STEAM教学理念在零部件测绘与CAD成图技术中的实践与应用

何琦

摘  要：零部件测绘与CAD成图技术是加工制造类专业重要的基础性实训教学环节，而STEAM教育理念的跨学科性、融合性等特点与职业教育倡导的综合创新型人才培养理念深度契合，是培养综合创新型人才的重要途径。本文在研究机械制图实训教学的基础上，提出将STEAM教学理念与零部件测绘及CAD成图技术实训教学内容相融合的建议，从而改善其教学中的一些弊端，提高实训教学质量，更好地为加工制造类企业培养具有综合创新能力与工程实践的复合型人才。

关键词：STEAM教学理念;零部件测绘与CAD成图技术;实践与应用

中图分类号：G712;TH126-4 文献标识码：A 文章编号：2095-9052（2022）02-00-03

STEAM教育即科学、技术、工程、美术和数学五类学科英文首字母的缩写，是由STEM衍生出来的跨学科教育的典型形式。STEAM教育聚焦于实际问题的解决，强调多学科知识整合[1]。与传统文化课教学方式不同，STEAM教育理念倡导一种重实践、跨专业、多学科融合的综合性教学模式，教师通过整合各个专业模块知识，形成新的教学资源，逐步培养学生分析问题、解决问题能力，以及操作技能应用能力。

一、零部件测绘与CAD成图技术的教学现状分析

第一，学科特点。零部件测绘与CAD成图技术原称零部件测绘，属于《机械制图》课程的实训教学内容，是学生完成理论知识学习之后安排的一次综合性实践教学活动。零部件测绘实践教学环节侧重于学生图样表达能力和手工绘图技能的训练与提高，而零部件测绘与CAD成图技术是在传统零部件测绘的基础上增加了计算机绘图和结构优化，极大地提高了学生学习机械制图的兴趣，调动学生学习的积极性，更有利于学生解决工程制图的实际问题。零部件测绘与CAD成图技术是《机械制图》学习中一个理论联系实际的教学环节，同时是在改造、仿制已有设备或修配损坏零件时的一个重要过程。因此测绘是工程技术人员必须掌握的基本技能之一，必须采用有效措施去加强零部件的测绘练习，提高学生动手能力和分析解决问题的能力[2]。零部件测绘与CAD成图技术是以典型零部件机构为测绘对象，要求学生利用游标卡尺、千分尺、角度尺、中心距卡尺等常用测量工具对典型零部件机构进行测量，手工绘制出零件草图、CAD绘制零件工程图、3D建模及装配、测量并填写尺寸检测报告。学生通过观察分析典型零部件机构，熟悉机构的装配关系，在综合分析的基础上对机构进行改进，使模型结构更为优化。

第二，实训模块彼此独立，缺乏融合。零部件测绘与CAD成图技术实训教学内容涉及多门课程，如机械制图、极限配合与技术测量、金属材料、机械基础、机械CAD软件、中望3D软件，不仅涉及机械专业的理论知识，而且还需要有机械加工生产实践经验，具有多学科融合特性。然而在中职学校实际教学过程中，所涉及的知识模块分别由多位教师任教，所教模块彼此独立，测绘对象单一，图纸不够规范，教学与生产实际脱节较大，各知识模块之间缺乏知识融合，学生缺乏兴趣，实训教学环节效果不理想。

第三，应用STEAM理念的可行性。零部件测绘与CAD成图技术是对典型零部件机构进行拆装、测量、绘制零件草图、计算机软件绘制2D图形、计算机3D建模并装配、产品尺寸检测及结构优化，考查学生的知识应用能力、分析问题能力、解决问题能力。实训内容主要涉及中望CAD软件、机械基础、机械制图、极限配合、机械制造技术、金属材料与热处理等学科，考查内容具有跨学科融合性。STEAM教育综合了各相关学科的特点，将知识的获取、方法与工具的应用、创新生产的过程以及情感、态度进行了统一，在培养学生创新思维与实践能力的同时，体现了一种多元学科文化的融合创新[3]。在零部件测绘与CAD成图技术实训项目引入企业典型零部件机构的过程中，实训任务具有多学科综合性，与STEAM教育理念不谋而合。因此，在零部件测绘与CAD成图技术实训教学环节中落实STEAM教育理念具有可行性。

二、STEAM教育在零部件测绘与CAD成图技术中的实践与应用

零部件测绘与CAD成图技术实训教学是以典型零部件测绘机构为学习载体，完成拆装零部件、测量零部件、绘制零件草图、3D建模与装配、绘制2D工程图、质量检测与机构优化，主要培养学生实践操作能力，运用所学知识分析和解决问题能力，为专业课学习打下坚实基础。实训过程中融入STEAM教学理念，以学生为中心开展分组教学，注重多学科知识融合，在各学科之间架起知识沟通的桥梁，让学科与学科之间不再单一，而是以相互补充、相互支撑、相互融合的零部件测绘与CAD成图技术实训载体，引导学生自主进行知识跨界，强调教学场景的多元化，注重专业教学问题的生成。实训教学过程将从以下七个方面实践与应用STEAM教学理念，逐步培养学生的综合创新意识与工程实践能力。

