机械类工程图学课程三维化改革研究

摘要：随着三维CAD技术的发展，传统装备制造领域的设计思路、工作流程都在发生改变。江阴职业技术学院（以下简称：本院）适应地区产业发展趋势，在机械类工程图学课程中引入三维CAD软件，重点从课程体系、课程内容、教学实施流程和教学手段四个方面对课程进行了三维化改革的探索和实践。

关键词：高职院校；工程图学；三维化；课程教学改革

在很长一段时间内，二维图纸是唯一的工程设计语言。虽然人们所看到的和接触到的是三维实体，但是却要用二维平面图表达出来。为了识读二维工程图，必须要通过画法几何、机械制图的学习来掌握投影规律和视图识读基础。近年来，三维CAD软件在装备制造类企业迅速普及，逐渐代替二维CAD软件成为设计的主要工具。高职院校也开设了相关课程，主要有SolidWorks、PRO-E、UG和国产的CAXA制造工程师。这些课程一般放在机械制图、机械设计基础等课程之后，作为单独的一门课程来开设。三维软件可以在电脑中轻松创建各类零件和部件模型，并生成仿真动画；可以应用于各类机构结构和原理的教学讲解，使学生从复杂的图样识读中解放出来，而专注于机构的理解。Solidworks是达索公司的一款三维设计软件，主打中低端市场。本院所在地无锡江阴市，位居全国百强县第二、工业百强县第一。经调研，江阴地区使用solidworks软件进行设计的装备制造类企业比例超过56%。本院签约的校外实习基地中使用Solidworks软件的企业比例更是达到了71%。软件易用性强，便于初学者上手。此外，软件的草图、建模等各模块与机械制图的思维逻辑很接近，基于以上考虑，本院以Solidworks为工具，对机械类工程图学课程进行了三维化改革。

一、重新构建制图课程体系

从宏观上解决三维造型技术与《工程图学》教学内容怎样结合的问题。本院2015年以前采用分段独立式的教学，在不同学期开设图学课程和三维造型课程。这种教学方式的优点是在实际教学过程中容易实施，既达到培养学生三维设计能力的目的，又较好地解决了二维和三维共存的问题。缺点是两部分内容完全分割开，造成内容上的不连续，学生难以将二者融会贯通，难以满足工程应用需要，而且占用学时较多。2016年开始，将三维软件（采用solidworks软件）的内容融入机械制图相关部分。具体课程体系如图1所示。

二、优选课程教学内容

进行项目化设计，解决计算机三维造型技术与《工程图学》通过什么载体进行项目化融合的问题。课程内容按照高职“实用、够用、必须”的原则进行大刀阔斧的改革。去除画法几何部分的内容，相贯线按照现行标准GB/T16675.1—2012《技术制图简化表示法第一部分：图样画法》采用省略简化画法来讲解，同时弱化截交线原理性讲解，只针对典型截交线结构进行讲解。从2018年开始，三视图已经成为机械制图课程内容的起点。在确定课程内容的基础上，结合苏锡常地区及江阴周边县市装备制造类企业的实际情况，以“机械零部件的造型与图样识读”为典型工作任务，以上述企业常用零部件为载体，培养学生零部件造型和图样识读能力。通过“简单零件、轴套类零件、盘盖类零件、叉架类零件和箱体类零件”这五类典型零件和“千斤顶、机用虎钳、齿轮油泵以及一级圆柱齿轮减速器”这四个典型部件的造型和图样识读，把三维软件的建模方法和机械制图的相关知识进行有机融合。标准件和常用件是机械制图中的重要内容，传统教学一般会将这部分内容单列一个章节，本院将这部分内容分解到合适的载体中进行教学。“千斤顶”中讲解螺纹，“机用虎钳”中讲解螺纹标准件，齿轮油泵中讲解齿轮，“一级圆柱齿轮减速器”中讲解键和销。以螺纹紧固件的螺栓连接为例进行说明：第一步，从软件标准件库中按照参数分别生成螺栓、螺母和垫圈，然后对照零件讲解国家标准和尺寸参数；第二步，用螺栓、螺母和垫圈连接两个零件，完成三维装配；第三步，生成螺栓连接装配图，讲解螺栓连接中涉及的装配图画法规则；第四步，尺规抄画螺纹连接装配图，此任务从螺栓、螺母和垫片的模型入手，用这些螺纹紧固件连接两个板类零件，然后装配成典型的螺栓连接装配体；第五步，创建螺栓连接装配图并抄画。将螺栓连接的使用场合、装配要点和画法规则等各个知识点穿插其中进行讲解，更符合一般的认知规律，贴合高职学生的学习特点。此外，利用齿轮插件geartrax和迈迪三维设计工具集等行业外挂标准件库拓展Solidworks软件插件，还可以完成非常规标准件和常用件的建模。

