基于数字化制造的《机械制图》教改策略
[摘要]在数字化制造技术条件下，工程图样绘制和识读方法发生了深刻变化，《机械制图》课程作为培养学生绘图和读图能力的核心课程，其教学方式和培养目标也要随之改变。CAD软件是数字化制造技术核心载体之一，在《机械制图》教学中以CAD软件作为辅助手段，应对教学中存在的问题，来提高教学效果。
[关键词] 数字化制造 职业教育 机械制图 教学改革
随着工业4.0时代的到来，国家出台《中国制造2025》，规划了未来10年中国制造业从“大国”走向“强国”之路，数字化制造成为推动制造业转型升级的必由之路。职业教育担负培养技能型人才的重任，其教学内容和教学方式必须适应制造业未来的发展需要；随着教育部《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》的出台，教育信息化发展越来越受到关注，为教师的教学方式提供了更多的手段。当前，随着职业学校教学条件的不断改善，教学场所基本具备多媒体教学条件，为《机械制图》课程利用信息化技术，采用数字化制造技术核心载体之一的CAD软件辅助教学提供了保障。
一、CAD软件辅助《机械制图》课程教学的意义
在职业教育中，《机械制图》作为训练学生识读、绘制工程图样能力的专业基础课程，对培养应用型、技能型人才具有关键性的作用，对后续课程的学习和未来从事工程技术工作影响深远。在职业教育教学改革不断深化，以实践操作为主线的理实一体化课程逐步成为职教课程体系主体的背景下，以及数字化制造技术推动传统制造业进行产业转型升级过程中，新知识、新技术、新工艺不断涌现，《机械制图》教学内容和教学方法要满足教改和数字化制造技术新要求。
《机械制图》具有较强的理论性和实践性，以挂图、教模、多媒体课件为教学辅助手段，采用讲练结合的传统教学方法，对学生的学习能力要求较高，在职教《机械制图》课程教学中，要进一步全面提高教学质量，则需要在传统教学方法基础上，探讨教法创新。针对职业学校学生的学习现状，以数字化制造技术核心载体之一的CAD软件辅助《机械制图》教学，是《机械制图》教法创新的重要方向。
二、CAD软件辅助《机械制图》课程教学策略
(一)用3DSmax软件辅助三视图的形成教学
三视图的形成是讲解正投影原理的核心内容，也是组合体、图样表达方法等后续知识学习的基础，正确建立起三视图的形成空间概念十分重要，是学生对《机械制图》课程学习尽快入门的关键。3DSmax软件具有多视窗显示功能，可以在不同视窗中方便地设置六个方位正投影图或轴测图，通过分别改变实体长、宽、高参数，动态显示三视图的“三等”对应关系；通过改变实体中不同结构要素的空间位置，动态显示三视图的方位关系，直观地反应三视图的形成教学内容中“三等”关系和方位关系，可协助学生尽快理解应用正投影原理形成三视图的过程。如下图所示：
(二)用CAD软件辅助轴侧图画法教学
轴测图画法是机械制图教学中的难点，学生采用常规绘图工具画轴测图时，如果不经过大量的作图训练，轴侧图的绘图技巧不易掌握，虽然手工绘制简单零部件轴测图难度相对较小，而对于复杂零部件轴测图的手工绘制，不仅费时费力，学习难度也很大。在传统的工程图样中很少应用轴测图，但随着CAXA、中望、UG、SolidWorks、Inventor等三维CAD软件的普及，在实际工程中，信息化制造软件被广泛应用，无论是在设计还是在制造阶段，更多的是直接采用三维设计模型再自动生成二维工程图，在复杂零件制造过程中，加工程序的编制也有赖于三维实体数据进行自动编程，通过三维实体数据可以很方便的形成不同视角轴测图，在工程图样中的轴测图可以很好地辅助工程技术人员提高读图效率。应用三维CAD软件，通过绘制草图，采用拉伸、切割等简单造型方法演示和实践，引导学生掌握手绘轴测图的基本思路，引导学生采用三维CAD软件新技术画轴测图，来突破轴测图绘制的教学难点，达到化难为易，激发兴趣的目的。
(三)用CAD软件辅助组合体、机械图样的表示法教学
