淺談3D打印技術(shù)在機(jī)械類課程教學(xué)中的應(yīng)用

楊三艷+李艷

摘要：通過(guò)分析傳統(tǒng)機(jī)械類課程教學(xué)過(guò)程中存在的缺點(diǎn)，探討了在機(jī)械類課程教學(xué)實(shí)踐中利用3D打印技術(shù)的過(guò)程和方法，并闡述了該教學(xué)理念在實(shí)踐教學(xué)中的作用和成效。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；機(jī)械類課程教學(xué)；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-5727（2014）10-0166-03

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及先進(jìn)技術(shù)在生活、科研等方面的廣泛應(yīng)用，眾多院校紛紛將現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)引入課堂教學(xué)之中。廣州市工貿(mào)技師學(xué)院機(jī)械類專業(yè)教師在了解3D打印技術(shù)原理、總結(jié)3D打印技術(shù)功能的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)械制造類專業(yè)中的機(jī)械制圖、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)等課程內(nèi)容，大膽地提出將3D打印技術(shù)應(yīng)用在機(jī)械類課程教學(xué)中的想法，通過(guò)一年來(lái)的課程教學(xué)收到了良好效果。

項(xiàng)目緣起

在傳統(tǒng)機(jī)械類課程教學(xué)中，教師講解機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)、形狀、運(yùn)動(dòng)等，一般通過(guò)諸如掛圖、圖片、實(shí)物模型等教具開展教學(xué)。而這些教具通常存在一些問(wèn)題，具體體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

第一，固定的、靜態(tài)的機(jī)械教具（如掛圖、圖片）不能很好地反映機(jī)械零件的形狀、結(jié)構(gòu)、機(jī)械的運(yùn)動(dòng)原理和運(yùn)動(dòng)功能等。對(duì)于從事機(jī)械類專業(yè)課程教學(xué)的教師來(lái)講，最困難的教學(xué)內(nèi)容莫過(guò)于讓學(xué)生了解機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)和基本原理，這就要求學(xué)生必須具備較好的空間想象力。然而，學(xué)生單靠掛圖、圖片等二維平面教具很難想象出零件的形狀、結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)功能。

第二，傳統(tǒng)的機(jī)械實(shí)物模型成本較高。在傳統(tǒng)的機(jī)械制圖、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)等課程教學(xué)過(guò)程中，教師通常采用實(shí)物模型教具讓學(xué)生了解機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)的組成、運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)等內(nèi)容，然而，實(shí)體模型教具畢竟有限，不可能反映所有教學(xué)內(nèi)容；同時(shí)，為了使學(xué)生能充分理解教學(xué)內(nèi)容，教師要專門購(gòu)買或制作模型，費(fèi)用成本較高。

第三，傳統(tǒng)式的教學(xué)模式無(wú)法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在大量的科學(xué)信息技術(shù)被引入課堂教學(xué)的今天，單靠教師講、學(xué)生觀摩實(shí)物模型、查看工程圖等方式開展的教學(xué)已經(jīng)很難引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，從而導(dǎo)致學(xué)生上課玩手機(jī)、打游戲、厭學(xué)等現(xiàn)象頻頻出現(xiàn)。

第四，傳統(tǒng)機(jī)械基礎(chǔ)課程教學(xué)課堂任務(wù)相對(duì)單一，且以大課堂為主，學(xué)生設(shè)計(jì)創(chuàng)新培養(yǎng)不足。在傳統(tǒng)機(jī)械基礎(chǔ)課程中，由于強(qiáng)調(diào)機(jī)械基礎(chǔ)原理的認(rèn)識(shí)，所以課程以知識(shí)輸入為主，學(xué)生學(xué)習(xí)后的產(chǎn)出只能以書面形式的制圖、作業(yè)為主，形式單一，且千篇一律，學(xué)生的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新無(wú)法在課堂上體現(xiàn)，與現(xiàn)今推廣的創(chuàng)新教育、個(gè)性化教育理念相悖。

