面向智能制造技術的工程圖學教學改革與探索

樂天明 蔣敏

[摘 要]工程圖學是機械類專業舉足輕重的專業基礎課程。智能制造新知識、新技術的大量涌入使得工程圖學課程的內涵在不斷變化充實。從創新教育和圖學教育的特點出發，工程圖學的教學有必要從教學內容、教學方法、教學效果評價體系等方面進行教學改革和探索，以使本課程培養的目標符合智能制造技術所需人才的要求。

[關鍵詞]智能制造；參數化設計；教學改革

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）05-0102-03

引言

工程圖學課程是工科類大學各專業必修的一門專業基礎課程，是工科類專業尤其機械專業大學生必須具備的一項專業基礎知識和技能。工程圖樣是工程項目、設備制造的技術文件，承載著制造、檢驗、使用、維護等工程信息，包含了工程師的結構設計、工藝設計、使用規范和管理等內容。工程圖學教育對大學生的產品設計構形表達能力、產品制造工藝設計、計算機繪圖能力和美學思想及審美等能力的培養發揮著重要作用。隨著現代工業制造技術和設備的發展，尤其是CAD（計算機輔助設計）參數化三維設計、CAE（計算機輔助分析）和CAM（計算機輔助制造）集成化數字智能設計制造技術的大量應用，使工程技術人員可以在電腦顯示屏上從三維建模開始，到模擬產品構形、分析、制造、裝配和試車，快速進行產品構思設計和制圖。工程圖學課程的教學若還采用老的教學內容和教學手段，其培養的人才知識結構將無法滿足社會用人單位的需求。所以如何培養符合現代智能制造企業需要的應用型卓越工程技術人才，如何將工程圖學課程教學與智能制造技術相結合，通過工程制圖教學培養學生讀圖畫圖能力的同時，了解并初步掌握計算機智能制造技術，已經成為高校需要研究的問題。對課程教學內容、教學方法、教學效果評價體系的改革已成必然[1]。

一、工程圖學課程教學內容的改革

目前工程圖學的教學內容主要是按多面正投影的投影原理，按國家制圖標準規定的視圖表達手段，將立體按適合的表達方法畫多面正投影視圖和讀多面正投影視圖，同時介紹常用零件和標準件的視圖表達和標注方法、讀畫零件圖和裝配圖等，內容傳統。這種與工程實踐、智能制造技術缺乏聯系的課堂教學，較難激發學生學習興趣和學習的主動性。

課程安排是教學實施的“骨架”，教學內容是教學實施的“血肉”，二者的優化和完善是有效開展教學工作的基礎保障。工程圖學在教學內容方面必須除舊布新、去粗取精，要與時俱進、充實新內容。教師不僅要教會學生繪制和閱讀工程圖樣，而且要讓其對先進計算機成圖技術和現代智能制造技術內容有所了解，在教學中增加運用機械三維參數化設計軟件成圖的內容，使課程內容與現代智能制造接軌，以達到學以致用的目的。

（一）將應用性思想融入教學

李克強總理在2015 年政府工作報告中指出，要引導地方本科院校向應用型轉變。工程圖樣被稱為工程界的技術語言。工程圖學課程作為工科類專業大學生的專業基礎課，除了要讓學生掌握讀工程圖和畫工程圖，還必須在教學中融入應用實例，面向工程，營造實踐氛圍，增強教師和學生的工程意識，更加注重緊跟時代步伐，面向前沿技術，實現課程教學與工程實踐變化的同步吻合?？梢詮哪骋粰C械設計案例講解入手，如下圖所示：

要展示工作原理，講解投影過程和制圖基礎、使用參數化CAD設計軟件生成三維構形。使教學過程更貼近現代工程設計制造的實際情況，培養學生的專業意識、工作意識和創新意識，培養學生使用計算機參數化設計軟件的使用能力。使學生通過本課程學習，能應用計算機三維參數化設計軟件進行創新設計。

（二）學習使用參數化三維設計軟件的內容融入工程圖學教學

在傳統的工程圖學教學內容中，教師在課堂上首先要向學生展示機件的三維立體模型，然后介紹通過形體分析研究如何在平面圖紙上按投影原理畫該立體的多面正投影，將三維立體模型的內外結構用最合適的表達方法準確地表達出來。在以前的工程設計、生產和檢驗中，人們都是靠工程圖紙即投影圖形來交流實施的，這樣教學內容的安排是沒問題的。但現今進入了計算機智能制造時代，二維工程圖在產品設計、制造、檢驗中的使用已經不是最主要的了，部分高新技術企業使用了計算機參數化三維設計軟件（如Solidworks、NX、ProE等），已經基本不需要工程圖樣來參與設計、制造和檢驗。即使需要用到工程圖來進行技術溝通和交流，也可以很快地從計算機三維設計軟件中，通過三維模型來進行。因此，在工程圖學教學中應增加計算機參數化三維設計軟件的使用和學習，增加三維造型設計方法的內容。