组合体、机械图样的表达方法教学内容在《机械制图》课程中起到承前启后的作用，学生必须进行足够的习题训练，才能掌握有关知识和读图、绘图技能。如何辅助学生做好具有一定数量，又有一定难度的习题，并不断激发出学生的学习兴趣，是教师在教学过程中需要考虑的问题。根据传统教学方法，教师可以借助教具，学生可以通过绘制轴测图等方式来辅助学生读图和绘图，但由于使用教具存在数量、类型等方面的局限性，绘制轴测图不仅耗时，而且又一定难度，容易消磨学生的学习热情，产生畏难情绪。由于当前CAD软件都具有十分强大、便捷的三维造型功能，在教学过程中以CAD软件设计组合体或机件的三维造型来代替绘制轴测图，不仅可以全方位展示三维造型的结构特征，化难为易、化抽象为具体，有效降低学生的学习难度，辅助学生完成组合体或机件读图、绘图训练，而且常用三维CAD软件的造型过程与组合体的形成过程具有一定的相似性，对培养学生的读图、绘图思维习惯，以及对零件制造工序的理解都有帮助。
(四)用CAXA实体设计软件辅助零件图、装配图教学
在机械图样教学中，零件图、装配图尺寸、技术要求的标注和识读是重点，也是难点。由于学生缺少足够的生产实践经验，其对标准的掌握、对制造工艺的理解都还处于初级阶段，要达到“正确、完整、清晰、合理”的标注尺寸，理解图样中技术要求含义，存在比较大的困难。CAXA软件为北京数码大方科技股份有限公司开发，拥有自主知识产权的的数字化制造系列软件，其中CAXA实体设计内嵌的电子图板二维绘图软件，依据中国机械设计的国家标准和使用习惯，具有专业绘图工具盒辅助设计工具，操作简单，提供符合国标的尺寸标注、坐标标注以及工程标注；支持尺寸、公差、文字和符号位置等的智能关联；支持GB、ISO、JIS、ANSI等多种绘图标准，针对机械专业设计的要求，提供了符合最新国标的参量化图库和构件库。由于CAXA电子图板软件几乎不需要进行过多设置，就可以绘制出符合制图国标要求的工程图样，因此，在进行零件图、装配图尺寸、技术要求的标注和识读内容教学时，一方面，可以方便地应用软件符合国标的特点，在下拉菜单、工具栏、列表中巩固和强化有关尺寸标注、技术要求的制图标准；另一方面，可以应用其操作简便、快捷的特点，提高绘图效率，为学生进行更多数量的零件图、装配图绘制和识读相关训练。
(五)用CAD软件构建模型库辅助教学
在传统的《机械制图》课程教学中，为帮助学生解决抽象思维面临的困难，教师通常会利用教学模型进行直观教学，模型直观、触手可及，能够吸引学生的注意力，激发兴趣，但也存在着一定的弊端，如携带不便、类型不丰富、缺少变化等问题。当前常用CAD软件三维建模功能丰富、强大，特别是对于没有不规则空间曲面元素的三维模型建模十分便捷，通过CAD软件构建《机械制图》课程教学中常用模型库，完全可以替代课堂教学中教学模型的应用，而且可以通过软件旋转、缩放、剖切等功能，动态展示三维模型的内外结构特征，根据需要还可以对模型进行修改，起到举一反三的效果，比传统教模使用起来更生动、更清晰、更灵活。
(六)用CAD软件数据转换功能辅助教学
当前主流三维CAD软件都具有三维实体与二维工程图的数据转换功能，可以很方便地利用三维模型数据生成二维工程图，这一功能不仅改变了工程设计方式，也降低了工程技术人员二维绘图能力要求，可帮助职业学校学生树立学好《机械制图》课程的信心，激发其对学习新知识、新技术的兴趣。用CAD软件数据转换功能辅助教学具体内容可包括：辅助绘图作用，即检查组合体三视图、机件表达方法手工绘图正确性；降低零件图、装配图手工绘图教学难度，提高绘图效率和正确性。辅助读图作用，即利用软件造型功能，根据读图思路，进行机件三维特征造型，经过不断对比和修正造型来辅助读图，达到迅速、准确识读机件内外结构形状的目的；根据三维造型结果，应用数据转换功能再生成二维工程图，用来验证读图的正确性。
(七)用CAD软件辅助教学可以培养学生数字化制造理念
数字化改变了制造技术，改变了制造企业，也深刻地影响着社会方方面面。从手工作业使用图板进行设计到计算机二维绘图和ＮＣ加工，从三维设计到数字样机，由数字化工艺过程设计到数字化制造、虚拟制造，从CAD应用到数字化企业的发展，使传统的制造业发生了质的变革。数字化制造技术是缩短产品研制周期、降低研制成本、提高产品质量的有效途径，是建立现代产品快速研制系统的基础。作为新世纪的机械制造业人才，在世界科技蓬勃发展的今天，了解和掌握新技术,新科技已成为时代的要求。《机械制图》课程教学过程中，引入CAD软件辅助教学，学生在专业技术学习之初，了解CAD软件技术，培养学生的现代设计和制造理念，为后续课程中，学生能更快速地适应、深入地学习数字化设计与制造技术奠定基础。