機(jī)械類課程教學(xué)所采取的傳統(tǒng)教學(xué)方式存在眾多問(wèn)題，特別是學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)積極性，當(dāng)學(xué)生遇到難以理解的機(jī)械結(jié)構(gòu)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)原理問(wèn)題時(shí)就更不愿意學(xué)習(xí)了。為了解決學(xué)生學(xué)習(xí)積極性差、創(chuàng)造性思維不活躍等問(wèn)題，學(xué)校教師嘗試把學(xué)校購(gòu)置的幾款3D打印機(jī)用于實(shí)踐教學(xué)，收到了良好效果。通過(guò)學(xué)生自主設(shè)計(jì)、親手操作、驗(yàn)證產(chǎn)品合理性等步驟，大大提高了課堂的學(xué)習(xí)效率以及學(xué)生動(dòng)手、動(dòng)腦的積極性，進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造性思維和靈感。

3D打印技術(shù)簡(jiǎn)介

3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用一定材質(zhì)的可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。它無(wú)需機(jī)械加工或任何模具就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任意形狀的零件，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期、提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。

目前，根據(jù)3D打印機(jī)使用材質(zhì)的不同，可以將3D打印技術(shù)劃分為高分子聚合反應(yīng)技術(shù)、燒結(jié)和融化技術(shù)、粉末粘合技術(shù)、熔融沉積造型技術(shù)、層壓制造技術(shù)、氣溶膠打印技術(shù)、生物繪圖技術(shù)等。

隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的領(lǐng)域已經(jīng)將3D打印技術(shù)應(yīng)用到了產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的過(guò)程中，目前主要用于航空工業(yè)、汽車工業(yè)、專業(yè)設(shè)計(jì)（產(chǎn)品設(shè)計(jì)和建筑設(shè)計(jì)的模型制造）、醫(yī)療外科（量身定做的矯正牙套、假牙、助聽器）等領(lǐng)域。

教學(xué)實(shí)施過(guò)程及應(yīng)用

為提高學(xué)生參與課堂教學(xué)的積極性，在利用3D打印技術(shù)開展機(jī)械類課程教學(xué)的過(guò)程中，教師一般將全班分成若干小組，一組4～6人，并要求以小組為單位進(jìn)行3D作品的設(shè)計(jì)和打印。通過(guò)實(shí)踐教學(xué)摸索，學(xué)校機(jī)械類教師總結(jié)出利用3D打印技術(shù)開展機(jī)械類課程教學(xué)的方法和步驟：

第一步，實(shí)物測(cè)繪、軟件建模。由于3D打印機(jī)是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)的打印工具，因此，學(xué)生如要使用3D打印機(jī)打印作品，首先要做的事情就是利用機(jī)械繪圖軟件繪制出作品模型。對(duì)于中級(jí)班（初中畢業(yè)入讀）學(xué)生來(lái)講，學(xué)生只需要將看到的實(shí)物繪制成數(shù)字模型即可。而對(duì)于高級(jí)班（高中畢業(yè)入讀）學(xué)生來(lái)講，還必須進(jìn)一步掌握機(jī)械運(yùn)動(dòng)原理以及機(jī)械設(shè)計(jì)。因此，對(duì)他們的要求是在繪制實(shí)物模型圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行不同造型，以開發(fā)他們的想象力和創(chuàng)意思維。讓學(xué)生繪制模型和動(dòng)畫造型，對(duì)激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、掌握繪圖軟件技術(shù)起到了很好的作用。

第二步，打印3D模型。將繪制好的數(shù)字模型文件輸入到3D打印機(jī)中，進(jìn)行3D模型的打印。由于所有的3D測(cè)繪全由學(xué)生自己完成，因此，在精度上可能不夠規(guī)范，會(huì)產(chǎn)生格式轉(zhuǎn)換后的三維數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的問(wèn)題，如方向反轉(zhuǎn)、產(chǎn)生縫隙、壁厚增加、多余幾何形狀、重復(fù)的面片等情況，而恰恰是這些問(wèn)題為學(xué)生繪圖水平的提升提供了很好的機(jī)會(huì)。針對(duì)這些特殊情況的出現(xiàn)，教師不僅可以根據(jù)打印過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題為學(xué)生進(jìn)行詳細(xì)的分析和講解，同時(shí)，通過(guò)各種問(wèn)題的出現(xiàn)，可進(jìn)一步向?qū)W生強(qiáng)調(diào)繪圖要精確的作用和意義。

