芻議3D打印技術(shù)在機(jī)械類課程教學(xué)應(yīng)用的可行性

李穎

2012年，英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》發(fā)表文章聲稱3D打印將引發(fā)全球第三次工業(yè)革命，瞬間，3D打印成為全球制造技術(shù)的新寵。隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)逐漸走下“神壇”，滲入到各行各業(yè)，在機(jī)械制造、生物醫(yī)藥、建筑設(shè)計、藝術(shù)創(chuàng)造等多個領(lǐng)域均受到眾多關(guān)注，在3D打印技術(shù)從研究級進(jìn)入實用級、工業(yè)級進(jìn)入民用級過程中，各院校也紛紛引入3D打印技術(shù)，但針對該技術(shù)在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的研究還相對較少，特別是在機(jī)械基礎(chǔ)類教學(xué)中，如何創(chuàng)造性的利用3D打印技術(shù)開展教學(xué)是任職教育中需要我們研究的問題，本文結(jié)合機(jī)械類課程特點，探究3D打印技術(shù)在機(jī)械類課程教學(xué)應(yīng)用的可行性，希望為下一步3D打印技術(shù)進(jìn)入機(jī)械類課程教學(xué)提供一定的參考價值。

一、3D打印技術(shù)在機(jī)械基礎(chǔ)教學(xué)中的引領(lǐng)性

就3D打印技術(shù)本身而言，可以看成是激發(fā)動力的一種工具，而動力則是學(xué)生在進(jìn)行學(xué)習(xí)的源泉。機(jī)械基礎(chǔ)類課程如機(jī)械制圖、機(jī)械原理等都具有較強(qiáng)的抽象性和復(fù)雜性，各種機(jī)械零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、圖形晦澀難懂，其原理又較為深奧，對于沒有見過實物的學(xué)生學(xué)習(xí)起來往往容易在學(xué)習(xí)之初就遇到困難從而產(chǎn)生放棄的想法。特別是對于大多數(shù)剛剛進(jìn)入高等職業(yè)院校的學(xué)生而言，他們基礎(chǔ)較弱、空間思維欠缺、普遍缺乏成熟的學(xué)習(xí)方法和強(qiáng)勁的學(xué)習(xí)動力更是如此。為了解決該問題，我們一般在傳統(tǒng)教學(xué)中應(yīng)用掛圖、木質(zhì)模型等手段增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識，在較難知識點中（如裝配圖、機(jī)構(gòu)運(yùn)動等）也采用多媒體教學(xué)，如仿真演示及動畫演示等手段。通過比較，我們發(fā)現(xiàn)從教學(xué)效果而言有模型的比沒有模型的要好，能進(jìn)行演示的比不能進(jìn)行演示的要好。但無論哪種手段，均不如學(xué)生能夠直接參與教學(xué)，3D打印技術(shù)正好強(qiáng)調(diào)了這種DIY特性，教師可通過該技術(shù)充分調(diào)動學(xué)生的積極性，讓學(xué)生親自參與到虛擬模型的建立、仿真機(jī)構(gòu)的建立中來，并從中選擇優(yōu)秀者進(jìn)行打印，讓其能從中親身體會到享受成果的樂趣。通過實踐我們發(fā)現(xiàn)，對于任職類院校的學(xué)生而言，其動手能力明顯優(yōu)于理論思考能力，通過這種方式能真正做到以興趣帶動學(xué)習(xí)。

