机械制图教材内容的重构与优化
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[摘要]教材是学生进行学习、教师进行教学的主要依据.现行的机械制图教材内容存在章节顺序编排不合理、知识归属章节不合理、内容重复、知识陈旧等问题。可以遵照逻辑顺序和心理顺序，对现有机械制图教材内容进行重构，使知识由浅入深、承前启后地有序展开。同时，删除相对陈旧的知识内容，增加引入新的知识内容，对教材内容进行优化并实施动态管理。重构与优化后的教材内容更具科学性、严谨性及时代性。
[关键词]机械制圖教材;内容;重构;优化
[中图分类号]G642[文献标识码]A[文章编号]2095-3437（2020）02-0101-04
一、现行机械制图教材内容结构及主要知识点
1957年-1958年，教育部邀请苏联专家在清华大学举办了画法几何及机械制图教学研究进修班，在总结交流的基础上，初步形成了工程制图的教学体系和框架。相应地，在翻译苏联教材的基础上，我们开始了白编制图教材的出版[1]。历过60年的发展，目前市场上的机械制图教材版本繁多，许多院校编辑出版了校本教材。总体来说，现行机械制图教材基本上沿袭了20世纪50年代苏联的那一套结构体系，注重的是工程图学课程的完整化和系列化，忽略了实用性、综合性、创新性[2]。这些教材章节内容相对固定、章节编排大同小异，缺乏时代性，其科学性及严谨性有待进一步加强。
二、现行机械制图教材内容编排存在的问题
（一）章节顺序编排不合理
首先，许多教材在投影基础这一章中，将三视图置于点线面投影之前。在三视图的学习中，学生通过“根据简单的轴测图绘制三视图，补画视图漏线”等诸多练习初步掌握了三视图的基本绘制方法，可接踵而来的学习内容“点线面的投影”与“视图”全然无关。其次，点是构成体的基本要素，点生成线、线生成面、面生成体，应按点一线一面一体的顺序编排相关内容。
许多教材标准件和常用件单独成章，放在零件图和装配图之前。其中讲解螺纹、齿轮和弹簧的绘制方法时，需标注尺寸公差、几何公差、表面粗糙度等，而这些内容的学习安排在后续的零件图中，前面章节的学习需用到后续章节的知识内容，这出现了内容倒置超前的现象。螺纹紧固件、键、销以及滚动轴承在工程实际中属外购件，由专业厂家生产制作，只需根据具体工况选择合适规格的进行装配即可。因此，螺纹紧固件、键、销以及滚动轴承一般出现在装配图中，学生除了要了解其本身的基本结构及功能以外，更加需要了解其装配关系。装配图主要反映机器（或部件）的工作原理，各零件之间的装配关系，传动路线和主要零件的结构形状，是设计和绘制零件图的主要依据[3]。换言之，零件的尺寸公差、几何公差、表面质量结构及技术要求的确定严重依赖此零件在机器（或部件）中的装配关系、机器（或部件）工作状态下零件的承载情况等。目前的教材一般是将零件图作为单独章节置于装配图之前，学生不了解零件的装配关系及工况，对于零件的主要尺寸基准的选择、尺寸公差等级及基本偏差的选择、几何公差特征和公差数值以及基准的选择、表面粗糙度的标注等相关内容的学习往往是“知其然，不知其所以然”，或者绘图时索性依葫芦画瓢，硬生生地照搬教材上图例的标注。这种学习情境完全脱离工程实情，学生得到的知识是死的知识，学生不会灵活运用，更别说解决实际工程问题了。
投影基础中的三视图一点线面投影的顺序编排违背了学科知识的逻辑顺序，标准件一零件图一装配图的顺序编排不符合认知发展规律。
（二）某些知识点重复编排或归属章节不合理
现行机械制图教材实质上是融合了早期画法几何这门课程的部分内容。多数教材仅将画法几何内容简单叠加进来，而未根据整体教学内容做适当调整和融合。如截交线原本隶属于画法几何的内容，而实际上，此部分内容与后续章节组合体中的切割式组合体为同一个知识点。相贯线亦是如此，曲面立体与曲面立体相交形成的相贯体为组合体，其交线为相贯线（包括外相贯线和内相贯线）。
视图在机械制图中是一个很重要的概念。投影法和视图的基本概念、三视图的形成及其对应关系、视图等章节均有涉及视图概念。视图概念及三视图的对应 关系等知识点在上述三个章节中被重复提及。
零件测绘内容重复，许多教材设有零件测绘的单独章节，在装配体测绘章节中义设有画零件草图、画装配图和零件图的内容。
尺寸注法、组合体的尺寸注法、零件图的尺寸标注、装配图的尺寸标注等均涉及尺寸标注的相关知识点。这些内容除了相互补充外，还有诸多重复之处。
