面向智能制造技术的工程图学教学改革与探索

乐天明 蒋敏

[摘 要]工程图学是机械类专业举足轻重的专业基础课程。智能制造新知识、新技术的大量涌入使得工程图学课程的内涵在不断变化充实。从创新教育和图学教育的特点出发，工程图学的教学有必要从教学内容、教学方法、教学效果评价体系等方面进行教学改革和探索，以使本课程培养的目标符合智能制造技术所需人才的要求。

[关键词]智能制造；参数化设计；教学改革

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2018）05-0102-03

引言

工程图学课程是工科类大学各专业必修的一门专业基础课程，是工科类专业尤其机械专业大学生必须具备的一项专业基础知识和技能。工程图样是工程项目、设备制造的技术文件，承载着制造、检验、使用、维护等工程信息，包含了工程师的结构设计、工艺设计、使用规范和管理等内容。工程图学教育对大学生的产品设计构形表达能力、产品制造工艺设计、计算机绘图能力和美学思想及审美等能力的培养发挥着重要作用。随着现代工业制造技术和设备的发展，尤其是CAD（计算机辅助设计）参数化三维设计、CAE（计算机辅助分析）和CAM（计算机辅助制造）集成化数字智能设计制造技术的大量应用，使工程技术人员可以在电脑显示屏上从三维建模开始，到模拟产品构形、分析、制造、装配和试车，快速进行产品构思设计和制图。工程图学课程的教学若还采用老的教学内容和教学手段，其培养的人才知识结构将无法满足社会用人单位的需求。所以如何培养符合现代智能制造企业需要的应用型卓越工程技术人才，如何将工程图学课程教学与智能制造技术相结合，通过工程制图教学培养学生读图画图能力的同时，了解并初步掌握计算机智能制造技术，已经成为高校需要研究的问题。对课程教学内容、教学方法、教学效果评价体系的改革已成必然[1]。

一、工程图学课程教学内容的改革

目前工程图学的教学内容主要是按多面正投影的投影原理，按国家制图标准规定的视图表达手段，将立体按适合的表达方法画多面正投影视图和读多面正投影视图，同时介绍常用零件和标准件的视图表达和标注方法、读画零件图和装配图等，内容传统。这种与工程实践、智能制造技术缺乏联系的课堂教学，较难激发学生学习兴趣和学习的主动性。

课程安排是教学实施的“骨架”，教学内容是教学实施的“血肉”，二者的优化和完善是有效开展教学工作的基础保障。工程图学在教学内容方面必须除旧布新、去粗取精，要与时俱进、充实新内容。教师不仅要教会学生绘制和阅读工程图样，而且要让其对先进计算机成图技术和现代智能制造技术内容有所了解，在教学中增加运用机械三维参数化设计软件成图的内容，使课程内容与现代智能制造接轨，以达到学以致用的目的。

（一）将应用性思想融入教学

李克强总理在2015 年政府工作报告中指出，要引导地方本科院校向应用型转变。工程图样被称为工程界的技术语言。工程图学课程作为工科类专业大学生的专业基础课，除了要让学生掌握读工程图和画工程图，还必须在教学中融入应用实例，面向工程，营造实践氛围，增强教师和学生的工程意识，更加注重紧跟时代步伐，面向前沿技术，实现课程教学与工程实践变化的同步吻合。可以从某一机械设计案例讲解入手，如下图所示：

要展示工作原理，讲解投影过程和制图基础、使用参数化CAD设计软件生成三维构形。使教学过程更贴近现代工程设计制造的实际情况，培养学生的专业意识、工作意识和创新意识，培养学生使用计算机参数化设计软件的使用能力。使学生通过本课程学习，能应用计算机三维参数化设计软件进行创新设计。

（二）学习使用参数化三维设计软件的内容融入工程图学教学

在传统的工程图学教学内容中，教师在课堂上首先要向学生展示机件的三维立体模型，然后介绍通过形体分析研究如何在平面图纸上按投影原理画该立体的多面正投影，将三维立体模型的内外结构用最合适的表达方法准确地表达出来。在以前的工程设计、生产和检验中，人们都是靠工程图纸即投影图形来交流实施的，这样教学内容的安排是没问题的。但现今进入了计算机智能制造时代，二维工程图在产品设计、制造、检验中的使用已经不是最主要的了，部分高新技术企业使用了计算机参数化三维设计软件（如Solidworks、NX、ProE等），已經基本不需要工程图样来参与设计、制造和检验。即使需要用到工程图来进行技术沟通和交流，也可以很快地从计算机三维设计软件中，通过三维模型来进行。因此，在工程图学教学中应增加计算机参数化三维设计软件的使用和学习，增加三维造型设计方法的内容。

