基于PBL的工程制圖課程教學設計

劉陽，張?zhí)m霞

（1.東北大學機械與自動化學院，遼寧沈陽 110819；2.東北大學工商管理學院，遼寧沈陽 110819；3.東北大學PBL教學創(chuàng)新研究中心，遼寧沈陽 110819）

“工程制圖”是面向理工科學生開設的一門重要的技術(shù)基礎課，擔負著工科學生對設計對象進行表達和空間形象思維能力的培養(yǎng)任務[1]。

“裝配圖拆畫零件圖”是“工業(yè)制圖”課程中的一個重要的知識點，也是一個理論與實踐緊密結(jié)合的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，圍繞著“裝配圖拆畫零件圖”，基于如圖1所示PBL的教學流程進行教學設計與實踐，不但會深化學生對相關(guān)理論與知識的理解和把握，提升學生解決實際問題的能力，而且對其后續(xù)的學習乃至于步入職場后的職業(yè)生涯發(fā)展都是大有幫助的[2-5]。

圖1 PBL的基本教學流程

一、教學目標

通過基于PBL的“裝配圖拆畫零件圖”的教學設計與實踐，期望實現(xiàn)的教學目標包括：

1.讀懂裝配圖。首先要學會通過裝配圖的標題欄、明細欄，讀懂裝配圖的工作原理；其次要清楚裝配圖上每個零件的作用及零件間的相對位置關(guān)系；再次要明確裝配體的傳動路線及孔和軸間的配合關(guān)系；最后對某個重要零件的拆裝順序要明確。

2.分離出零件。首先要明確所要拆畫的零件，找到其在裝配圖中位置，即不同視圖上的相應投影；其次對不完整的零件視圖要根據(jù)其相關(guān)的零件形狀，進行合理地填補視圖；最后如有些在裝配圖中沒有表達清楚的結(jié)構(gòu)，需要進行設計，以完善零件圖。

3.確定零件圖的表達方案。首先判斷從裝配圖中拆畫出的零件視圖，是否適合作為單個零件的零件圖的視圖表達方案；若適合的話，則保留原零件視圖表達方案；否則，需要進行調(diào)整或重新繪制零件視圖表達方案。其次對零件圖進行尺寸標注及技術(shù)要求進行填寫。

4.規(guī)范地繪制零件圖。在繪制零件圖時，要遵循《技術(shù)制圖》和《機械制圖》的標準，從而培養(yǎng)學生嚴謹細致的工作作風。

5.培養(yǎng)學生主動學習、合作學習、人際溝通等復合能力，開發(fā)學生的高層次思維。

二、創(chuàng)設問題情境

在設計產(chǎn)品時，一般先畫出裝配圖，然后按照裝配圖，設計并拆畫零件圖。在生產(chǎn)中，加工制造各種不同形狀的機器零件，主要依據(jù)是零件圖。機器零件的生產(chǎn)過程，首先根據(jù)零件圖中零件材料和數(shù)量的要求進行備料，然后按圖樣中零件的形狀，尺寸與技術(shù)要求進行加工制造。同時還要根據(jù)圖樣上的全部技術(shù)要求，檢查被加工的零件是否達到規(guī)定的質(zhì)量標準。因此，零件圖是生產(chǎn)中進行加工，制造與檢查零件質(zhì)量的重要技術(shù)文件。裝配圖是表達機器或部件的工作原理、運動方式、零件間的連接及其裝配關(guān)系的圖樣，它是生產(chǎn)中的主要技術(shù)文件之一。在組裝產(chǎn)品時，按照裝配圖進行裝配、檢查和試驗等工作；在使用產(chǎn)品時，裝配圖是了解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、正確使用調(diào)試、維修產(chǎn)品的重要依據(jù)。

為了使學生能夠更好地掌握“裝配圖拆畫零件圖”的理論與知識，培養(yǎng)學生的復合能力，特創(chuàng)建了一個真實的問題情境，即將分度銑具的裝配圖（如圖2所示）提供給學生，學生面對的問題情境是：從分度銑具的裝配圖中拆畫1號件支座的零件圖。