三、用CAD软件辅助教学的利弊分析
“利”主要表现在：
(一)与制造业技术发展要求同步
从国家和企业推动“甩图板”工程到“甩图纸”工程，以及在“工业4.0”时代，国家出台《中国制造2025》规划背景下，职业学校课堂教学需要紧跟信息化制造技术的发展、应用步伐，引导学生关注新技术，学习新技术。
(二)与《机械制图》课程教学特点相适应
在CAD软件绘图中强化制图标准概念；化抽象为直观，提高课堂教学直观性，化解教学难点，激发学生学习兴趣；解决教师课堂黑板作图效率低的问题，方便教师“举一反三”，提高课堂教学容量，学生则“见多识广”；制图课程作业量大，部分学生完成作业存在困难，学生可以用手机拍摄或下载组合体或机件的三维模型，辅助学生完成课后习题册作业；通过二维视图设计三维模型的反复训练，可迅速提高学生读图能力，借助三维模型生成二维视图的功能，可突出机件表达方法选择、尺寸和技术要求标注等重点教学内容，提高绘图能力训练效率。
(三)有利于培养正确的识读、绘制思维习惯
根据二维图样采用CAD软件进行三维造型的过程，即反映了图样的读图过程，与采用形体分析法识读、绘制组合体或机件视图过程一致，引导学生按照形体分析法识读、绘制组合体或机件图样。
“弊”主要表现在：
由于增加CAD软件应用教学内容，《机械制图》课程教学时间更显不足，导致学生手工绘图能力和空间思维能力培养有所削弱，学生听课和课后作业难度降低，思维积极受到抑制，有依赖心理。要求教师了解当前流行的CAD软件，并能熟练应用部分CAD软件的基本功能；教学场所要具备CAD软件辅助教学所需的软、硬件条件。
四、用CAD软件辅助教学效果检验
通过分别在13级、14级数控加工和模具制造专业三个高级技工班中进行对比教学实验，采用CAD软件辅助教学的S13503数控加工和S14503数控加工班级，学生课后作业完成率和正确率明显高于其它班级。对各班级期末考试成绩及技能竞赛班集训选拔结果统计如下表：
班级 人数 第一学期 第二学期 数控铣竞赛班集训选拔 备注
期末平均成绩 参训人数 选拔人数
S13502数控加工 44 66.4 74.3 10 0 13级五年制高级技工班
S13503数控加工 42 75.2 82.7 10 5
S13504模具制造 45 67.2 75.6 10 1
S14502数控加工 36 76.2 69.8 10 1 14级五年制高级技工班
S14503数控加工 38 81.5 78.1 10 4
S14504模具制造 40 74.5 72.2 10 1
《机械制图》课程期末考试平均成绩差异明显：S13503数控加工班第一学期均分高出对照班8.39分，第二学期均分高出对照班7.74分，S14503数控加工班第一学期均分高出对照班6.19分，第二学期均分高出对照班7.03分；由于数控铣工竞赛训练工件结构形状比较复杂，对零件图的读图能力和绘图能力要求高，在数控铣工竞赛选手培养和选拔中，13级和14级参训学生分别经过半年的集训之后，最终被选拔出的12名竞赛选手，其中有9人来自教学实验班。
通过应用CAD软件辅助《机械制图》课程教学，能够有效化解课程教学难点，培养学生对新知识、新技术的应用意识，解决学生学习困难，激发学生学习兴趣，提高教学效果，也为教师开展《机械制图》与《计算机绘图》课程进一步融合教学，探讨可行之路。
［参考文献］
［1］何丽，孙文磊，朱颖. Web三维模型共享平台在工程制图教学中的应用［J］. 机械工程与自动化，2015. (4).
［2］于莉； 蒋奎. 浅析多媒体辅助教学在机械制图课程中的运用［J］.职业，2013. (36).
［3］罗鹏程. 信息化教学手段在机械识图中的应用分析［J］. 科技展望，2015，(19).
［4］卢淑群,邓景泉. 计算机辅助技术与机械制图融合的教学改革探索与实践 ［J］. 中国教育技术装备，2013，(33).
［5］王霄琳. 机械制图与机械CAD的结合［J］. 中国科技信息，2014，(17).
[作者简介]高恒星（1969-），男，江苏省淮安技师学院高级讲师，主要从事《机械制图》、《计算机绘图》等课程教学和技能竞赛集训工作。
