智能制造的高职“机械制图”课程改革思考实践

1 现状与需求
投影法是机械制图用来表述设计思想的一种方式，由于这一思维过程过于抽象，因此，学生在理解和学习上有很大的困难。制造企业要提高产品的市场竞争能力，必须以技术创新为驱动力，以最短的产品开发时间为目标，这就要求传统机械制图课程采用先进成图技术。
AutodeskInventor是一款优秀的三维可视化实体模拟软件，它通过简化复杂三维模型的构建而极大地缩短产品的开发周期。数字样机的创建并仿真运行，能有效验证产品的功能，并据此发现设计中的问题。越来越多的企业正在使用这个工具，进行产品设计与开发。无论是从认识论出发还是从实践论出发，在计算机三维实体模型中去感知三维实体，通过组合体构型方法，逐步形成零件的三维模型，能有效培养学生的空间思维能力和创新能力，以此突破“机械制图”课程学习的瓶颈。
2 条件与机遇
智能制造的三大主题之一就是“智能生产”，而要实现智能生产，其首要任务就是设计过程智能化，即利用现代设计软件进行产品的数字化设计。传统CAD是解决工程问题的一种简化方法，智能CAD实质就是在计算机处理过程中考虑各种复杂的工艺问题，力图在一种拟实环境下用计算机处理原来人工都难以解决的问题。
由中国职业教育技术协会与欧特克公司发起的Inventor三维机械设计软件的赠送活动，给机械制图课程改革带来了契机，Inventor尤其适合机械产品建模和机械零部件工程图的快速生成。
3 实践与思考
“机械制图”课程主要任务是产品零部件建模和工程图生成，包含的信息主要有结构形状特征、尺寸和几何精度特征、材料特征、装配特征等。结构形状特征表述零件的形状结构和大小；尺寸和几何精度特征表述的是零件中包含的尺寸公差、表面粗糙度和几何公差等非结构信息；材料特征要求学生会根据需要选用相应的材料；装配特征包含装配体中各零件的相对位置关系、装配关系等。零件建模要利用参数化并从设计的角度进行特征造型，这既是设计的需要，也便于学生在学习过程中出现错误后进行修改，还便于快速形成多个设计方案进行比较，尤其是在工程图确定视图表达方案时特别方便快捷，给教与学带来了极大的便利。
课程改革后，将以产品为主线来进行“机械制图”课程的教学。以产品(机器部件)为主线的课程体系不再孤立地讲授制图知识，而是通过产品的零件或部件，将机械制图的知识和技能与机械关联知识有机融合，培养学生注重学科间的关联意识，强调机械制图国家标准的贯彻执行，重视将学生的设计思想表现为工程制图的能力。课程改革后，以课堂为中心的教学模式向以“运用、探索、创新”为中心的教学模式转变—跟踪前沿技术，培养企业用得上的人才。
在分析了中日机械制图教材后指出，国内课程体系以反映学科体系的逻辑性、知识系统的系统性为基调，课程基本知识、基本概念的内容偏多，企业需求的实际应用性的内容不足，缺乏将机械设计与机械制图有机融合的内容，机械加工的知识与技能的介绍也不多。最近出版的制图教材有以项目为主线进行编排的，也有依据传统思路进行改编的，但在课程体系上都很少有大的改变。针对上述原因，基于多年的探索与实践，将“机械制图”课程的相关内容做一调整和改革。
1)课程培养目标：识读和绘制零件图与装配图。
2)课程体系：由3个项目组成，每个项目可能包含5～15个任务。
3)实现途径：技能训练(多个任务)和综合实训(多个项目)。
4)技能训练：测绘工具的使用与简单零件的测绘、手工绘图和简单零件的计算机三维模型形成及由此生成工程图。
5)综合实训：产品(部件或机器)的全套工程图，鼓励学生创新设计。
6)课程协助：计算机绘图助教团队(由教师和学生组成)；在线开放课程。
7)机械制图课程的职业定义是：使用绘图仪器、设备(计算机和打印机)，根据工程或产品的设计方案、草图和技术性说明，绘制其零件图、装配图及其他技术图样。
笔者通过四年多的实践与探索，优化后的课程体系如表1所示。整个课程以常见的轴承拆卸器为项目载体来实施教学。学生利用三维造型软件(苏州市职业大学使用的是欧特克公司的Inventor软件)进行积木的搭建(即三维建模)，积木搭建完成后再进行必要的机械制造处理，如钻空、形成螺纹、销孔及键槽的生成以及其他机械结构的加工处理，当然这一切都是按尺寸完成的(也可以再修改)，完成的尺寸带有尺寸公差，也就是说完成的三维模型是有尺寸公差要求的。