标准件和常用件无须单独设为一章，应根据各件的结构特点和其在工程中的主要功用分别归人装配图或零件图。
同一知识点重复编排或归属章节不合理，容易导致学生思维混乱，给学生造成不必要的学习困扰。
三、机械制图教材内容的重构与优化
重构与优化的机械制图教材内容结构及主要知识点见表l。
（一）遵照逻辑顺序和心理顺序，调整章节顺序，重构教学内容
美国著名的认知派教育心理学家曾提出：教材的组织既要充分考虑学科知识的逻辑体系（逻辑顺序），义要充分考虑学习中的认知因素及心理特点（心理顺序）[4]。简单地说就是“教材的展开顺序及各知识内容的呈现既要符合逻辑顺序，义要符合心理顺序，这样教材内容才更具科学性、严谨性。
1.调节章节顺序
在投影基础中，按点线面的投影、基本视图的顺序编排。学生在学完面的投影之后，掌握了平面的投影特性，这对正确绘制和识读基本视图有较大帮助。充分运用特殊位置平面的投影特性还可以有效提高绘图和读图速度。投影基础后续章节为基本立体的投影，需绘制基本立体的基本视图。将基本视图编排在点线面的投影与基本立体投影的中间位置，这样能起到承前启后的作用，保持教学内容的连贯性。
将零件图置于装配图之后，让学生在充分了解零件装配关系和工况的前提下，学习零件的尺寸公差、几何公差、表面质量结构及技术要求等相关内容，这样学生就不会那么茫然。其一，装配图的主视图一般选取的是机器（或部件）的安装位置，通常也是其工作状态下的摆放位置。透过装配图，可以观察到各主要零件在工作状态下的位置，此位置即为零件的工作位置，常作为零件的主视图。其二，学生通过识读装配图，观察零件在机器（或部件）中的装配关系可确定其主要尺寸基准，根据配合种类可确定其尺寸公差;了解零件在机器（或部件）中的主要功用及工作状况等，确定其几何公差、表面粗糙度及技术要求等。 2.重构教学内容
表1的前三个章节主要训练学生的平面视图与立体实物的空间思维转换能力，属工程图学的共性部分。学生在这个阶段主要是用分规量取作图以保证各图之间的尺寸对应关系，无须用到尺寸标注相关知识，教材中的图例也少有标注尺寸的，因此将尺寸标注置于第四章中（如表1中的4.5）讲解。仍保留装配图及零件图的原尺寸标注相关内容，这是因为装配图与零件图属机械专业图范畴，受加工、检测、安装、产品功能等因素的影响，其尺寸标注还有些特别的要求。徒手畫图的方法并入测绘章节（见表1的图9.2）。
有关视图的讲解并于表l中的2.6基本视图，即第2.1节仅讲解投影法的概念和正投影法的基本性质，为后续的点线面投影及基本视图的学习奠定知识基础。基本视图相关内容并入表1的2.6，并将投影基础中的原节主题三视图改为基本视图，其主要知识点包括视图的基本概念、基本投影面、基本视图的形成、基本视图的对应关系及投影规律、基本视图的画图步骤、三视图的概念。按制图相关标准，基本视图归属于视图。因此，在后续6.1视图部分，仍需将基本视图作为一个主要知识点列入其中，但不再讲解，注明“见2.6”即可。
截交线、相贯线归人表1组合体章节中（见4.2、4.3）。基本立体被平面截切之后即形成了切割式组合体，切割式组合体的投影最为关键的就是求截交线的投影。曲面立体与曲面立体相交，会产生相贯线，求作相贯体的投影最为关键的是求相贯线的投影。截交线和相贯线统称交线，其实质就是形体（平面立体或曲面立体）组合后形成组合体，其表面所产生的交线[5]。因此，将截交线与相贯线归属于组合体这一章再恰当不过。
将标准件和常用件等相关内容分别并入装配图与零件图。其中滚动轴承、销及销联接、键及键联接、螺纹紧固件的标记及联接画法并入表1中的7.5装配结构简介中讲解。螺纹结构、齿轮、圆柱螺旋弹簧分别归于零件图中讲解（见表1中的8.5、8.6、8.7）。装配图和零件图作为机械专业图，具有较强的实践性，采用案例教学法比较合适。建议选用一级减速器作为装配图和零件图的教学案例编入教材，先向学生介绍减速器的主要功用、结构，带领学生读懂装配图。后续零件图的学习将此减速器的主动轴（轴类零件代表）、主动齿轮（盘类零件代表）、减速箱箱体（箱类零件代表）等零件图编入教材，并对照装配图讲解各零件的工况，如工作位置、主要功用、装配关系及承载情况等，以帮助学生理解零件的主视图选择原则、尺寸公差和几何公差的选取原则、表面粗糙度值的选取原则以及如何注写技术要求。有条件的学校还可在讲课前带学生观察减速器实物，让学生事先对减速器的形状、结构等建立基本的认知。本文表1将装配图与零件图编排成了两个单独的项目，教学实践中也可将零件图融到装配图进行讲解。