三、序化教学实施流程

解决微观层面上项目化教学实施过程中具体的流程编排问题。现有教材中的三维建模部分基本上采用根据二维工程图来进行建模的方式，在教学实施过程中需要读懂二维工程图才能进行下一步建模工作，而作为制图课程教学难点的工程图识读还是会成为学生进行三维建模的障碍。课题针对项目教学的实施流程进行改革，每个项目都按照“建模、识读工程图、生成二维工程图和抄画工程图”的四步教学法来进行教学。第一步,建模不是根据二维视图来进行，是根据给定零件实物进行三维建模，只需对零件做简单的尺寸测绘，对尺寸精度不做过多要求，甚至一开始给定标注有完整尺寸的零件立体图作为建模对象。第二步，是识读工程图，以零件图（后期是装配图）为对象，对照已建模型理解视图表达，讲解尺寸标注和其他技术要求等相应的制图国家标准。第三步，由模型创建工程图。这一步的重点是生成符合国家标准的零件图和装配图，也就是解决由软件创建工程图时的合规性问题。第四步，尺规抄画零件图，徒手抄画立体图（正等轴测图）。对于这种给定实物（或给定带尺寸的立体图）进行建模的教学模式，学生没有畏惧感，建模阶段把精力集中在建模技巧上，然后转成二维图，再进行二维视图的抄画和识读。由三维到二维的转换更加符合一般的思维模式。通过这种方式引入三维软件的造型和创建工程图功能，解决学生读图难、画图难的问题。无论制图改革往哪个方向走，都不能离开课程核心的“构型、读图、表达与制图”4个基本能力的训练［1］。在四步教学法中，特别突出了4个基本能力，尤其是核心的构型与表达能力的训练。首先是构型与读图能力，在第一步建模步骤中，分两个阶段进行。第一阶段是给定带尺寸的立体图来进行建模，第二阶段是给定带尺寸的三视图或零件图进行建模。第一阶段根据立体图建模，结合组合体形体分析，分析立体的结构特点，是叠加类、切割类还是综合类，然后确定相应的建模方法，是使用拉伸命令还是拉伸切除命令。这个建模过程就是形体分析在软件中的再现过程，训练学生构建空间形体的能力。第二阶段由三视图或零件图进行建模，实际上主要训练的是学生读图能力，并将读图结果在软件中再现，此时读图者对立体的信息和软件的建模过程相互验证、修正并完善，可以帮助学生比较高效地提升读图能力。其次是表达与制图能力，现阶段的行业企业对于尺规作图的需求已经很小，加工类企业更加注重于零件图的阅读能力。