第三步，胚模修整。由于3D技術(shù)、材質(zhì)、機(jī)型的不同，打印出來(lái)的3D胚模也有很大差異。為了節(jié)約成本，用于學(xué)生打印練習(xí)的3D打印機(jī)一般成本較低，使用的材質(zhì)也為塑膠線條，打印出來(lái)的胚模在外觀方面和精確度方面還不夠好，需要對(duì)胚模進(jìn)行修整，為接下來(lái)的零件裝配做準(zhǔn)備。

第四步，零件裝配。打印出來(lái)的簡(jiǎn)單零件一般不需要裝配，但是對(duì)于一些復(fù)雜零件（一般由多個(gè)零件體組成）仍需要進(jìn)行裝配。該步驟不僅可以鍛煉學(xué)生的動(dòng)手拆裝能力，還大大地鍛煉和提高了學(xué)生對(duì)機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)等方面的理解能力和想象能力。endprint

第五步，成品展示。隨著學(xué)生在3D打印作品中制作水平和技術(shù)方面的提升，教師會(huì)通過(guò)讓學(xué)生制作單個(gè)規(guī)則面零件體、單個(gè)不規(guī)則面零件體、多個(gè)規(guī)則面零件體、多個(gè)不規(guī)則面零件體等步驟讓學(xué)生逐漸熟悉和掌握繪圖和打印，在作品的展示方面，教師在評(píng)比時(shí)也有不同，對(duì)于簡(jiǎn)單的零件體，教師通過(guò)測(cè)量精確度來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)；而對(duì)于開放性的自由命題的組合零件體，教師則會(huì)通過(guò)評(píng)比零件體的功能和做工的難易程度來(lái)評(píng)分，這無(wú)疑可給熱愛(ài)和有志于研究3D打印技術(shù)的學(xué)生充分的激勵(lì)和信心。

項(xiàng)目作用及成效

通過(guò)一年來(lái)的教學(xué)實(shí)踐，本校教師總結(jié)了3D打印技術(shù)在機(jī)械類課程教學(xué)中的作用和成效：

第一，提升了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。對(duì)于任何知識(shí)的學(xué)習(xí)，實(shí)踐動(dòng)手操作遠(yuǎn)比純理論講述更容易被學(xué)習(xí)者接受。由于技校多數(shù)學(xué)生是對(duì)理論學(xué)習(xí)具有排斥心理的“理論學(xué)習(xí)的失敗者”，如果每天再讓其在教室里學(xué)習(xí)理論，則難以激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣。通過(guò)3D打印技術(shù)在實(shí)踐中的應(yīng)用，不僅能夠讓學(xué)生親身感受到實(shí)踐動(dòng)手的激情，同時(shí)也能激發(fā)他們潛藏已久的學(xué)習(xí)興趣，并從職業(yè)學(xué)校學(xué)生擅長(zhǎng)的實(shí)踐領(lǐng)域體驗(yàn)到“學(xué)習(xí)的成功感”，從而激發(fā)其學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。

第二，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)意靈感。通過(guò)要求學(xué)生根據(jù)所學(xué)的機(jī)械制圖和機(jī)械設(shè)計(jì)等知識(shí)對(duì)作品自行設(shè)計(jì)（如學(xué)生自行設(shè)計(jì)的會(huì)變形的機(jī)器人、會(huì)跳的小青蛙、多彩的手機(jī)外殼等），并利用3D打印機(jī)對(duì)設(shè)計(jì)作品進(jìn)行打印，有效地開發(fā)了學(xué)生的想象力，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)意靈感，從而有助于培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。

