基于NX的机械制图及三维建模综合实训教学改革研究

李芳　刘旭辉　叶卫东

[摘 要]笔者针对目前机械专业本科生机械制图及三维建模综合实训课程的教学现状，提出了基于NX的教学改革探索方案。方案以三维建模软件NX为辅助，从项目化、案例化、分组化等多方面入手，采用将软件与应用相结合的教学方式，对教学内容和教学方法等进行相应调整，为机械制图的教学改革提供有益参考，为合格的创新型、应用型工业技术人才的培养奠定基础。

[关键词]机械制图;三维建模;创新型

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）07-0098-03

2015年，国务院印发了《中国制造2025》文件，标志着我国实施制造强国战略第一个十年的行动纲领正式问世[1]。文件中指出：制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基。目前，与世界先进水平相比，中国制造业仍然大而不强，在自主创新能力、信息化程度等方面差距明显，转型升级和跨越发展的任务紧迫而艰巨。因此，必须坚持“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”的基本方针，通过“三步走”实现制造强国的战略目标。基于此，国务院提出了包括“高档数控机床和机器人”“航空航天装备”等十大领域，“制造业创新中心”“智能制造”“工业强基”等五大工程的建设方案和规划。

作为制造业应用型创新人才培养的主要来源，应用型高等院校对于国家创新体系建设中人才培养的重用地位和作用进一步显现，对人才培养的教育教学改革提出了更加紧迫的要求。尤其是作为机械专业本科教育的专业技术基础课程——机械制图和三维建模综合实训，成为创新性、应用型专业技术人才培养的基石，其教学改革方案的合理性、教学效果的有效性、教学与实践结合的紧密性，直接影响甚至决定着整体机械专业教学改革的成败、人才培养质量的优劣。

一、机械制图教学现状及教学改革的必要性

机械制图是机械专业重要的技术基础课程，主要培养学生的空间思维能力，使学生能够阅读和绘制满足国家标准要求的机械工程图样，为产品的设计、开发、制造打下基础，为后续专业课程的学习做好准备。由此可见，机械制图课程学习效果的好坏直接影响后续相关课程的学习以及工作。

传统机械制图教学一直以二维设计为主线，从点、线、面投影特性入手，依次引申出基本体，基本体的截切相贯线，简单组合体，复杂组合体的三视图投影，零件图和装配图的绘制、技术要求等内容。但是，众所周知，这是一种非常抽象的教学方式，在图纸绘制过程中，需要学生根据三维立体的内外部形状特征选用合适的表达方法，并将三维物体转换为二维投影;反之，在读图过程中，则需要学生将二维投影图通过逆向思维再次转换为三维物体。这种逆向思维方式，对于学生的立体思维能力有非常高的要求，尤其是对于许多内外部结构特征复杂的零件，由于存在若干条内外相贯线需要表达，在图纸中必须选用剖视图、断面图等综合表达方法，此时只用语言的描述很难做到既简洁明了又形象清晰地解释。按照传统的教学模式，在教学过程中靠“嘴、粉笔、挂图”来讲授，虽然已经使用大量的模型辅助教学，但毕竟实物模型体积大、重量重，在使用过程中还是存在不连续性、局限性和片面性，很难做到多种模型之间以及模型和视图之间的相互灵活转换，使学生很难从感性上升到理性[2]。

尤其对于机械专业的本科教育，零件图和装配图等内容的学习对于后续专业课程的学习至关重要，而这部分内容的复杂性、抽象性更是比非机械类专业的制图课程有了跳跃式的提高。表达方式的选择错误或不合理性直接影响到零件图的尺寸标注、技术要求等内容的标注，甚至会影响到零件加工过程中工艺的选择和工序卡的制作。对于装配图亦是如此，表达方法选择错误，则无法合理清晰地表达零件之间的装配关系和机器部件的工作原理。传统制图与测绘实践教学同样采用的是二维设计平台，仅仅用于设计工程图，而无法满足CAD/CAM/CAPP等课程的信息需求，使得学生对于设计与制造之间的三维→二维→三维的转换过程难于理解，无法表达复杂曲面，造型、渲染、装配和动画能力差。為此，课程的改革迫在眉睫，在课程的改革过程中应强调课程之间的相关性，使学生能够做到知识之间的融会贯通，从而培养创新性、应用型的卓越工程师。