而制造类企业在设计时通常采用三维设计，然后由三维模型创建工程图。所以在四步法的教学中，由三维模型创建工程图是一个很重要的环节。考虑到设计表达的需要，四部法中在第四步训练学生绘图技能，重点训练徒手绘制正等轴测图的能力。这样的话，综合考虑目前周边地区装备制造类企业的各类岗位需求，设定相应使用场景，将岗位所需技能结合三维软件融入工程图学的教学实施步骤中。四、开发助学软件，拓展教学手段本院制作的“机械零部件虚拟模型库”软件，获得第十四届全国多媒体课件大赛二等奖。它是在模型库的基础上开发了“机械零部件图纸素材库”软件，能够同时进行三维零部件和配套工程图样的展示。系统以软件形式封装，对操作环境无任何依赖，在没有安装二维和三维CAD专业软件与浏览器的环境中也可以直接运行［2］。两个软件已经完成电脑安装版，学生可以在电脑上随意浏览三维零部件以及相应的工程图样，从容研习组合体三视图、零件图和装配图，培养空间构形能力，从而提高其阅读工程图能力。下一步第一个目标是完善“机械零部件虚拟模型库”和“零部件图纸库”软件，增加功能模块，提高易用性；第二个目标是准备开发应用于智能手机的App，让学生可以利用手机进行碎片化学习。在长期教学实践中所开发的软件不仅可以用于机械制图的教学，还可以作为机械类专业课程教学的助学软件来使用，拓展了课程教学手段，教学效果良好。五、三维软件引入工程图学课程应注意的相关事项通过上述四个措施，对机械类工程图学课程进行了三维化改革。特别是作为课程教改核心的四步教学法，每一步对象都是具体的，不需要抽象的制图理论和读图技巧。按照四步教学法学习完任意项目单元，学生都能很自然地掌握建模、读图、创建工程图以及徒手绘制立体图的方法。同一流程在不同单元反复练习，受教者的各项技巧不断完善，直至完全掌握。三维软件融入制图教学的过程中，存在一些相关注意事项。原因是Solidworks并非国产软件，从建模思路到工程图标准等方面与制图国家标准存在差异。具体教学中有以下相关方面需要加以明确。（一）坐标体系不一致制图课程的坐标体系与Solidworks的坐标体系不一致。（五）建立合作学习评价机制教师在教学过程中可以建立评价机制。它对学生学习的进度和效果既能及时掌握，又能激发学生的学习动机，使学生的学习主动性得到显著提高。教师建立的评价机制可以分为组内评价机制和组间评价机制。在实施组间评价机制时，以学生学习任务完成的程度来作为教师的评价标准。教师根据各小组学习任务完成的程度客观地给出相应分数。最后教师在每学期的期中和期末进行总评，根据这两次成绩对前三名学生进行物质或者精神上的奖励，使每一组努力完成学习任务，使每小组成员为了获得奖励而进行不懈的努力［7］。小组内部的评价机制主要是基于小组成员对小组学习任务的贡献而设置。小组成员的贡献将被记录下来，在学期结束时，对每个小组贡献最大的小组成员将获得物质或精神补偿。同时，学生应该认识到小组合作学习不仅是为了个人利益，也是为了整体利益，从而更好地培养他们良好的团队精神和个人竞争意识。

四、结语

综上所述，在高职排球教学中运用问题教学法，有利于培养高素质、综合性的排球运动员。不仅可以使学生的排球技术得到充分掌握，而且还可以培养其排球精神，可以更好地帮助我国排球运动的建设和发展。然而，在运用问题型教学法时，应注意以下几点：其一，学习目的要明确；其二，目标设置要合理；其三，学习内容选择要合适；其四，在教学实施前要给予学生明确的方法指导；其五，教师要人为地缩短小组间学习水平的差异；其六，保证各组的平等。这样才能更好地保证问题型教学法的顺利实施，同时，重视学生的个体差异，使学生能够更积极地参与教学活动。

参考文献：

［1］于岩.合作学习在高职院校足球教学中的应用研究［J］.北京财贸职业学院学报，2018，33（3）：69-72.

［2］张清娘.问题教学法在小学体育教学中的运用探讨［J］.当代教研论丛，2020（6）：128.

［3］尤胜利.问题教学法在高中篮球教学中的运用［J］.当代体育科技，2014（12）：51-52.

［4］杨慧君，等.以问题为基础的教学法在体育心理学教学实践中的应用［J］.当代教育实践与教学研究，2020（6）：210-211.

［5］陈强.“合作学习”教学模式在高校足球选项课中的应用研究［J］.当代体育科技，2017，7（17）：179+181.

［6］万肖.在高职足球教学中合作学习模式的应用探讨［J］.当代体育科技，2017（2）：78-79.

［7］黄光亮，莫静.高职体育院校足球教学中问题教学法的应用研究［J］.高教学刊，2020（17）：184-186+190.

作者：张良 单位：江阴职业技术学院