第三，增強(qiáng)了教學(xué)的實(shí)效性。在傳統(tǒng)機(jī)械制圖或機(jī)械基礎(chǔ)課程中，教師在講解組合體或介紹四桿機(jī)構(gòu)等內(nèi)容時(shí)，都是拿著一個(gè)模型給全班四五十人講解，然后模型在每個(gè)學(xué)生手里傳看一遍，再由教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行理論課的學(xué)習(xí)。而現(xiàn)在通過(guò)3D打印機(jī)可以讓高年級(jí)的學(xué)生動(dòng)手制作模型，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)了低年級(jí)學(xué)生人手一個(gè)模型，并可以對(duì)模型進(jìn)行測(cè)量、繪制、分析機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，大大提高了教學(xué)的效率。同時(shí)，對(duì)于機(jī)械專業(yè)高級(jí)班和技師班的學(xué)生，在進(jìn)行傳統(tǒng)的模具或夾具設(shè)計(jì)類課程時(shí)，有些學(xué)校只是讓學(xué)生“紙上談兵”，即僅僅讓學(xué)生在圖紙上進(jìn)行設(shè)計(jì)；辦學(xué)條件稍好的學(xué)校，會(huì)讓學(xué)生自己加工出來(lái)，但在機(jī)床上用鋼材加工成本較高，特別是當(dāng)有些設(shè)計(jì)不合理時(shí)，所造成的浪費(fèi)更大。我院首先讓學(xué)生用3D打印機(jī)打印其設(shè)計(jì)的模具或夾具，在驗(yàn)證是否可行之后，再用精密機(jī)床進(jìn)行加工，從而大大發(fā)揮了教學(xué)的有效性。

第四，節(jié)約了大量的教學(xué)成本。在傳統(tǒng)的機(jī)械類課程教學(xué)中，很多教師都利用實(shí)物教具來(lái)進(jìn)行教學(xué)，而一個(gè)實(shí)物教具價(jià)格都在百元以上，數(shù)量少，價(jià)格高，滿足不了所有學(xué)生的需要。自從引進(jìn)購(gòu)買3D打印機(jī)之后，學(xué)院機(jī)械專業(yè)的基礎(chǔ)課程不需要大批量購(gòu)買教具，大部分教具是由高級(jí)班學(xué)生利用3D打印機(jī)打印而成的。自助打印的一個(gè)塑料制圖模型大概成本為幾毛錢，在大大節(jié)約教具成本的同時(shí)，也提高了學(xué)生的動(dòng)手能力。

第五，促進(jìn)了學(xué)生間的研討與合作。由于3D打印機(jī)的引入，機(jī)械基礎(chǔ)課可通過(guò)任務(wù)驅(qū)動(dòng)的形式進(jìn)行開展，通過(guò)布置目標(biāo)要求等開放性的設(shè)計(jì)任務(wù)，學(xué)生可以小組的形式，通過(guò)合作與研討，逐步在工作中掌握相關(guān)的機(jī)械基礎(chǔ)要求，從而達(dá)到學(xué)生間的相互學(xué)習(xí)與促進(jìn)，比只靠聽和看的學(xué)習(xí)方法，學(xué)習(xí)效率提升達(dá)40%以上，此外，學(xué)生的合作意識(shí)也能得到培養(yǎng)。

第六，學(xué)生的提問(wèn)意愿大幅提升，教師的工作重點(diǎn)從講好課轉(zhuǎn)移到解決疑問(wèn)上。3D打印機(jī)的引入，大幅提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)意愿，教師可不再為如何講而發(fā)愁，因?yàn)閷W(xué)生在制作屬于自己的學(xué)業(yè)成果過(guò)程中，個(gè)人成就感大幅提升，課堂從被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，教師可以把精力更多地有針對(duì)性地放在學(xué)生身上，給不同的學(xué)生提供“一對(duì)一”的專業(yè)指導(dǎo)，解決了學(xué)生學(xué)習(xí)效率差異而導(dǎo)致部分學(xué)生跟不上進(jìn)度的問(wèn)題。

隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展以及其在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中的深入應(yīng)用，相信它能夠?yàn)楝F(xiàn)代技能型人才的培養(yǎng)發(fā)揮更大的作用。

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（責(zé)任編輯：王璐）endprint