結(jié)合3D打印技術(shù)的機(jī)械三維CAD課程教學(xué)改革探索

王睿鵬+耿桂宏+張書(shū)杰+劉萍華

摘要：興趣是學(xué)習(xí)的原動(dòng)力，沒(méi)有興趣的學(xué)習(xí)過(guò)程是消極的、是事倍功半的。如何調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣是一個(gè)永恒的教育命題，本文結(jié)合3D打印技術(shù)在機(jī)械三維CAD課程中的應(yīng)用，探討以自主設(shè)計(jì)作品為核心的興趣驅(qū)動(dòng)教學(xué)改革實(shí)施方法及教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：機(jī)械三維CAD；3D打?。慌d趣；教學(xué)改革

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）33-0147-02

對(duì)于任何一門(mén)課程來(lái)說(shuō)，都有其自身的特殊性，在講課過(guò)程中都有與之相適應(yīng)的教學(xué)方式，這是矛盾特殊性規(guī)律所決定的。然而我們既要認(rèn)識(shí)到矛盾的特殊性，還要從矛盾的特殊性中發(fā)現(xiàn)其所呈現(xiàn)出的普遍性。在教學(xué)活動(dòng)中所呈現(xiàn)出的矛盾普遍性就是不論什么樣的課程、什么樣的學(xué)生，在教學(xué)過(guò)程中都要想方設(shè)法的去培養(yǎng)學(xué)生對(duì)所學(xué)課程的興趣。從心理學(xué)規(guī)律來(lái)看，興趣是做好一切事情的動(dòng)力源泉。

3D打印技術(shù)由于其獨(dú)特的成型原理與技術(shù)，使得原來(lái)不可能在實(shí)驗(yàn)室制作的各種產(chǎn)品與模型，從而得以制作實(shí)現(xiàn)。為學(xué)生建構(gòu)工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)情景創(chuàng)造了便利條件，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1 3D打印技術(shù)概述

1.1 3D打印的成型原理

3D打印學(xué)名為增材制造，增材制造的成型方法門(mén)類(lèi)眾多，目前應(yīng)用最廣泛的技術(shù)為FDM技術(shù)。FDM技術(shù)是將待成形件的三維模型沿某個(gè)坐標(biāo)軸方向（一般為Z軸）進(jìn)行分層切片，然后將ABS材料或PLA材料熔融后將每一層鋪出，將所有層堆積出來(lái)，就形成了需要的成型品。

1.2 3D打印工作流程

3D打印工作流程如圖1所示，首先要用三維設(shè)計(jì)軟件（UG、Solidworks、CATIA等）進(jìn)行零件的三維建模，然后將三維模型存儲(chǔ)為STL文件格式，再使用切片軟件對(duì)三維模型進(jìn)行分層處理，最后將分層處理后的數(shù)據(jù)模型存儲(chǔ)為打印文件，由3D打印機(jī)完成打印任務(wù)。

2 機(jī)械三維CAD課程的教學(xué)現(xiàn)狀

《機(jī)械三維CAD》課程是我校新版培養(yǎng)方案中材料成型專(zhuān)業(yè)的核心基礎(chǔ)課，在整個(gè)人才培養(yǎng)體系中占有舉足輕重的地位，如圖2所示。一方面它是沖壓模設(shè)計(jì)、注塑模設(shè)計(jì)等后續(xù)設(shè)計(jì)類(lèi)課程的基礎(chǔ)，學(xué)生如果要做設(shè)計(jì)，必須要掌握一種三維設(shè)計(jì)工具。三維CAD是設(shè)計(jì)思想的載體，就如同紙張、尺子與鉛筆一樣，有了思想，必須用合適的“載體”把它給展現(xiàn)出來(lái)。而且機(jī)械三維CAD現(xiàn)在已經(jīng)在裝備制造業(yè)中得到了廣泛的使用，必將是未來(lái)的主流設(shè)計(jì)工具。學(xué)生如果在就業(yè)前，不能夠掌握一種機(jī)械三維CAD軟件，是不能夠勝任工程師就業(yè)崗位的。更毋庸去談什么卓越工程師計(jì)劃，學(xué)校培養(yǎng)人才與社會(huì)契合度問(wèn)題了。另一方面，機(jī)械三維CAD軟件是熱處理有限元分析、鑄造過(guò)程有限元分析、焊接有限元分析、注塑模流分析、沖壓變形分析等CAE輔助工程分析軟件的前處理基礎(chǔ)。由于目前企業(yè)逐漸地認(rèn)識(shí)到計(jì)算機(jī)輔助工程分析軟件對(duì)降低企業(yè)成本、提高企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新力所產(chǎn)生的巨大推動(dòng)作業(yè)。故掌握計(jì)算機(jī)輔助工程分析軟件對(duì)材料成型專(zhuān)業(yè)學(xué)生在就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力方面將起到巨大的提升。而機(jī)械三維CAD則是計(jì)算機(jī)輔助工程分析的基礎(chǔ)，該課程的學(xué)習(xí)狀況將對(duì)后續(xù)輔助工程分析軟件的學(xué)習(xí)效果產(chǎn)生影響。