圖2 分度銑具裝配圖

三、組成學習小組

工程制圖課程通常采用大班授課，學生來自3個自然班，每班30人左右，共計90人上下。在劃分學習小組時，教師限定每組人數(shù)為5～6人，要求學生自愿組合，共組建成15學習小組[6]。每個學校小組需選出組長1人，記錄員1人。從多年的教學實踐中發(fā)現(xiàn)，多數(shù)學生會以寢室為單位組成學習小組，小組成員需要進行分工與合作，共同完成學習任務，所以，學習小組成員間的和睦關(guān)系對小組學習的順利完成是十分重要的[7]。此外，為方便小組合作學習的進行，學校會為學生提供專用的繪圖教室。

在組成PBL學習小組之后，學生們首先要完成的學習任務就是確認學習問題。針對工程制圖課程中的“裝配圖拆畫零件圖”部分，學生要確認的學習問題可能是需要學習或重溫的內(nèi)容：裝配圖的畫法；由裝配圖拆畫零件圖的方法；零件圖視圖表達方案確定的方法；零件的制造及加工方法的不同，所涉及的結(jié)構(gòu)參數(shù)如何進行設計；根據(jù)制圖標準，規(guī)范繪制零件圖等。

四、尋找知識缺口

在一部機器或設備的裝配圖中，通常不會將所有零件的投影都表達得非常清楚。因此，在拆畫零件圖的過程中，有時就需要對相關(guān)零件進行形狀和參數(shù)的設計。為了完成學習任務，學生首先需要彌補的知識缺口就是零件的分類問題。對于傳動零件，在機器或部件中是起傳遞動力和改變運動方向的作用，其結(jié)構(gòu)要素大多已經(jīng)標準化，并且在國家標準中有其相應的零件圖的規(guī)定畫法。所以，在表達這類零件時，要按照規(guī)定畫法畫出相應的零件圖。對于標準件，它們在機器或部件中主要起零件間的連接、聯(lián)結(jié)、支撐、密封等作用。對于標準件通常不必畫出零件圖，只要標注出它們的規(guī)定標記符號即可。對于一般零件，它們的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸大小常根據(jù)其在機器或部件中的作用，按照機器或部件的性能和結(jié)構(gòu)要求以及零件制造的工藝要求進行設計。因此，一般零件都要繪制相應的零件圖，這樣才能進行加工制造。

學生需要拆畫分度銑具中的支座，為零件類型中的箱體類零件。學生需要彌補的知識缺口就是確定支座的視圖表達方案。在支座表達方案的確定方面，學生們在小組討論后決定采納原裝配圖中的支座視圖表達方案，還是進行調(diào)整后繼續(xù)應用，或者放棄原表達方案，重新確定新的視圖表達方案。若能建立三維立體圖，會有助于零件圖的繪制。

在解決問題的過程中，學習小組成員通過不斷地討論、不斷地修改及調(diào)整對問題的解決方案。這就是對理論知識不斷進行梳理及整合，從而更好地完成學習任務，掌握知識點及其實際應用。

在從分度銑具的裝配圖拆畫支座的零件圖的過程中，學生需要學習或重溫的內(nèi)容如下：裝配圖的內(nèi)容和作用；裝配圖的表達方法、裝配圖的尺寸標注、裝配圖中零部件序號和明細欄；由裝配圖拆畫零件圖步驟；零件圖的視圖選擇及表達方法；零件圖的尺寸標注；典型零件的零件圖分析零件結(jié)構(gòu)的合理性；極限與配合；幾何公差；表面結(jié)構(gòu)要求的表示法零件的測繪。

學生們進行學習分工，學習內(nèi)容可以進行適當合并或分解，以便能夠高效地完成學習任務。在自主學習的過程中，學生們可以利用中國大學慕課（MOOC）平臺上的“畫法幾何及機械制圖”課程的內(nèi)容、教材、相關(guān)專業(yè)書、參考網(wǎng)上分度銑具的視頻及教師推送的各種相關(guān)鏈接等。