第一，拆装零部件。首先基于STEAM教育理念对班级学生进行分组，分组后各小组认真观察典型零部件机构外观，在熟悉其工作原理和用途的基础上，对该零部件的装配顺序和制造工艺进行综合分析。然后使用拆装工具对典型零部件机构进行拆卸，拆卸后将零件整齐摆放、拆装工具摆放在实训桌面上指定位置。拆卸完成后教师基于STEAM教育理念引导学生进行拆装总结。学生在教师引导下进行小组内部讨论、小组之间讨论总结，最后教师根据机构的装配关系及工作原理总结出典型零部件机构的拆装步骤和注意事项。

第二，测量零部件。所谓测量零部件就是把零部件被测量要素与有计量单位的量进行比较，从而确定被测量要素的量值，将测量结果与图样上或者技术文件上的要求进行比较，从而判断零部件是否合格。在实训教学过程中，教师指导各小组学生合理选择测量工具与测量方法，保证测量零部件具有一定的测量精度。对一般长度类尺寸应选择结构简单、使用方便、测量范围大的游标卡尺测量;对轴类零件的外径和套类零件的内径尺寸应选择精度要求较高的螺旋测微器测量，测量过程中要及时做好相应记录，填写零件质量检测报告单;对沉孔、锪孔、螺栓连接孔等特殊孔径，以及锥齿轮的若干特殊尺寸按实际测量尺寸取值。以非去除材料加工方式得到的测量尺寸取整数，允许误差范围±;以机加工方式得到的测量尺寸以0.5为数据分界、0.25为数据区分点，遵循“数据大于或等于0.25而小于0.5按照0.5计算、小于0.25直接舍掉”的測量原则取值。现以尺寸100至101间分为100～100.5、100.5～101两段为例列表说明。

第三，绘制零件草图。徒手绘制零件草图是工程技术人员必备的一项基本操作技能，是技术人员进行技术交流、学术记录、创新构思的方便快捷工具。徒手繪制零件草图的基本理念也是计算机软件绘图无法替代的，徒手绘图对零部件机构空间设计能力培养、思维模式培养、动手操作能力培养起着重要作用。在新型机械产品设计研发和对现有机电设备的升级改进中，零部件结构的空间构思和测绘都需要用到徒手绘制零件草图。实训时，教师基于STEAM理念，指导各小组根据测量的数据在坐标纸上徒手绘制零件草图。首先学生根据零件特点选择合适的视图来表达零件特征，然后正确、清晰、完整地标注每个尺寸，根据极限配合与技术测量要求，合理确定零件特征的尺寸精度、位置精度、几何精度、表面粗糙度等技术要求，最后在图纸上徒手绘制标题栏并正确填写各项参数，完成零件草图绘制。

第四，3D建模及装配。以往零部件测绘中注重的是零件图样的绘制，随着机械制图课程的信息化以及市场对人才需求变化，学生应用信息技术从事生产的能力更加受到用人单位重视。以中望3D为代表的机械设计软件极大地提高了设计与绘图的效率，将其引入零部件测绘与CAD成图技术这一实践教学环节，学生3D建模与装配均在可视化下完成，直观易于理解，不仅可以提高学生的学习兴趣，而且能够及时发现测绘过程中出现的装配问题。实训教学时，各小组根据零件草图及零件实体模型使用中望3D软件为每个零件建立3D模型。完成零件建模后，学生将进一步了解测绘机构的工作原理，熟悉各个零件之间的装配关系，添加适当的约束条件，完成软件仿真装配。完成装配后，学生在教师的指导下以小组为单位对机构进行运动干涉检查。如果机构能够正常运动，则零件尺寸测量全部正确，各零件之间的约束条件设置完整，装配顺序设置合理;反之，各小组内部展开讨论，查找干涉原因，重新测量零件尺寸，重新修改草图尺寸，完善零件之间的约束关系，直到机构可以仿真运动。各小组在3D建模及装配过程中，教师引导小组内部讨论、小组之间讨论，融入科学、技术、工程、美术和数学元素，得到更美观的3D零件图及装配图。

第五，绘制2D工程图。2D工程图是用来表达单个零件详细结构的工程图样，是制造和检验零件的主要依据，是企业设计和生产过程中的重要技术资料[4]。准确合理地绘制零件2D工程图是加工制造类学生必备的一项基本技能。传统零部件测绘受教学条件限制、实训场所限制在教室或者机械制图实训室教学时，一般要求学生徒手在坐标纸上绘制草图，草图要求具备零件图应有的全部内容，图形正确，表达清晰，尺寸完整，线型分明，图面整洁，技术要求齐全。最后学生根据手绘草图利用尺规作图，形成零件工程图。传统实训教学模式绘图效率低，容易出错，出错后不易修改，为此引入计算机软件绘图，增加了结构优化内容，把“零部件测绘”项目名称改为“零部件测绘与CAD成图技术”，采用理实一体化项目教学模式，根据学生差异化特点采用分组教学模式。实训教学时首先让学生拆装测绘模型，测量并绘制零件草图，利用计算机软件3D建模及装配。根据3D建模图形导出2D零件图，然后修改导出的零件图形成完整工程图，标注各个尺寸，合理制订技术要求，从而完成绘制2D工程图的目标。教师基于STEAM教育理念，引导学生将科学、工程、美术、数学元素融入实训过程，从而得到整齐美观而又符合制图标准的工程图。