零件测绘与装配体测绘整合为一章（见表1中的第9章）。可选取齿轮泵为测绘对象，绘制装配示意图、拆卸装配体、测绘零件、绘制零件草图、绘制零件图和装配图，同时完成装配体和零件的测绘教学。
（二）优化教材内容，实施教材内容的动态管理
教材内容应与时俱进，对教材内容的管理是一个动态而不是静态的过程。教材内容的编排需根据本行业及专业领域内的新技术、新理念等对教材内容做适当加减法，摒弃陈旧的知识，适时引入新知识，以实施知识内容的动态管理，保证教材内容的时代性。
首先，删除现有教材中的几何作图、平面图形分析及作图方法等相关内容，其主要知识点包括直线的等分、圆的等分及做正多边形、圆弧连接、斜度和锥度、椭圆的画法、平面图形的绘制方法等，后续内容的学习几乎用不到这些知识点，而且这些知识点的实用性不大。其次，《普通高等学校工程图学课程教学基本要求》（本科各专业适用、专科各专业参考）[6]并未对几何作图有明确规定。现有教材中平面图形分析及作图方法中有关尺寸注法的部分内容（定形尺寸、定位尺寸、尺寸基准）并入表l中的4.5组合体尺寸标注。
轴测图的绘制方法增加拉伸法（见表l中的5.2）。随着现代制造技术与计算机技术的迅速发展，三维CAD技术为机械制图教学注入了新的活力。三维CAD时代正在快速走来，它使传统设计与绘图的思想、内容与方法都发生了变化[7]。现有教材有关轴测图的绘制方法千篇一律地仅介绍坐标法和切割法，将三维建模中的拉伸法引入轴测图的绘制，充分利用特征视图，可便捷地绘制轴测图，提高轴测图的绘制速度。如根据图l的三视图绘制正等轴测图，其传统的绘图步骤为：绘制基本体（图2）、去除左上角三棱柱（图3）、去除右下角四棱柱（图4）（图3和图4绘图顺序无先后之分）。引入三维建模理念的拉伸法，先绘制特征视图的轴测图，再沿相应的轴测轴拉伸成实体即可。观察图1三个视图，其特征视图为主视图。具体绘图步骤为：绘制主视图的轴测图（图5），沿轴测轴Y轴的负方向（因当前给制的平面为可见平面）拉伸一个宽度值（图6）。
四、结语
本文遵照逻辑顺序和心理顺序对现有机械制图教材内容进行重构，各主要知识点由浅人深、承前启后依次呈现，理顺了相关知识的逻辑关系，同时也符合认知规律。此外，机械专业图（装配图和零件图）教学内容的重构还充分考虑了工程实情，根据案例教学法设计教材内容，有效加强了对学生解决工程实际问题的能力培养。除此之外，优化现有机械制图教材内容，删除相对陈旧的知识，增加引入新的知识，对其实施动态管理。经重构和优化后的教材内容更具科学性、严谨性及时代性。教材是学生进行学习、教师进行教学的主要依据。在整个教学的组织中，教材有着不可替代的重要地位。如何使我们的教材在培养人才的过程中发挥最大的作用，还有很多问题有待我们思考和探索，这是一项长期繁重的工作，同时也是一项需要经常翻新的工作。笔者希望本文能抛砖引玉，唤起更多的教育工作者关注并思考研究机械制图教材内容的重构与优化，为后续出版更优质的机械制图教材贡献绵薄之力。
[参考文献]
[l]薛立华，肖银玲，王丹虹.制图新形态教材研发的探索与实践[J].工程图学学报，2009（4）：779.
[2]江洪，张培耘，吴巨龙.美国工程图学教材对我国图学教育改革和精品课程建设的启示[J].工程图学学报，2006（6）：147.
[3]钱可强.机械制图：第五版[M].北京：高等教育出版社，2018：207.
[4]D-P.奥苏伯尔.教育心理学：认知观[M].余星南，宋钧，译.北京：人民教育出版社，1994：448.
[5]董国耀，肖银玲，薛立华.工程图学教材内容体系及某些概念描述的探讨[J].工程图学学报，2017（6）：914-918.
[6]教育部工程图学教学指导委员会.普通高等学校工程图学课程教学基本要求[2].2015.
[7]童秉枢，易素君，徐晓慧.工程图学中引入三维几何建模的情况综述与思考[J].工程图学学报，2005（4）：130.
[责任编辑：陈明]
[收稿时间] 2019-03-06
[作者简介]苏金英（1973-），女，湖南茶陵人，高级工程师，硕士，研究方向：图学教育和机械设计。
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