基于“甩圖紙”的機(jī)械制圖課程結(jié)構(gòu)研究

胡 煒，李長春，戴國洪

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，制造業(yè)已經(jīng)進(jìn)入數(shù)字化設(shè)計、分析與制造的時代。先進(jìn)的三維設(shè)計、制造方式正在迅速、全面地取代傳統(tǒng)的二維設(shè)計、制造方式。科技部提出的“十一五”制造業(yè)信息化工程任務(wù)之一就是“甩圖紙”，所謂以“甩圖紙”為標(biāo)志的設(shè)計制造一體化是指應(yīng)用以三維產(chǎn)品模型設(shè)計為核心，研究開發(fā)產(chǎn)品設(shè)計、分析仿真、工藝規(guī)劃、數(shù)控加工以及質(zhì)量檢測的集成技術(shù)。[1]在“甩圖紙”的背景下，社會對人才的需求也提出了更高的要求，為制圖教學(xué)帶來更深的思考。在許多制造業(yè)先進(jìn)國家的工科學(xué)校中，已經(jīng)將制圖內(nèi)容由二維平面（2D）擴(kuò)展到三維空間（3D），并向設(shè)計、制造和分析一體化方向發(fā)展。[2]我國在機(jī)械制圖教學(xué)方面也一直進(jìn)行以下形式的改革：[3-5]（1）以傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容為主，加上Auto CAD（計算機(jī)繪圖）基本知識的模式；（2）適當(dāng)調(diào)整傳統(tǒng)內(nèi)容，與計算機(jī)繪圖融合的調(diào)整融合模式；（3）通過一些三維軟件將制圖書中所有的例題全部繪制出來，用來輔助學(xué)生理解二維圖形,如文獻(xiàn)[5]所述；（4）直接使用三維軟件，放棄傳統(tǒng)內(nèi)容,如文獻(xiàn)[2-3]所述。

上述改革的特點是：在原有制圖的基礎(chǔ)上向“甩圖板”發(fā)展，在課程后補(bǔ)充或穿插安排AUTOCAD內(nèi)容，在實際教學(xué)過程中，大多又摒棄了CAD的內(nèi)容，單獨安排課程，多數(shù)學(xué)校在課程中引入了三維CAD軟件課程，但僅作為輔助教學(xué)手段。本文提出在“甩圖紙”制造業(yè)信息化過程中，對高職院校機(jī)械制圖課程體系進(jìn)行合理規(guī)劃，將二維繪圖作為三維建模的輔助，而不是現(xiàn)在的三維是二維的輔助形式。

一、“甩圖紙”的概念和內(nèi)涵

“甩圖紙”并非不要圖紙，美國搞CIMS初期，要求實現(xiàn)無紙工廠失敗而改為適度自動化，證明了制造業(yè)在未來很長一段時間內(nèi)不可能全部實現(xiàn)無紙工廠，“甩圖紙”是以三維產(chǎn)品模型為核心，研究產(chǎn)品設(shè)計、分析仿真、工藝規(guī)劃、數(shù)控加工以及質(zhì)量檢測的集成技術(shù)。以電子化、數(shù)字化、三維化的模型來替代紙質(zhì)的模型，以紙質(zhì)的模型作為參考，用于閱讀的輔助性工具，這樣就能大大提高產(chǎn)品的協(xié)同設(shè)計水平，提高設(shè)計的效率。

二、新形勢下機(jī)械制圖課程的定位

從人的感知方面分析，三維物體是客觀世界在人腦中的直接反映。設(shè)計圖紙不是畫，需要準(zhǔn)確地表達(dá)零件的結(jié)構(gòu)特征，用于指導(dǎo)生產(chǎn)，進(jìn)行技術(shù)交流，因此，在一定時期，二維圖紙對制造業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。但在生產(chǎn)模式向單件、小批量發(fā)展過程中，原有的二維設(shè)計已無法及時響應(yīng)市場對新產(chǎn)品的要求，并且，對產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量和企業(yè)的創(chuàng)新能力也無法準(zhǔn)確判斷。隨著三維軟件的成熟發(fā)展，許多設(shè)計方法得以實現(xiàn)，如協(xié)同設(shè)計、并行工程、參數(shù)化設(shè)計等，圖1所示為現(xiàn)代制造業(yè)產(chǎn)品設(shè)計結(jié)構(gòu)圖。由圖1可見，采用直觀的三維模型表達(dá)方式，更能為人的主觀意識所接受，能清楚地描繪更加復(fù)雜的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，并能在產(chǎn)品概念設(shè)計和功能設(shè)計的同時，并行地進(jìn)行優(yōu)化分析和可加工性分析，從而滿足現(xiàn)代制造業(yè)對T（時間）、Q（質(zhì)量）、C（成本）、S（服務(wù)）的要求。在制造業(yè)從“甩圖板”到“甩圖紙”的過渡中，二維制圖在現(xiàn)代制造業(yè)中的主導(dǎo)地位將逐步轉(zhuǎn)化為三維軟件的輔助表達(dá)方式。

圖1 現(xiàn)代制造業(yè)產(chǎn)品設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

三、機(jī)械制圖課程結(jié)構(gòu)現(xiàn)況

由于在平面上通過立體圖無法表達(dá)清楚機(jī)械產(chǎn)品各個特征的詳細(xì)信息，于是產(chǎn)生了二維視圖，用以描述三維產(chǎn)品。因而，傳統(tǒng)的機(jī)械制圖課程體系大多通過點、線、面、體、組合體這樣的流程順序來講述形體，培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力和空間思維能力；然后再通過剖視、剖面等表達(dá)方法，對零件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述；最后以零件圖和裝配圖兩個環(huán)節(jié)作為應(yīng)用部分。如圖2所示為機(jī)械制圖課程學(xué)習(xí)階梯圖。

