基于三维造型技术的机械制图课程改革研究

章慧成 李玉军 孙涛

摘要：《机械制图》是理工科大学机械类及近机类专业的通识必修课程，主要培养学生的识图和绘图能力。随着“3D打印”等新型制造技术的兴起及发展，传统教学模式下简单的二维工程图样已不能满足智能制造时代的需求。为适应智能制造技术的发展，强化学生制图技能，针对现行机械制图教学内容及教学方法的课程改革势在必行。

关键词：工程图样;智能制造;课程改革

0  引言

机械图样作为一种“工程语言”不仅是设计人员进行创意交流的工具，也是设计者和制造者进行沟通的桥梁，在机械制造过程中具有举足轻重的地位[1]。目前，国内大多数院校培养学生机械制图能力的实现途径依旧由画法几何、机械制图及CAD平面造型三个模块简单叠加而成，且仍停留在以学习二维图样识读为主的阶段，这在一定程度上割裂了制图能力和设计应用能力的融合培养。在计算机技术和现代制造技术蓬勃发展的大背景下，如何在机械制图教学中合理融合二维设计与三维实体造型的内容和思想，使学生更快、更好地适应机械制图学习，满足现代企业对人才的设计造型能力需求，成为机械制图课堂教学亟待解决的问题。

1  機械制图课程教学现状分析

1.1 教学内容过于陈旧

教材是课程内容的主要载体，教材内容设计是否合理直接影响课堂教学效果，现行制图教材主要由国家标准、投影原理、画法几何及机械制图四大模块组成。在课时分配层面，诸如投影原理和画法几何等理论性知识的讲解篇幅占比过大，在实际课堂教学中往往课时量不够，而针对零件图等内容的设置较少，学生没有足够时间进行零件的识图绘图训练。在内容设计层面，教材所选用的图例较为陈旧，未能采用机床、机器人等现代企业中的常见实例，且90%以上的图例均为平面图，未能引入三维模型进行对比分析。而在航空航天、汽车制造等制造领域已有三维图样取代二维图样的趋势，因此，制图教材的更新及调整刻不容缓。

1.2 教学方式过于单一

机械制图是一门基于投影原理和绘图国家标准，通过简单构型和绘图训练，逐步实现识读绘制机械图样目标的一门课程。目前教师的讲解，主要依赖于尺规作图、课件PPT图片和教学模型等工具进行讲解，但图片并不能动态表达形体的投影特征，不能将形体的各个角度进行全方位展示，学生主要依靠“发挥想象”来学习该课程，在学习过程中易产生厌学情绪。

1.3 考核方式较为刻板

机械制图是一门“理论+实践”的理实一体化课程，该课程虽然需要掌握国家标准规定的图样画法以及基本的投影原理等理论知识，但其最终目标是学生要能正确的识读和绘制图样。因此，采取闭卷考试的方式进行学习效果的考核方式有待进一步优化和完善。

2  三维造型在课堂教学中的应用

2.1 在组合体教学中的应用

组合体是点、线、面及基本立体投影的扩展和延伸，是机械制图中有一定难度的知识模块，在以往课堂教学中主要运用平面线框分析为主的线面分析等方法进行讲解，学生理解有一定的难度。基于此，在组合体教学中，通过UG软件“叠加”、“切割”等命令搭建不同组合方式的组合体，一方面可让学生更为直观的理解组合体的常见组合方式，另一方面可以从宏观角度培养学生的空间构型能力。

2.2 在剖视图中的应用

剖视图作为机械零件较为重要的表达方式之一，在零件内部具有较多孔、沟、槽、台阶以及其他较为复杂的结构时可用剖视图进行展示。对于剖视图中难以表达的几何形体，在课堂教学中可在UG环境下，利用其“剖切”功能进行演示，以进一步观察机械零件的内部结构，借助三维造型技术可进行多角度分析和观察，强化学生对剖视图的理解和掌握。

2.3 在装配图中的应用

装配图是各个机械零部件进行有序组合的一个综合图样，学生在装配图学习中往往对零件之间的装配关系较为困惑。基于此，可将零件三维建模后组装成三维实体，利用UG对装配图进行“爆破”处理，使学生对各个零件的装配关系具有更为直观的认识，以此来指导二维工程图样的绘制。

3  应用成效分析

3.1 教师层面

在传统机械制图的课堂教学中，教师主要以尺规作图、展示教学挂图和实体模型等方式进行理论讲解，以辅助学生提高形体识别能力[2]。但近些年来，随着大学课程体系重构，机械制图课堂教学课时较之于前压缩近三分之一，较少的教学课时与提高学生制图能力需求之间的矛盾日渐突出。若沿用传统教学手段，将会挤占大量课堂时间，缩短学生在课堂中的有效学习时间，进而拖累教学进度。三维造型以其高仿真性、高灵活性及易操作性等突出优点取代非必要性尺规作图后，大大提高了教师的授课效率，从根本上保证了教学任务的顺利完成。

3.2 学生层面

学生在以往的制图课程学习中，绘图能力及空间思维能力的培养主要依托于教师的语言性讲解，鲜有较为直观的构型展示及训练。一方面，三维造型技术的引入，改变了课堂内容冗长乏味的现状，增加实物动态投影的可视性加深了学生对投影原理及空间形体表达的直观认识与理解，增强了学生学习的趣味性和有效性[3]。另一方面，三维造型技术更贴合“智能制造”的实际工程需求，学生可通过制图课程中三维造型技术的引入，逐渐接触和了解3D打印等新型制造技术，增强其后续发展的竞争力。

4  总结与展望

随着绿色制造、智能制造等新型制造方式的出现，三维造型技术在企业产品设计中的地位日趋重要，与之相适应的机械制图课程教学改革业势在必行。基于三维造型技术的课堂教学改革，以投影原理和画法几何为基础，依托三维造型技术为教学手段，构建了一种机械制图新型课堂教学模式，满足了提升学生空间思维能力及培养其构型设计能力的需求，对培养和引导学生参与“中国制造2025”宏伟战略具有重要意义。

参考文献：

[1]毛雅丽，张贺.基于三维技术的《机械制图》教学改革探讨[J].沈阳工程学院学报（社会科学版），2012（8）：107-108.

[2]户丽婷.浅谈机械制图与机械CAD的有机结合[J].智能制造，2018（02）：84-85.

[3]吕程.基于三维图样技术的应用型本科《机械制图》教学改革探索[J].科技资讯，2018（02）：198-199.

基金项目：2019年度甘肃省教育厅高等学校创新能力提升项目（项目编号：2019A-250）。

作者简介：章慧成（1991-），男，甘肃酒泉人，讲师，研究生，工学硕士，主要从事数字化设计与制造等方面的教学研究工作。