智能制造的高職“機械制圖”課程改革思考實踐

1 現狀與需求
投影法是機械制圖用來表述設計思想的一種方式，由于這一思維過程過于抽象，因此，學生在理解和學習上有很大的困難。制造企業要提高產品的市場競爭能力，必須以技術創新為驅動力，以最短的產品開發時間為目標，這就要求傳統機械制圖課程采用先進成圖技術。
AutodeskInventor是一款優秀的三維可視化實體模擬軟件，它通過簡化復雜三維模型的構建而極大地縮短產品的開發周期。數字樣機的創建并仿真運行，能有效驗證產品的功能，并據此發現設計中的問題。越來越多的企業正在使用這個工具，進行產品設計與開發。無論是從認識論出發還是從實踐論出發，在計算機三維實體模型中去感知三維實體，通過組合體構型方法，逐步形成零件的三維模型，能有效培養學生的空間思維能力和創新能力，以此突破“機械制圖”課程學習的瓶頸。
2 條件與機遇
智能制造的三大主題之一就是“智能生產”，而要實現智能生產，其首要任務就是設計過程智能化，即利用現代設計軟件進行產品的數字化設計。傳統CAD是解決工程問題的一種簡化方法，智能CAD實質就是在計算機處理過程中考慮各種復雜的工藝問題，力圖在一種擬實環境下用計算機處理原來人工都難以解決的問題。
由中國職業教育技術協會與歐特克公司發起的Inventor三維機械設計軟件的贈送活動，給機械制圖課程改革帶來了契機，Inventor尤其適合機械產品建模和機械零部件工程圖的快速生成。
3 實踐與思考
“機械制圖”課程主要任務是產品零部件建模和工程圖生成，包含的信息主要有結構形狀特征、尺寸和幾何精度特征、材料特征、裝配特征等。結構形狀特征表述零件的形狀結構和大小；尺寸和幾何精度特征表述的是零件中包含的尺寸公差、表面粗糙度和幾何公差等非結構信息；材料特征要求學生會根據需要選用相應的材料；裝配特征包含裝配體中各零件的相對位置關系、裝配關系等。零件建模要利用參數化并從設計的角度進行特征造型，這既是設計的需要，也便于學生在學習過程中出現錯誤后進行修改，還便于快速形成多個設計方案進行比較，尤其是在工程圖確定視圖表達方案時特別方便快捷，給教與學帶來了極大的便利。
課程改革后，將以產品為主線來進行“機械制圖”課程的教學。以產品(機器部件)為主線的課程體系不再孤立地講授制圖知識，而是通過產品的零件或部件，將機械制圖的知識和技能與機械關聯知識有機融合，培養學生注重學科間的關聯意識，強調機械制圖國家標準的貫徹執行，重視將學生的設計思想表現為工程制圖的能力。課程改革后，以課堂為中心的教學模式向以“運用、探索、創新”為中心的教學模式轉變—跟蹤前沿技術，培養企業用得上的人才。
在分析了中日機械制圖教材后指出，國內課程體系以反映學科體系的邏輯性、知識系統的系統性為基調，課程基本知識、基本概念的內容偏多，企業需求的實際應用性的內容不足，缺乏將機械設計與機械制圖有機融合的內容，機械加工的知識與技能的介紹也不多。最近出版的制圖教材有以項目為主線進行編排的，也有依據傳統思路進行改編的，但在課程體系上都很少有大的改變。針對上述原因，基于多年的探索與實踐，將“機械制圖”課程的相關內容做一調整和改革。
1)課程培養目標：識讀和繪制零件圖與裝配圖。
2)課程體系：由3個項目組成，每個項目可能包含5～15個任務。
3)實現途徑：技能訓練(多個任務)和綜合實訓(多個項目)。
4)技能訓練：測繪工具的使用與簡單零件的測繪、手工繪圖和簡單零件的計算機三維模型形成及由此生成工程圖。
5)綜合實訓：產品(部件或機器)的全套工程圖，鼓勵學生創新設計。
6)課程協助：計算機繪圖助教團隊(由教師和學生組成)；在線開放課程。
7)機械制圖課程的職業定義是：使用繪圖儀器、設備(計算機和打印機)，根據工程或產品的設計方案、草圖和技術性說明，繪制其零件圖、裝配圖及其他技術圖樣。
筆者通過四年多的實踐與探索，優化后的課程體系如表1所示。整個課程以常見的軸承拆卸器為項目載體來實施教學。學生利用三維造型軟件(蘇州市職業大學使用的是歐特克公司的Inventor軟件)進行積木的搭建(即三維建模)，積木搭建完成后再進行必要的機械制造處理，如鉆空、形成螺紋、銷孔及鍵槽的生成以及其他機械結構的加工處理，當然這一切都是按尺寸完成的(也可以再修改)，完成的尺寸帶有尺寸公差，也就是說完成的三維模型是有尺寸公差要求的。