二、基于NX软件的教学改革探索

（一）项目化教学模式

在工程教育认证以及卓越工程师培养的背景下，如何对专业的人才培养体系进行科学的顶层设计，这是各个高校共同面临的难题[3]。而应用型本科人才培养面临的最大问题是理论与实践的脱钩，教师的授课、学生的学习都仅仅是以某一门课的理论知识教学为主导，这一方面很难激发学生的学习兴趣和提高教学质量，另一方面也使得各门课程之间不具有连贯性和辅助性。而项目化教学能够为学生营造身临其境、感同身受的课堂情境，及时地将理论与实践相结合，并同时将其他相关专业课程内容融入机械制图和三维建模综合实训的教学实践过程中，使得制图课与机械专业课顺利衔接。

在机械制图及三维建模综合实训课程教学中，笔者通过与专业课程教师沟通交流，搜集整理了大量的项目案例，根据其难易程度分类，并选择合适的时机将任务分配给学生，让学生以完成任务的方式，带有目标性地主动学习。以机械制图中零件图的表达为例，首先留给学生的任务并非仅是一个单独的零件，而是一项简单的装配任务——低速滑轮装置，如图1所示。

该装置的工作原理是当传动带成角度传动时，起引导传动带的作用。它由六个简单零件组成，其中包括托架、衬套、滑轮、心轴四个非标准件，螺母和垫圈两个标准件。这四个非标准件包括了轴类、轮盘类和支架类零件，通过对这几个零件的介绍和讲解，可以使学生初步了解零件的主要分类方法，以及不同种类的零件具有哪些结构特点，其加工方式有何不同;在工程图纸中，不同种类的零件该如何选择合适的视图表达方法，该标注哪些尺寸和技术要求等。

对于非标准件，通过利用三维建模软件NX，可以实现三维空间模型和二维工程图样之间的灵活切换，也可以实现实时的剖切表达，从而实现形象、清晰、简洁的实践教学模式。在零件图这一章，首先选择4号托架零件为例，如图2所示，将该项目分配给学生，分组讨论该零件的结构组成以及建模方式。学生通过讨论得出结论：该零件由不同投影面内的形状特征通过拉伸、旋转等形成的基本体叠加而成，其建模方式不唯一。接下来统一归纳出托架的一种建模方式，在建模讲解的过程中，介绍零件不同的表面具有不同的工艺技术要求，因此所需采用的加工方式也各有不同，包括铸造、车削、磨削等。而机械加工部分工艺要求较高，其原因在于在装配体中这些表面为工作面，需要与其他零件表面装配接触。通过这种方式，将零件建模与尺寸标注、技术要求等内容相结合，不仅提高了零件的三维展示效果，降低空间想象的难度，而且同步介绍零件图所包含的各项内容，使学生形成产品设计过程中综合思考的思维方式。

另外，在NX软件平台上，可以轻松地从不同的角度展示托架的投影示意图，如图3所示。通过图像展示、透明设置、形体分体判断出该零件属于叉架类零件，这类零件加工位置不唯一而工作位置唯一，因此可以很清楚地判断出该零件的工程图应选择其工作位置作为主视图投影方向;同时，应考虑零件的结构特征，因为有内部孔需要表达深度尺寸，因此主视图选择孔水平放置，且主视图采用全剖表达方法以表明装配孔的深度;另外，为了表达支撑部分的形状特征，需要增加零件左视图。

另外，NX系统中开发了常用件和标准件建模的快速方式，通过建模生成符号螺纹和详细螺纹。由于NX软件中符号螺纹生成工程图完全符合国标标准，详细螺纹又具有形象直观的特点，因此可以从工程图和三维模型两个方面对上一章节的螺纹表达知识进行巩固和提高。

由此可见，通过任务分配、项目化教学、三维建模展示，将螺纹紧固件的表达、非标准件的零件主视图表达方案、产品技术工艺要求等内容融合在一起进行介绍和讲解，大大降低了传统课件教学的抽象性，提高了教学的灵活性，并激发了学生思考和学习的主动性，做到专业基础课与专业课的融会贯通，这对于提高学生的学习兴趣以及顺利衔接后续课程很有帮助。

