基于三維造型技術的機械制圖課程改革研究

章慧成 李玉軍 孫濤

摘要：《機械制圖》是理工科大學機械類及近機類專業的通識必修課程，主要培養學生的識圖和繪圖能力。隨著“3D打印”等新型制造技術的興起及發展，傳統教學模式下簡單的二維工程圖樣已不能滿足智能制造時代的需求。為適應智能制造技術的發展，強化學生制圖技能，針對現行機械制圖教學內容及教學方法的課程改革勢在必行。

關鍵詞：工程圖樣;智能制造;課程改革

0 ?引言

機械圖樣作為一種“工程語言”不僅是設計人員進行創意交流的工具，也是設計者和制造者進行溝通的橋梁，在機械制造過程中具有舉足輕重的地位[1]。目前，國內大多數院校培養學生機械制圖能力的實現途徑依舊由畫法幾何、機械制圖及CAD平面造型三個模塊簡單疊加而成，且仍停留在以學習二維圖樣識讀為主的階段，這在一定程度上割裂了制圖能力和設計應用能力的融合培養。在計算機技術和現代制造技術蓬勃發展的大背景下，如何在機械制圖教學中合理融合二維設計與三維實體造型的內容和思想，使學生更快、更好地適應機械制圖學習，滿足現代企業對人才的設計造型能力需求，成為機械制圖課堂教學亟待解決的問題。

1 ?機械制圖課程教學現狀分析

1.1 教學內容過于陳舊

教材是課程內容的主要載體，教材內容設計是否合理直接影響課堂教學效果，現行制圖教材主要由國家標準、投影原理、畫法幾何及機械制圖四大模塊組成。在課時分配層面，諸如投影原理和畫法幾何等理論性知識的講解篇幅占比過大，在實際課堂教學中往往課時量不夠，而針對零件圖等內容的設置較少，學生沒有足夠時間進行零件的識圖繪圖訓練。在內容設計層面，教材所選用的圖例較為陳舊，未能采用機床、機器人等現代企業中的常見實例，且90%以上的圖例均為平面圖，未能引入三維模型進行對比分析。而在航空航天、汽車制造等制造領域已有三維圖樣取代二維圖樣的趨勢，因此，制圖教材的更新及調整刻不容緩。

1.2 教學方式過于單一

機械制圖是一門基于投影原理和繪圖國家標準，通過簡單構型和繪圖訓練，逐步實現識讀繪制機械圖樣目標的一門課程。目前教師的講解，主要依賴于尺規作圖、課件PPT圖片和教學模型等工具進行講解，但圖片并不能動態表達形體的投影特征，不能將形體的各個角度進行全方位展示，學生主要依靠“發揮想象”來學習該課程，在學習過程中易產生厭學情緒。

1.3 考核方式較為刻板

機械制圖是一門“理論+實踐”的理實一體化課程，該課程雖然需要掌握國家標準規定的圖樣畫法以及基本的投影原理等理論知識，但其最終目標是學生要能正確的識讀和繪制圖樣。因此，采取閉卷考試的方式進行學習效果的考核方式有待進一步優化和完善。

2 ?三維造型在課堂教學中的應用

2.1 在組合體教學中的應用

組合體是點、線、面及基本立體投影的擴展和延伸，是機械制圖中有一定難度的知識模塊，在以往課堂教學中主要運用平面線框分析為主的線面分析等方法進行講解，學生理解有一定的難度?；诖?，在組合體教學中，通過UG軟件“疊加”、“切割”等命令搭建不同組合方式的組合體，一方面可讓學生更為直觀的理解組合體的常見組合方式，另一方面可以從宏觀角度培養學生的空間構型能力。

2.2 在剖視圖中的應用

剖視圖作為機械零件較為重要的表達方式之一，在零件內部具有較多孔、溝、槽、臺階以及其他較為復雜的結構時可用剖視圖進行展示。對于剖視圖中難以表達的幾何形體，在課堂教學中可在UG環境下，利用其“剖切”功能進行演示，以進一步觀察機械零件的內部結構，借助三維造型技術可進行多角度分析和觀察，強化學生對剖視圖的理解和掌握。

2.3 在裝配圖中的應用

裝配圖是各個機械零部件進行有序組合的一個綜合圖樣，學生在裝配圖學習中往往對零件之間的裝配關系較為困惑?；诖?，可將零件三維建模后組裝成三維實體，利用UG對裝配圖進行“爆破”處理，使學生對各個零件的裝配關系具有更為直觀的認識，以此來指導二維工程圖樣的繪制。

3 ?應用成效分析

3.1 教師層面

在傳統機械制圖的課堂教學中，教師主要以尺規作圖、展示教學掛圖和實體模型等方式進行理論講解，以輔助學生提高形體識別能力[2]。但近些年來，隨著大學課程體系重構，機械制圖課堂教學課時較之于前壓縮近三分之一，較少的教學課時與提高學生制圖能力需求之間的矛盾日漸突出。若沿用傳統教學手段，將會擠占大量課堂時間，縮短學生在課堂中的有效學習時間，進而拖累教學進度。三維造型以其高仿真性、高靈活性及易操作性等突出優點取代非必要性尺規作圖后，大大提高了教師的授課效率，從根本上保證了教學任務的順利完成。

3.2 學生層面

學生在以往的制圖課程學習中，繪圖能力及空間思維能力的培養主要依托于教師的語言性講解，鮮有較為直觀的構型展示及訓練。一方面，三維造型技術的引入，改變了課堂內容冗長乏味的現狀，增加實物動態投影的可視性加深了學生對投影原理及空間形體表達的直觀認識與理解，增強了學生學習的趣味性和有效性[3]。另一方面，三維造型技術更貼合“智能制造”的實際工程需求，學生可通過制圖課程中三維造型技術的引入，逐漸接觸和了解3D打印等新型制造技術，增強其后續發展的競爭力。

4 ?總結與展望

隨著綠色制造、智能制造等新型制造方式的出現，三維造型技術在企業產品設計中的地位日趨重要，與之相適應的機械制圖課程教學改革業勢在必行?；谌S造型技術的課堂教學改革，以投影原理和畫法幾何為基礎，依托三維造型技術為教學手段，構建了一種機械制圖新型課堂教學模式，滿足了提升學生空間思維能力及培養其構型設計能力的需求，對培養和引導學生參與“中國制造2025”宏偉戰略具有重要意義。

參考文獻：

[1]毛雅麗，張賀.基于三維技術的《機械制圖》教學改革探討[J].沈陽工程學院學報（社會科學版），2012（8）：107-108.

[2]戶麗婷.淺談機械制圖與機械CAD的有機結合[J].智能制造，2018（02）：84-85.

[3]呂程.基于三維圖樣技術的應用型本科《機械制圖》教學改革探索[J].科技資訊，2018（02）：198-199.

基金項目：2019年度甘肅省教育廳高等學校創新能力提升項目（項目編號：2019A-250）。

作者簡介：章慧成（1991-），男，甘肅酒泉人，講師，研究生，工學碩士，主要從事數字化設計與制造等方面的教學研究工作。