五、形成問題解決方案

經(jīng)過學生們多次反復的自主學習、小組合作學習過程之后，便可以確定如下問題解決方案：

（一）對分度銑具裝配圖的深度分析

由圖2可知，分度銑具是通用性的卡具，利用分度盤上不同的孔數(shù)和定位銷通過計算來實現(xiàn)工件所需的劃分度數(shù)。首先要通過明細欄了解組成此裝配件的各個零件。其工作原理是工件利用附件（圖中用雙點劃線畫出）與頂尖兒固定在一起。分度時，擰松手柄，使夾緊套、松開，然后拔出定位銷，轉(zhuǎn)動搖把，按需要的角度將定位銷插入分度盤中的另一個襯套的孔中。搖把與主軸間鑲有鍵，搖把轉(zhuǎn)動時帶動主軸旋轉(zhuǎn)，由此實現(xiàn)分度。然后擰緊手柄，用夾緊套、夾緊主軸便可以進行加工。

分度銑具總功能，分別是由工件支持功能、分度實現(xiàn)功能、主軸鎖緊功能、移動限位功能來完成工件分度。深入分析裝配圖的各分功能，綜合裝配體的外形特征、內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進行傳動方式、傳動路線、連接方式等模塊的分析。清楚每個零件的在整體部件的作用，研究裝配圖上標注的尺寸，為后續(xù)拆支座、繪制零件圖做準備。

（二）拆畫指定的零件，繪制規(guī)范零件圖

經(jīng)過系統(tǒng)地分析，明確所要拆卸的支座在裝配圖中的相應投影后，判斷支座在裝配圖中的視圖是否適合其作為零件圖時的視圖表達方案。

零件圖中的一組視圖只能表達零件的結(jié)構(gòu)形狀，而零件上各結(jié)構(gòu)的精確尺寸及各結(jié)構(gòu)之間的相對位置大小，是通過圖樣上標注的尺寸來確定的。尺寸是加工和檢驗零件的重要依據(jù)，是一項十分重要的工作。因此，在拆畫零件圖時，對于尺寸標注需要注意的是：裝配圖中與該零件有關(guān)的尺寸可抄注；有的尺寸可以通過計算來精確確定；對于標準結(jié)構(gòu)，如鍵槽、倒角、退刀槽等需要查閱相應的標準手冊來確定；對于其他的位置尺寸，可直接從裝配圖中量取，量取的尺寸在標注時應注意圓整和比例的協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換。

六、展示學習成果及評價

學生展示的學習成果通常有兩項內(nèi)容：

1.提交支座零件圖（尺規(guī)繪圖）。每位同學依據(jù)所給分度銑具的裝配圖，繪制比例為2∶1的支座零件圖。

2.以小組為單位，進行20分鐘的答辯。在答辯過程中，小組成員或小組成員代表首先會通過PPT闡述其整個學習過程及其學習成果，然后共同就教師及其其他小組同學的提出的問題進行解答。

評價主要采用總結(jié)性評價的方式對學生的學習成果進行評價，包括支座零件圖部分和小組答辯部分，前者占總成績的70%，后者占總成績的30%。學生最后獲得的成績分別為優(yōu)、良、中、及格和不及格，共5個等級。

在答辯過程中，除了要檢驗小組合作學習的成效以外，還要根據(jù)小組成員對問題回答的準確性、完整性以及小組成員間的合作能力進行評分。學生應該具有團隊合作的理念，這是PBL十分重視的學習理念。

七、結(jié)論

將“工業(yè)制圖”中的“裝配圖繪制零件圖”部分進行基于PBL的教學設計，有助于學生對制圖基本知識、機件表達方法、裝配圖等內(nèi)容知識點進行有機地整合，對教學內(nèi)容的掌握以及后續(xù)課程的學習都是非常重要的。通過基于PBL的教學實踐，學生將自己梳理的知識，應用到模擬真實工程的環(huán)境中，解決實際的問題。這樣，不僅提高學生對專業(yè)知識的認知，而且增加了學生的成就感，提升了學生主動學習的積極性。