二、工程图学教学方法改革

改革教学方法应树立以学生为本的教学观念。工程制图课程教学，除了使学生获取工程图样的画图和读图的方法，培养其平面投影图与空间三维立体联系的思维转换技能，更重要的是要培养学生的创新思维能力，为学生今后的专业学习、兴趣爱好、职业规划等打下良好和扎实的基础。

传统的制图教学方法和手段主要用挂图或PPT课件、立体木模、黑板画或板书来进行讲解和画图演示，课程知识枯燥乏味、抽象难理解是学生在听课学习中经常反映的问题。有时教师对某一知识难点反复讲解，由于学生还没建立完善的立体构思习惯和能力，还是有相当一部分的学生不能理解，直到看到对应的立体图形才会恍然大悟。但是在黑板上画立体的轴测图，要花费太多的课堂教学时间，教学效率低下，无法在规定的课时内完成教学进度。所以根据学生认知规律，在当前工程制图教学课时不断减少的情况下，我们大胆地在工程制图教学中引入CAD参数化设计软件，运用计算机、多媒体课件等先进教学手段辅助教学，提高教学效果和效率。使用参数化三维设计软件，能把点、线、面的投影过程，截交线与相贯线的形成过程、零件的剖切过程等通过建模特征树进行动态展示，并能通过三维实体造型技术、立体表面着色和不同观察点的变换，在三维实体和二维平面投影之间，建立起形象直观和抽象思维相结合的教学模式。

使用SolidWorks的eDrawings插件，可以使学生对组合体的构成方式、对形体分析法和线面分析法的分析运用加深理解，从而有效地提高学生的形象思维能力和空间想象能力。例如当学生在练习看工程图样遇到困难时，教师可以用参数化设计软件建立的三维立体，把该图的立体模型在电脑屏幕上进行动态展示，帮助学生进行对比阅读理解。如下图所示：

在讲解复杂形状零件形体分析时，我们先在備课时把该零件的立体模型用CAD参数化软件设计好，在教学时运用参数化三维设计软件强大的特征回放功能来演示，从不同的角度边演示边讲解，使学生对画图和读图的形体分析法和线面分析法有更直观的理解，使理论知识的教学过程由抽象、枯燥乏味、静态不动转为直观、丰富有趣、形象生动，增强了学生的学习兴趣与主动参与的积极性[2]。

三、工程图学实践教学的改革

（一）设立先进成图技能实训课程，培养智能制造行业所需人才

工程图学是一门实践性很强的课程，课程最后必须要有实践课程，以前是安排两周时间来进行制图测绘，主要训练学生手工零件测绘、草图绘制、零件图和装配体绘制及计算机绘图四个环节，加强和巩固课堂理论知识向实际工作能力转化。而随着现代工业智能制造技术的不断发展，光掌握上述训练内容的能力，已无法满足部分高新技术企业对应用型专业人才知识结构的需求，因而社会对工程图学课程的实践教学提出了新的要求。为了使工程图学实践教学适应智能制造技术对人才的需求，使工程图学教学与现代设计、制造紧密结合，我们设立了先进成图技能实训课程，强化课程各项知识点的综合训练，形成从草图绘制到计算机CAD参数化设计输出的一体化训练方案。在两周的时间内，模拟实际设计工作步骤，每位学生按实训任务书给出的要求，完成某一零部件的测绘、草图的绘制、视图的表达、三维建模设计、装配设计、工程图、计算机图形输出这样一个完整的实践过程。通过实际训练使学生不仅具备传统的画图读图能力，同时具备符合智能制造技术所需的使用计算机参数化设计软件进行设计工作的能力，让学生将学到的知识在运用中转化为能力[3]。