二、工程圖學教學方法改革

改革教學方法應樹立以學生為本的教學觀念。工程制圖課程教學，除了使學生獲取工程圖樣的畫圖和讀圖的方法，培養其平面投影圖與空間三維立體聯系的思維轉換技能，更重要的是要培養學生的創新思維能力，為學生今后的專業學習、興趣愛好、職業規劃等打下良好和扎實的基礎。

傳統的制圖教學方法和手段主要用掛圖或PPT課件、立體木模、黑板畫或板書來進行講解和畫圖演示，課程知識枯燥乏味、抽象難理解是學生在聽課學習中經常反映的問題。有時教師對某一知識難點反復講解，由于學生還沒建立完善的立體構思習慣和能力，還是有相當一部分的學生不能理解，直到看到對應的立體圖形才會恍然大悟。但是在黑板上畫立體的軸測圖，要花費太多的課堂教學時間，教學效率低下，無法在規定的課時內完成教學進度。所以根據學生認知規律，在當前工程制圖教學課時不斷減少的情況下，我們大膽地在工程制圖教學中引入CAD參數化設計軟件，運用計算機、多媒體課件等先進教學手段輔助教學，提高教學效果和效率。使用參數化三維設計軟件，能把點、線、面的投影過程，截交線與相貫線的形成過程、零件的剖切過程等通過建模特征樹進行動態展示，并能通過三維實體造型技術、立體表面著色和不同觀察點的變換，在三維實體和二維平面投影之間，建立起形象直觀和抽象思維相結合的教學模式。

使用SolidWorks的eDrawings插件，可以使學生對組合體的構成方式、對形體分析法和線面分析法的分析運用加深理解，從而有效地提高學生的形象思維能力和空間想象能力。例如當學生在練習看工程圖樣遇到困難時，教師可以用參數化設計軟件建立的三維立體，把該圖的立體模型在電腦屏幕上進行動態展示，幫助學生進行對比閱讀理解。如下圖所示：

在講解復雜形狀零件形體分析時，我們先在備課時把該零件的立體模型用CAD參數化軟件設計好，在教學時運用參數化三維設計軟件強大的特征回放功能來演示，從不同的角度邊演示邊講解，使學生對畫圖和讀圖的形體分析法和線面分析法有更直觀的理解，使理論知識的教學過程由抽象、枯燥乏味、靜態不動轉為直觀、豐富有趣、形象生動，增強了學生的學習興趣與主動參與的積極性[2]。

三、工程圖學實踐教學的改革

（一）設立先進成圖技能實訓課程，培養智能制造行業所需人才

工程圖學是一門實踐性很強的課程，課程最后必須要有實踐課程，以前是安排兩周時間來進行制圖測繪，主要訓練學生手工零件測繪、草圖繪制、零件圖和裝配體繪制及計算機繪圖四個環節，加強和鞏固課堂理論知識向實際工作能力轉化。而隨著現代工業智能制造技術的不斷發展，光掌握上述訓練內容的能力，已無法滿足部分高新技術企業對應用型專業人才知識結構的需求，因而社會對工程圖學課程的實踐教學提出了新的要求。為了使工程圖學實踐教學適應智能制造技術對人才的需求，使工程圖學教學與現代設計、制造緊密結合，我們設立了先進成圖技能實訓課程，強化課程各項知識點的綜合訓練，形成從草圖繪制到計算機CAD參數化設計輸出的一體化訓練方案。在兩周的時間內，模擬實際設計工作步驟，每位學生按實訓任務書給出的要求，完成某一零部件的測繪、草圖的繪制、視圖的表達、三維建模設計、裝配設計、工程圖、計算機圖形輸出這樣一個完整的實踐過程。通過實際訓練使學生不僅具備傳統的畫圖讀圖能力，同時具備符合智能制造技術所需的使用計算機參數化設計軟件進行設計工作的能力，讓學生將學到的知識在運用中轉化為能力[3]。