表1 課程內容、課時分配與說明
學生在完成前五章的學習后即可順利完成中等復雜程度的零件建模，如圖1所示。這是學生完成的軸承拆卸器橫梁三維模型。待學生完成第六章后，學生就可以根據前六章所學的內容輕松完成該零件的工程圖，如圖2所示。而且這些表達方案可隨時和教師溝通，修改能即刻完成，這正是零件圖視圖表達的重點和難點，也是零件視圖表達的精髓之一。

圖1橫梁三維模型

圖2橫梁工程圖
4 檢驗與成效
課程按現有的內容和順序進行教學，借助在線開放課程，可以很好地實現因材施教。課堂上教師只講授最基本的東西，項目任務則是在教師的輔導下由學生自己完成，項目按難易程度分為五級(初級、中級、高級、拓展級、提高級)，前面兩個級別是每個學生都必須完成的，后面三個級別則可以由學生選擇完成。因此在課堂上，每個學生的學習進度是不同的，教師可以因人而異和因材施教。水平不同的學生可以學得快點或慢點，因為可以隨時網上咨詢，教師可以隨時提供技術咨詢，水平不同的學生有不同的課程進度。這樣的教學方法有點類似于駕照的學習，考核方式也按類似駕照考試項目過關的方式進行。
初級、中級項目按傳統的教學模式實施，其余項目則要求學生按工作任務來實施。
改革成效分析：參加考試人數44人，2個改革班每班抽取8人，使用Inventor繪圖；6個常規班每班抽取4人，使用Autocad繪圖；外加4位來自常規班手工繪圖的學生。比較考試共進行了兩次，兩次比較考試
試題如下：
1)學生可以選擇各種繪圖方法完成閥體的工程圖；時間90min，手工繪圖使用A3紙。
2)根據零件的結構形狀，選擇表達方案，畫出閥體工程圖。制圖要求為：①加工的表面粗糙度3.2～6.3μm，其余表面鑄造直接獲得。②材料：HT200。③名稱：閥體。④未注鑄造圓角R2-R3。⑤倒角C1。

圖3 考試題1                            圖4 考試題2
考試成績統計結果如表2、表3所示。

表2第一次成績與用時統計結果

表3第二次成績與用時統計結果
由表2、表3可以看出，通過教學方法和手段的改革后，教學效果明顯優于常規教學效果。
此外，學生在表達設計思想的能力、創新能力方面成效顯著。在一年級的課程學習期間，改革班級每年都有不少于四項實用新型專利申報，其中有兩項專利還成功授權發明專利。
從企業調研顯示，通過“機械制圖”課程的學習，學生畢業后可以勝任以下工作：能進行機械產品零部件的設計、分析、制圖；能對機械產品的設計圖紙進行解釋及提供技術指導；能按照現有的技術規范完成機械產品的圖紙標準化等工作。眾所周知，學生要順利將自己的設計思想表達出來就必須熟練掌握和使用機械制圖的知識和技能，若按現有“機械制圖”課程體系進行教學，不論采用項目教學還是任務驅動的教學形式，學生完成課程的學習后都很難將自己的設計思想表達出來。在機械制圖課程的教學改革中，通過引入現代成圖技術，不僅學生學習的痛苦指數明顯下降，學習熱情顯著提高，而且還能很好地將自己的設計思想表達出來。