正确心存疑虑，常常完全依赖老师的批阅来纠错。如果有让学生通过某种方式能多方位地自主检查工程图样的视图错误，不但可以让学生从中体会到自我发现问题和解决问题的乐趣，培养自主学习的能力，更能增加学习信心。三维建模可恰到好处地解决上述问题。

学生依据自己绘制的工程图样进行三维建模，模型建好之后，将计算机里的三维模型与被测绘的零件比较，检查修改确认后，导出相应的工程图，再比较由三维模型导出的工程图与事先绘制的工程图样的一致性，检查修改。期间反复比较，反复思考，可有效修正前面实践环节中的视图表达等错误。其实质是从多个角度自我检查绘制的工程图样的正确性，目的是保证学生绘制的工程图样能真正表达被测绘的零件。在这个过程中，学生的读图能力、绘图能力、三模建模能力、观察能力、严谨的作风都得到了很好的训练。另可进行三维虚拟装配，进一步了解各零部件之间的装配关系。有兴趣的同学还可尝试运动仿真。

笔者不建议“实物（测绘模型）→三维虚拟模型→工程图”，即以被测零件为依据进行三维建模，再用三维模型导出的工程图呈现为制图测绘的最终工程图样。这样看似走了一条捷径，其实不然。本应由学生自主完成的三维到二维的转换现由三维软件代替完成了，学生的视图表达能力、空间思维能力均未得到很好的训练。机械制图测绘课程一般是安排在机械制图理论课程结束后的教学周，此阶段正是学生空间思维能力得以巩固和加强的最佳时期。一旦学生感受到由三维模型导出工程图带来的便捷，便会疏于三维到二维的视图表达思考。久而久之，削弱了读图和绘图能力。以至于严重依赖三维建模导出的工程图样，造成“没有三维建模软件，就无法绘制工程图样”的尴尬局面。在机械制造行业，有企业要求在生产蓝图的右下角添加三维图，其用意是帮助想象实体的形状和结构而不是其它，指导生产用的蓝图始终是二维工程图样。二维工程图样不仅在表达上比三维更清楚和准确，易于标注尺寸、尺寸公差、形状和位置公差、表面粗糙度等技术要求[7]，同时也是重要的技术文档。具备识读和绘制二维工程图样的能力是教学的基本要求，也是机械工程技术人员必备的实践能力。其次，但凡有三维软件使用经验的人都深有体会，由其直接导出的工程图是不能拿来即用的，必须加以修改完善才可作为指导生产用的蓝图样本。

2.4 引入3D打印技术

在传统的机械制图测绘课程中学生的最终成果是图样，终归属“纸上谈兵”。依据学生绘制的图纸进行生产加工，能否制作出合格的零部件，不得而知。而这恰是工程实践领域最为关心的问题。

3D打印技术具有仿真性强、速度快、价格便宜、高易用性等优点，是对传统制造业的颠覆性变革[8]。实践是检验真理的唯一标准，在机械制图测绘课程中引入3D打印技术，让学生通过3D打印机将零件模型打印出来，并进行组装，是对学生测绘成果的实践检验。由于学生工作经验的缺乏，在公差等级选择，测绘数据处理等细节方面考虑欠妥。组装模型过程中可能会现配合间隙不合适，安装孔位错位等问题，甚至好不容易组装好，功能又不能满足使用要求。这些问题是工程实践领域经常出现的问题，3D打印技术的引入让学生提到遇到这些工程实际问题，他们在通过对组装模型与测绘模型的比较、观察、思考中查找原因、解决问题、修配模型、修改图纸、总结经验、甚至尝试结构或工艺的技术改进，逐步优化、完善自己的测绘成果。这种逼真的工程实践体验，极大提高了学生分析问题、解决问题的能力。为日后在工作中解决同类问题积累了实践经验。其次，学生亲眼见证自己绘制的图纸变成了实物，成就感油然而生，满心喜悦享受自己的学习成果，增加了学习乐趣，激发了学习热情。

3 构建“四位一体”的教学实施方案

按2周教学周计算，机械制图测绘学时分配如表1所示。

表1 机械制图测绘学时分配

前一项目的完成质量直接影响后一项目的完成质量。教师一定要加强全程督促和指导，及时有效地解决学生遇到的问题。机械测绘课程一般

由一个老师授课，按每学生6张草图计算，全班有约两百张草图。让学生等待老师在短时间内批改完所有草图后再画工程图样是不现实的，建议学生将草图拍照发给老师。这样，学生在绘制工程图样的同时，老师在批阅草图，草图中的发现问题及时提醒学生，以便学生在绘制工程图样时进行更正。

学生在机房绘制工程图样或三维建模，为防止学生之间相互拷贝作业，可借助相应的“防拷贝检测系统”[9]来予以判断，并遵循“拷贝零容忍”的成绩评定原则。一旦发现拷贝他人图纸，则该项目成绩计零分。”

三维建模阶段，同组内成员需分工合同，齐心协力以最快的速度完成所有零件的三维建模。3D打印以组为单位，每组打印一套零件模型组装。

4 构建“四位一体”的考核方案

考核方案应科学、合理、公平，操作性强。考核项目应覆盖机械制图测绘的全过程，兼顾知

识目标、能力目标、职业素养目标。具体见表2.

表2 考核方案

5 结语

依据新的职业标准，从实际生产出发，在机械制图测绘课程中实行“徒手草图、计算机二维绘图、三维建模、3D打印技术”四位一体的融合式教学改革，去掉了尺规作图，强化了徒手草图、计算机二维绘图及三维建模等职业技能力的训练，3D打印技术的引入将学生的测绘成果实物化，对其测绘成果进行了实践检验。四位一体的有效融合成功实现了机械制图测绘全过程的“由物到图再到物”的闭环控制（具体见图1），不仅有效提高了学生的读图和绘图能力，而且培养了学生的自主学习能力、解决问题的能力，对培养适合时代需求的机械制图测绘人才具有重要的现实意义。