（二）实践教学引入计算机参数化设计软件训练

设立先进成图技能实训课程，引入计算机参数化设计软件训练。我们在两周的时间里，三分之一安排零件测绘、手工草图，三分之一安排计算机绘图，三分之一安排使用计算机参数化软件做零件三维建模、三维装配建模并出工程图。这样的训练既培养了学生把投影理论、机件的各种表达方法手段、标准件和常用件的选用和标注、零件图的技术要求理解和标注、装配图的表达和画法等内容进行综合实践运用，又培养了学生动手操作的能力、运用智能制造技术辅助设计的能力，还培养了其团队协作和认真负责的工作素养。下图是学生用计算机参数化三维设计软件做出的齿轮油泵零件和装配体。

四、工程图学课程考核内容和方式的改革

长期以来，设置工程制图课程的教学任务和目的，就是让学生通过学习，掌握运用投影原理读工程图和画工程图的能力。考核方式采用闭卷笔试形式，这也是目前大部分高校工程制图课程的考核内容和方式。此种考核内容和方式在过去能够满足社会对于该专业人才的需求，但对于当前和不久的将来，工业智能制造技术的高速发展和用人单位对于具备高新技术能力的人才需求来说，其培养的专业人才知识结构无法满足高新技术企业的用人需求。因此，在工程图学课程教学和实践中，高校在重视考核学生的理论知识同时，更要注重学生实践性教学考核，学生的能力（包括团队合作能力、动手能力、主动学习能力、语言交流表达能力、创造性思维能力和智能制造技术所需的使用计算机参数化设计软件的能力）都是高新技术企业所需人才必备的条件。考核内容和方式单一，一方面容易造成评价成绩的失真和错判，使优秀的学生被埋没；另一方面会造成学生为应付考试而学习，思维方式单一，抑制了学生的创新潜能，阻碍了学生的学习主动性和掌握知识、训练能力的积极性。

在现代工程图学教学中，工程图学课程考核要考的不仅是书本知识，还有学生的能力。从某种意义上来说，学生的能力培育和考核有时比灌输学生的书本知识更重要。因此应把能力的培育放在首位，建立一个新的知识、能力相结合的课程考评指标体系。在课程教学环节，可通过过程性考核评价（平时的考勤、课堂练习表现、教学互动、上机操作、课后作业）、结果性学习评价（阶段性测验）和综合性实践评价（期末综合练习、实践报告、计算机参数化辅助设计软件的应用操作、答辩）三方面来综合考核学生学习的效果和具备的能力[4]。通过建立符合培养目标要求的合理的考核评价体系，促使学生认真上好每堂课；认真负责，按时完成教学要求的作业；激发学生主动学习的兴趣。

五、结束语

计算机技术和制造技术的不断发展，向产品、工艺和系统的设计人员和管理人员的知识结构和能力提出了新的要求，传统的设计和管理方法已经不能有效地解决现代制造系统中所出现的新问题，这就促使我们利用各学科最新研究成果，通过集成传统制造技术、计算机技术与科学以及人工智能等技术，发展出新型的制造技术与系统，这便是智能制造技术（IMT）与智能制造系统（IMS）。工程图学课程教学在当前智能制造技术高速发展的形势下迎来了改革和发展的机遇，工程图学教学改革势在必行。面向智能制造技术，结合高校培养应用型卓越工程师的需求，本文从教学内容、教学方法、实践教学和课程考核几方面，提出以计算机参数化三维设计软件为主、面向工程实例的工程图学教学改革和探索的一些设想，是深层次的教学改革。其能适应当前工程设计和智能制造技术发展变化的需要，对于培养学生的空间思维能力、图形表达能力、机械设计能力和使用智能制造技术的能力更有效。随着科技生产力、计算机智能制造技术的不断提高，工程图学的教学改革还需进一步探讨和深化，以培养出适应未来工程实践需要的应用型一线卓越工程技术人员。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 张丽萍， 程耀东， 李兴田， 等. 基于“卓越计划”的工程图学课程的改革与实践[J]. 兰州交通大学学报，2013（2）：162-164.

[2] 蓝晓民， 王盛智. “工程制图”课程多媒体教学方法探讨[J]. 图学学报， 2013（1）：120-121.

[3] 杨莉， 郝育新， 吕梅. 工程制图测绘周教学改革效果分析[J]. 图学学报， 2014（4）：603-606.

[4] 冯永军. 工程图学“全过程、全方位”综合考核体系的改革与实践[J]. 中国科教创新导刊， 2012（29）：30+32.

[责任编辑：刘凤华]