圖2 機(jī)械制圖課程學(xué)習(xí)階梯圖

從圖2可以看出，該課程體系與制造業(yè)信息化的內(nèi)涵具有較大差距，無法滿足信息化社會對從業(yè)人員制圖知識的要求，而且以二維作為教學(xué)的出發(fā)點，也與人的認(rèn)知規(guī)律不相符。實際上，很多學(xué)生和工程設(shè)計人員都是先在頭腦中形成產(chǎn)品的三維結(jié)構(gòu)，然后再轉(zhuǎn)換成二維圖樣進(jìn)行表達(dá)，因此，對于初高中階段幾何基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生來說，會因為空間想象能力不夠，而難以充分表達(dá)三維的物體。

同時，在該課程體系中，無法體現(xiàn)機(jī)械制圖在工程中的應(yīng)用性。制造業(yè)傳統(tǒng)的流程為：設(shè)計部門將圖紙送到工藝部門——工藝部門依據(jù)設(shè)計圖紙，編制制造技術(shù)文件（包括工藝、數(shù)控加工代碼）——將設(shè)計文件和制造技術(shù)文件一起發(fā)送資料管理部門——制造部門按照生產(chǎn)計劃，在適當(dāng)?shù)臅r候?qū)⑦@些文件和制造任務(wù)下發(fā)到操作人員和檢驗人員手中——待任務(wù)完成后，技術(shù)文件又回到了資料管理部門歸檔。由此可見，該課程體系無法反映生產(chǎn)中的這一流程，充其量只是培養(yǎng)了學(xué)生的空間想象能力。

四、重構(gòu)機(jī)械制圖課程體系

自1991年提出“甩圖板”以來，CAD技術(shù)在十余年間得到了充分的發(fā)展，特別是AUTOCAD軟件，在企業(yè)被廣泛普及。隨著三維CAD技術(shù)的進(jìn)一步成熟，ERP、PDF等軟件的進(jìn)一步發(fā)展，在“甩圖紙”的趨勢下，未來的十年內(nèi)三維軟件在制造業(yè)將會作為主導(dǎo)地位而存在。因此，作為工程界的技術(shù)語言，機(jī)械制圖在教學(xué)中如何適應(yīng)這種轉(zhuǎn)變，將直接關(guān)系到制造業(yè)信息化人員的技能培養(yǎng)問題。一般工科院校課程安排中，機(jī)械制圖課程96課時，AUTOCAD課程32課時，三維軟件（UG、Pro-E等）64課時，共計192課時。

對部分企業(yè)進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，本科生制圖水平相對高些，但仍不能滿足企業(yè)要求，而高職高專畢業(yè)生主要是識圖能力較強(qiáng)。企業(yè)所需要的畢業(yè)生應(yīng)具備一定的識圖能力、設(shè)計能力，具有一定的數(shù)字化設(shè)計知識，能了解現(xiàn)代設(shè)計流程和方法，具有全局視角，從產(chǎn)品的全生命周期來分析問題，并能解決部分問題，基本上實現(xiàn)“甩圖紙”。

為了使制圖教育與制造業(yè)信息化的發(fā)展需求相適應(yīng)，在“甩圖紙”的方向下，需對“機(jī)械制圖”課程體系進(jìn)行根本性的改革，即將機(jī)械制圖的內(nèi)容與三維軟件的學(xué)習(xí)相結(jié)合，從三維出發(fā)，提升學(xué)生的制圖能力與識圖能力。表1所示為重新建構(gòu)的“機(jī)械制圖”課程體系，這一體系經(jīng)教學(xué)實踐檢驗，具有較好的效果。具體思路為：從CAD三維建模的設(shè)計思想出發(fā)，打破傳統(tǒng)機(jī)械制圖以二維視圖表達(dá)三維形體的思維方式，用三維設(shè)計的理念講授機(jī)械制圖，將機(jī)械設(shè)計與工程制圖融為一體，將學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械制圖過程由被動地學(xué)習(xí)二維生產(chǎn)圖樣的繪制變?yōu)樽灾鞯剡M(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，使機(jī)械制圖課程成為以計算機(jī)三維造型為主、二維造型為輔，結(jié)合各類專業(yè)知識，實現(xiàn)設(shè)計與繪圖高度統(tǒng)一的綜合類課程。這一改革思路符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，不僅引入了新的繪圖工具來改變繪圖方式，而且會引起整個圖學(xué)教育思想、理論和體系的變革，使機(jī)械制圖教育步入一個全新的領(lǐng)域。

表1 機(jī)械制圖新的課程體系

[1]科學(xué)技術(shù)部.科學(xué)技術(shù)部關(guān)于印發(fā)制造業(yè)信息化科技工程“甩圖紙”、“甩帳表”示范企業(yè)評估指導(dǎo)意見的函[Z].科學(xué)技術(shù)部文件，國科高便字[2008]229號.

[2]諸世敏，龔伶俐，馬繼英，等.基于UG三維實體造型技術(shù)的機(jī)械制圖教學(xué)體系研究 [J].懷化學(xué)院學(xué)報,2007（8）：110-112.

[3]李燕.基于三維設(shè)計的工程圖學(xué)課程體系的重構(gòu)[J].計算機(jī)工程與設(shè)計，2007（4）：1705-1707.

[4]黃利平，孟明辰.工程制圖課程內(nèi)容和課程體系改革[J].工程圖學(xué)學(xué)報，2005（6）：156-159.

[5]馮嫦.UG在機(jī)械制圖教學(xué)中的應(yīng)用[J].機(jī)械工程師，2008（1）：154-155.