（二）分组化教学模式

实践能力是应用型技术人才必须具备的一项基本技能，尽管在以往的教学中增加了相应的实践课程、实践学分，但是因为缺乏有效的引导，没有足够的案例和模型，学生之间存在大量的相互抄袭模仿作业和练习现象，使得实践能力的培养遇到瓶颈问题。尤其是在机械制图的教学过程中，装配图是学生难以理解的一个知识点，很多装配零件很多学生都没有接触过，不知道它们的存在形式[4]。尤其对于较复杂的装配体，其零件图和装配图的绘制工作量非常大，每个学生单独完成所有工作会非常辛苦，且使学生感到枯燥乏味，没有学习的动力和主动性。而NX软件具有强大的建模、装配、制图、仿真等模块功能，使得分组讨论练习与合作完成设计任务成为现实。

在机械制图及三维建模综合实训课程教学中，笔者从专业培养目标出发，结合后续课程内容引入大量的装配、仿真课题，综合考虑每一位学生的特长和优缺点，对其进行分组和任务分配。每组学生必须完成的任务包括：装配体工作原理的解读、零件的建模、装配体的装配模型和爆炸图、运动仿真以及装配拆卸动画、设计说明报告等。在此过程中，教师的作用在于引导学生与学生之间互相研讨、互相协作，帮助学生营造一个互助有利的健康学习环境;同学之间经过讨论、小组任务分配、协同合作等共同完成课题，这不仅有助于学生开拓性思维的形成与发展，更能促进学生理解知识的应用。

以平口钳为例，如图4所示，每组共有五位同学，根据平口钳的复杂程度，将任务分解为：工作原理解读、标准件建模、非标准件建模、平口钳装配、装配拆卸动画、零件和装配体的工程图、设计报告与演讲等几项内容。依照每项任务的特点，部分任务学生集思广益共同完成，如工作原理解读、装配体的装配、设计报告与演讲等;部分任务单独完成，如零件的建模、工程图绘制等。

对于平口钳而言，滚动丝杠和活动钳身之间的装配部分是实现平口钳转动转变为平动这一工作原理的重要组成部分，其建模过程中涉及螺旋线、扫掠等命令，装配过程中涉及非标准矩形螺纹的啮合约束问题，这些内容均是学生必须掌握又具有一定难度的知识点，因此各小组决定将滚动丝杠、套螺母和活动钳身的建模、丝杠和套螺母的非标准螺纹装配作为每位同学都要完成的任务。在完成任务的过程中，小组成员之间通过交流、沟通、讨论，使得基础比较薄弱的同学在其他同学的带动和辅导下，快速提高机械制图和三维建模综合实训课程的成绩。而标准件建模、次要零件装配、报告PPT制作等内容，则通过头脑风暴后的集思广益，由一位同学主导完成。

通过类似的小组化教学，避免了机械制图理论知识和工程实践的脱节，同时加强了学生的感性认识和理论学习的积极性[5]，又做到了学生之间的取长补短，更锻炼了团结协作的实践工作能力。

三、结束语

在工程教育认证以及卓越工程师培养的背景下，针对机械制图这门课比较抽象、单调、语言不易描述等特点，通过二维和三维的结合运用，利用三维建模软件NX将机械制图理论知识点融合到三维建模和装配的过程中，一方面可以大大降低教师准备实物模型的时间，减少教师的工作量，另一方面可以改善学生的立体思维能力，大大提高学生的读图绘图能力。由于NX软件在建模、装配、仿真等模块的完善性，使得教学过程具有很大的灵活性、连贯性，并能在很大程度上提高学生的学习兴趣、理解能力和学习主动性。通过运用项目化、分组化的教学模式，避免了理论知识和工程实践的脱节，避免了专业基础课和专业课之间的脱钩，使学生之间团结协作，取长补短，增强了学生的合作意识，为后续相关专业课程的教学改革提供支持，为培养合格的创新性、实践性专业技术人才体系的构建奠定基础。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 王瑞红.工科应用型人才实践创新能力培养的研究[J].价值工程，2017（21）： 195-196.

[2] 刘明.基于UG软件的机械制图课程虚拟化教学[J].辽宁师专学报，2017（3）： 24-26.

[3] 曾寿金，江吉彬，黄卫东，等.工程认证背景下应用技术大学机械专业人才培养体系构建[J].教育教学论坛，2018 （12）： 86-88.

[4] 董虹星.浅谈UG在机械制图教学过程中的運用[J].装备制造技术，2013（10）：166-167.

[5] 李小斌，吴宏岐，李银兴.应用型人才校企合作产学研结合培养模式研究[J].大学教育，2017（6）：116-117+120.

[责任编辑：钟 岚]