二、3D打印技術(shù)在機(jī)械基礎(chǔ)教學(xué)中的經(jīng)濟(jì)性

要想取得機(jī)械課程類教學(xué)中好的教學(xué)效果是需要成本投入的，我們需要購買一定的教學(xué)模型、實物模型、實驗設(shè)備甚至一些實物。以機(jī)械制圖教學(xué)為例，通常一套制圖教材的對應(yīng)模型（有機(jī)塑料）需要九千元，木制的則需要上萬元，若想購買一些特制的較復(fù)雜的模型價格則更為昂貴，這還僅僅是一套的價格。但若使用3D打印技術(shù)，目前市面一般桌面級打印機(jī)由幾千至幾萬不等，以15000以內(nèi)的桌面打印機(jī)為例，其打印精度可達(dá)到0.2毫米，產(chǎn)品大小可達(dá)到140x140x140mm，打印材料為普通的PLA（大致為100元每卷），因3D打印普通教學(xué)模型完全可采用蜂房狀六邊形支撐，則每卷可打印數(shù)量可達(dá)到15個以上，并能根據(jù)自己教學(xué)的需求隨時打印。更為重要的是，學(xué)生可完全參與到此過程中，教師可讓學(xué)生自行進(jìn)行三維模型構(gòu)建，然后從中選擇最有代表性的進(jìn)行打印，并將打印模型應(yīng)用于課堂教學(xué)。這就類似我們用數(shù)碼相機(jī)代替了膠片相機(jī)一樣，可讓所有學(xué)生都能體會“攝影”的樂趣，老師可在眾多“攝影”作品中擇優(yōu)“沖洗”，而整個“攝影”過程卻不會產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)上費用。

三、3D打印技術(shù)為培養(yǎng)綜合性職業(yè)技術(shù)人才提供技術(shù)支撐

基于3D打印技術(shù)的功能特點與機(jī)械學(xué)科培養(yǎng)職業(yè)人才的一致性目標(biāo)，發(fā)現(xiàn)在教學(xué)中使用該技術(shù)使得學(xué)生可通過實踐與創(chuàng)新促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。學(xué)生可任意使用STL數(shù)字文件格式充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，做出三維立體數(shù)字模型，結(jié)合3D打印技術(shù)的特點，在其支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面實現(xiàn)跨學(xué)科跨知識的融合。而機(jī)械學(xué)科培養(yǎng)的學(xué)生特別注重培養(yǎng)學(xué)生的工程意識，不僅要求學(xué)生考慮產(chǎn)品的功能性，還必須同時兼顧其經(jīng)濟(jì)性、耐用性和工藝性，在涉及到支撐部件的結(jié)構(gòu)時，學(xué)生還必須充分考慮由于支撐件去掉后所產(chǎn)生的表面粗糙等問題?？梢钥闯?，通過3D打印在教學(xué)中的使用，可以使學(xué)生向全面化綜合化方向發(fā)展，當(dāng)然這一切都是建立在他們可通過自己的勞動創(chuàng)造出產(chǎn)品實物的基礎(chǔ)之上，而這正是3D打印所擅長的。如下圖為學(xué)生自行設(shè)計并打印的作品。

四、3D打印為教研隊伍縱深發(fā)展提供環(huán)境保障

在3D打印技術(shù)理念的支撐下，“設(shè)計既是生產(chǎn)”，熟悉3D打印技術(shù)及流程的老師可將更多的時間放在產(chǎn)品的創(chuàng)意及更優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計上。要達(dá)到這個目的，需要學(xué)校管理者及相關(guān)技術(shù)人員對學(xué)校的老師進(jìn)行專門的技術(shù)支持和輔導(dǎo)，老師只要在明白基本3D打印格式之下，就能將更多精力放在零部件結(jié)構(gòu)、支撐件形狀以及如何將該技術(shù)與教學(xué)更好的融合上，只要你有更好的想法，你就能將其變?yōu)楝F(xiàn)實，特別是對于機(jī)械學(xué)科而言。當(dāng)然，這需要來自各方面的支持，也包括軟件和硬件的環(huán)境。

五、結(jié)束語

3D打印技術(shù)總的來說還是屬于一項新興的技術(shù)產(chǎn)業(yè)，特別是怎樣將其有力的應(yīng)用于機(jī)械教學(xué)領(lǐng)域，這還需要我們不斷的摸索和探討。而對于高等職業(yè)教育來說，如何引導(dǎo)學(xué)生將該項技術(shù)與動手實踐能力有機(jī)的結(jié)合起來以提升教學(xué)質(zhì)量仍然是教育者在今后一段時間內(nèi)值得研究的問題。

（作者單位：山東省青州市火箭軍工程大學(xué)士官學(xué)院）