第六，结构优化。教师基于STEAM教育理念，引导学生进行创新，将跨学科、综合性特点融入零部件测绘与CAD成图技术整个实训教学环节。首先，教师引导学生对零件尺寸精度进行优化。在间隙配合中，孔与轴之间的配合总是存在间隙的，但间隙的大小是随着孔、轴实际尺寸的不同而变化，使配合间隙在最大间隙与最小间隙之间变动;在过盈配合中，过盈量同样在最大值和最小值之间变动;在过渡配合中，轴的公差带与孔的公差带相互重叠，当零件孔的尺寸大于相配合轴的尺寸时为间隙配合，当零件孔的尺寸小于想配合轴的尺寸时为过盈配合，实训教学时教师引导学生优化各个配合尺寸，使零件配合性质满足零部件测绘机构尺寸精度需要。其次，教师引导学生对零部件测绘机构进行结构优化，融入艺术元素。轴套类零件添加倒角和圆角过渡元素避免出现锋利棱边;箱体类零件优化外形结构避免零件出现局部应力集中，轴承座的连接螺纹应避免靠近轴承座孔，而轴承座的凸台位置应具有足够的接触空间以便放置紧固螺栓，并保证安装螺栓时需要足够夹紧空间;轮盘类零件主要由同一轴线不同直径的若干个回转体组成，实训时优化空间位置，使盘体部分的径向尺寸都大于轴向尺寸;叉架类零件改变局部尺寸从而得到形状规则的零件，既达到优化零部件测绘机构，又融入美术艺术元素，体现STEAM教育跨学科融合特性。最后，教师引导学生修改部分零件尺寸，更改零件技术要求，调整装配顺序后，使用中望3D软件进行虚拟仿真，从而得到更为优化的零部件测绘机构，激发学生的创新能力。

第七，教学评价。STEAM教育聚焦于实际问题的解决，侧重学习的过程性，注重基础知识的应用，教学评价采用过程与成果相结合的综合评价模式。过程评价占总成绩的30%，主要包括拆装零部件、绘制零件图草图、测量零部件、实训课堂表现四个部分。成果评价占总成绩的70%，由零件2D工程图、机构2D装配图、零件3D实体建模、机构3D装配、结构优化五个部分组成，装配图主要考查表达方案的合理性、视图刨切位置的正确性、尺寸标注及形位公差标注的标准性、图幅整齐美观性。在评价形式上开展小组内部评价、小组之间相互评价和教师综合评价相结合的实训教学评价模式，教师可以及时发现零部件测绘与CAD成图技术教学过程中存在的不足，不断完善教学内容，改进教学方法，提高实训教学质量。实训专周结束后，各小组整理实训材料，撰写实训心得体会，把设计的2D零件图、3D建模图形、结构优化渲染后的图档上传到校园网，形成开放性教育资源，供机械相关专业学生学习。

三、结语

综上所述，STEAM教育是一种重实践操作、跨学科融合的教育理念，更加注重学习过程性。将其融入零部件测绘与CAD成图技术实训教学环节，在传统侧重手工绘图的基础上，结合计算机软件2D绘图与3D建模，以及现代信息化手段进行模拟仿真。然后在综合分析的基础上对机构进行优化，得到更为合理和完善的零部件测绘模型，从而提高学生学习的兴趣，调动学生学习专业课的积极性。实训教学过程中，教师基于STEAM理念引导学生学习专业知识，熟练操作相关技能，达到有效的教学效果，并不断分析总结，找到最适合学生学习零部件测绘与CAD成图技术的教学方式，从而提高实训教学效率，提升教学质量。教育需要变革，中等职业学校也需要对现有课程进行创新改革，以培养出具有创新能力和综合素养的复合型人才，希望有更多一线教育工作者投入STEAM教育理念的教学研究，为提高职业教育的教学质量作出贡献。

参考文献：

[1]黄怡菁.基于STEAM教育理念的中职课程游戏化教学设计研究——以《网页制作与设计》课程为例[J].文化产业，2021（13）：124-125.

[2]李亚利.零部件测绘实施探索[J].科技资讯，2007（1）：192.

[3]王燕.人工智能时代的知识转化——以STEAM教育为例[J].大学图书情报学刊，2019（1）：74-78.

[4]王鹏锦，刘世忠，薛爱文.零件图表达方案程式化确定的方法分析[J].太原科技大学学报，2020（4）：53-57.

（责任编辑：董维）