（二）實踐教學引入計算機參數化設計軟件訓練

設立先進成圖技能實訓課程，引入計算機參數化設計軟件訓練。我們在兩周的時間里，三分之一安排零件測繪、手工草圖，三分之一安排計算機繪圖，三分之一安排使用計算機參數化軟件做零件三維建模、三維裝配建模并出工程圖。這樣的訓練既培養了學生把投影理論、機件的各種表達方法手段、標準件和常用件的選用和標注、零件圖的技術要求理解和標注、裝配圖的表達和畫法等內容進行綜合實踐運用，又培養了學生動手操作的能力、運用智能制造技術輔助設計的能力，還培養了其團隊協作和認真負責的工作素養。下圖是學生用計算機參數化三維設計軟件做出的齒輪油泵零件和裝配體。

四、工程圖學課程考核內容和方式的改革

長期以來，設置工程制圖課程的教學任務和目的，就是讓學生通過學習，掌握運用投影原理讀工程圖和畫工程圖的能力?？己朔绞讲捎瞄]卷筆試形式，這也是目前大部分高校工程制圖課程的考核內容和方式。此種考核內容和方式在過去能夠滿足社會對于該專業人才的需求，但對于當前和不久的將來，工業智能制造技術的高速發展和用人單位對于具備高新技術能力的人才需求來說，其培養的專業人才知識結構無法滿足高新技術企業的用人需求。因此，在工程圖學課程教學和實踐中，高校在重視考核學生的理論知識同時，更要注重學生實踐性教學考核，學生的能力（包括團隊合作能力、動手能力、主動學習能力、語言交流表達能力、創造性思維能力和智能制造技術所需的使用計算機參數化設計軟件的能力）都是高新技術企業所需人才必備的條件?？己藘热莺头绞絾我?，一方面容易造成評價成績的失真和錯判，使優秀的學生被埋沒；另一方面會造成學生為應付考試而學習，思維方式單一，抑制了學生的創新潛能，阻礙了學生的學習主動性和掌握知識、訓練能力的積極性。

在現代工程圖學教學中，工程圖學課程考核要考的不僅是書本知識，還有學生的能力。從某種意義上來說，學生的能力培育和考核有時比灌輸學生的書本知識更重要。因此應把能力的培育放在首位，建立一個新的知識、能力相結合的課程考評指標體系。在課程教學環節，可通過過程性考核評價（平時的考勤、課堂練習表現、教學互動、上機操作、課后作業）、結果性學習評價（階段性測驗）和綜合性實踐評價（期末綜合練習、實踐報告、計算機參數化輔助設計軟件的應用操作、答辯）三方面來綜合考核學生學習的效果和具備的能力[4]。通過建立符合培養目標要求的合理的考核評價體系，促使學生認真上好每堂課；認真負責，按時完成教學要求的作業；激發學生主動學習的興趣。

五、結束語

計算機技術和制造技術的不斷發展，向產品、工藝和系統的設計人員和管理人員的知識結構和能力提出了新的要求，傳統的設計和管理方法已經不能有效地解決現代制造系統中所出現的新問題，這就促使我們利用各學科最新研究成果，通過集成傳統制造技術、計算機技術與科學以及人工智能等技術，發展出新型的制造技術與系統，這便是智能制造技術（IMT）與智能制造系統（IMS）。工程圖學課程教學在當前智能制造技術高速發展的形勢下迎來了改革和發展的機遇，工程圖學教學改革勢在必行。面向智能制造技術，結合高校培養應用型卓越工程師的需求，本文從教學內容、教學方法、實踐教學和課程考核幾方面，提出以計算機參數化三維設計軟件為主、面向工程實例的工程圖學教學改革和探索的一些設想，是深層次的教學改革。其能適應當前工程設計和智能制造技術發展變化的需要，對于培養學生的空間思維能力、圖形表達能力、機械設計能力和使用智能制造技術的能力更有效。隨著科技生產力、計算機智能制造技術的不斷提高，工程圖學的教學改革還需進一步探討和深化，以培養出適應未來工程實踐需要的應用型一線卓越工程技術人員。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 張麗萍， 程耀東， 李興田， 等. 基于“卓越計劃”的工程圖學課程的改革與實踐[J]. 蘭州交通大學學報，2013（2）：162-164.

[2] 藍曉民， 王盛智. “工程制圖”課程多媒體教學方法探討[J]. 圖學學報， 2013（1）：120-121.

[3] 楊莉， 郝育新， 呂梅. 工程制圖測繪周教學改革效果分析[J]. 圖學學報， 2014（4）：603-606.

[4] 馮永軍. 工程圖學“全過程、全方位”綜合考核體系的改革與實踐[J]. 中國科教創新導刊， 2012（29）：30+32.

[責任編輯：劉鳳華]