表1 课程内容、课时分配与说明
学生在完成前五章的学习后即可顺利完成中等复杂程度的零件建模，如图1所示。这是学生完成的轴承拆卸器横梁三维模型。待学生完成第六章后，学生就可以根据前六章所学的内容轻松完成该零件的工程图，如图2所示。而且这些表达方案可随时和教师沟通，修改能即刻完成，这正是零件图视图表达的重点和难点，也是零件视图表达的精髓之一。

图1横梁三维模型

图2横梁工程图
4 检验与成效
课程按现有的内容和顺序进行教学，借助在线开放课程，可以很好地实现因材施教。课堂上教师只讲授最基本的东西，项目任务则是在教师的辅导下由学生自己完成，项目按难易程度分为五级(初级、中级、高级、拓展级、提高级)，前面两个级别是每个学生都必须完成的，后面三个级别则可以由学生选择完成。因此在课堂上，每个学生的学习进度是不同的，教师可以因人而异和因材施教。水平不同的学生可以学得快点或慢点，因为可以随时网上咨询，教师可以随时提供技术咨询，水平不同的学生有不同的课程进度。这样的教学方法有点类似于驾照的学习，考核方式也按类似驾照考试项目过关的方式进行。
初级、中级项目按传统的教学模式实施，其余项目则要求学生按工作任务来实施。
改革成效分析：参加考试人数44人，2个改革班每班抽取8人，使用Inventor绘图；6个常规班每班抽取4人，使用Autocad绘图；外加4位来自常规班手工绘图的学生。比较考试共进行了两次，两次比较考试
试题如下：
1)学生可以选择各种绘图方法完成阀体的工程图；时间90min，手工绘图使用A3纸。
2)根据零件的结构形状，选择表达方案，画出阀体工程图。制图要求为：①加工的表面粗糙度3.2～6.3μm，其余表面铸造直接获得。②材料：HT200。③名称：阀体。④未注铸造圆角R2-R3。⑤倒角C1。

图3 考试题1                            图4 考试题2
考试成绩统计结果如表2、表3所示。

表2第一次成绩与用时统计结果

表3第二次成绩与用时统计结果
由表2、表3可以看出，通过教学方法和手段的改革后，教学效果明显优于常规教学效果。
此外，学生在表达设计思想的能力、创新能力方面成效显著。在一年级的课程学习期间，改革班级每年都有不少于四项实用新型专利申报，其中有两项专利还成功授权发明专利。
从企业调研显示，通过“机械制图”课程的学习，学生毕业后可以胜任以下工作：能进行机械产品零部件的设计、分析、制图；能对机械产品的设计图纸进行解释及提供技术指导；能按照现有的技术规范完成机械产品的图纸标准化等工作。众所周知，学生要顺利将自己的设计思想表达出来就必须熟练掌握和使用机械制图的知识和技能，若按现有“机械制图”课程体系进行教学，不论采用项目教学还是任务驱动的教学形式，学生完成课程的学习后都很难将自己的设计思想表达出来。在机械制图课程的教学改革中，通过引入现代成图技术，不仅学生学习的痛苦指数明显下降，学习热情显著提高，而且还能很好地将自己的设计思想表达出来。