理論源于實(shí)踐，指導(dǎo)實(shí)踐并受實(shí)踐的檢驗(yàn)，這是指導(dǎo)理論教學(xué)與動(dòng)手實(shí)踐的辯證法關(guān)系。機(jī)械三維CAD課程的講授方法，目前主要是學(xué)生在課堂接受教師點(diǎn)對(duì)面式的理論傳授，教師把這些知識(shí)用自己理解并于語(yǔ)言媒介傳授給學(xué)生，但是學(xué)生之間是有差異的，每個(gè)學(xué)生的知識(shí)架構(gòu)是不一樣的，每個(gè)學(xué)生的語(yǔ)言理解水平也是不一樣的，這樣一來(lái)，對(duì)于知識(shí)的接受程度肯定是不一樣的。由于很少有實(shí)踐動(dòng)手環(huán)節(jié)來(lái)驗(yàn)證并通過(guò)實(shí)踐動(dòng)手環(huán)節(jié)來(lái)修正自己對(duì)知識(shí)的理解偏頗。學(xué)生感覺(jué)學(xué)不懂、知識(shí)枯燥乏味，產(chǎn)生了知識(shí)無(wú)用論的想法。

針對(duì)上述的問(wèn)題，我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中想盡辦法來(lái)解決學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高的問(wèn)題。例如，讓學(xué)生自己選擇自己感興趣的主題來(lái)設(shè)計(jì)作品、并模擬產(chǎn)品發(fā)布會(huì)的形式，讓學(xué)生展示自我能力。客觀地來(lái)說(shuō)，雖然對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性起到了一定促進(jìn)作用，但是距離大面積、廣泛的收益范圍來(lái)說(shuō)，還有很漫長(zhǎng)的路要走。

3 以3D打印為興趣驅(qū)動(dòng)的課程教學(xué)模式

在以3D打印為興趣驅(qū)動(dòng)的課程教學(xué)模式中，3D打印為建構(gòu)學(xué)習(xí)環(huán)境的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段，興趣的激發(fā)是最終目的。著名教育學(xué)家赫爾巴特認(rèn)為教學(xué)過(guò)程就是興趣培養(yǎng)的過(guò)程，興趣即是教學(xué)的目的，又反過(guò)來(lái)對(duì)教學(xué)過(guò)程起到催化劑的作用，對(duì)提高教育質(zhì)量起到積極的推動(dòng)作用。

心理學(xué)界普遍認(rèn)為，興趣分為個(gè)人興趣與情景興趣，個(gè)人興趣是一種較為穩(wěn)固的個(gè)體傾向，而情景興趣則是對(duì)外界狀態(tài)環(huán)境的一種心理應(yīng)激反應(yīng)。情景興趣包含興趣誘發(fā)和興趣保持兩個(gè)階段，我們所說(shuō)的培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣就是要建構(gòu)合適的情景環(huán)境在興趣誘發(fā)階段激發(fā)對(duì)所學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣，并延長(zhǎng)興趣保持階段的持續(xù)作用時(shí)間，促使短暫的情景興趣轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的個(gè)人興趣。

傳統(tǒng)的《機(jī)械三維CAD》課程是通過(guò)老師的講解，使學(xué)生熟悉Sollidworks等三維設(shè)計(jì)軟件的使用操作技能，能夠使抽象的產(chǎn)品立體模型通過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件的建模，形象地展現(xiàn)給信息傳播的客體。但學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中感觸不到設(shè)計(jì)的快樂(lè)，總是感覺(jué)到是在“紙上談兵”，缺乏將圖紙轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)物的“畫(huà)龍點(diǎn)睛之筆”。如果用傳統(tǒng)的制造技術(shù)手段去將學(xué)生的圖紙加工制造成產(chǎn)品，不論是從成本投入還是生產(chǎn)周期來(lái)說(shuō)，都不大可能實(shí)現(xiàn)。但是，3D打印的出現(xiàn)，使得學(xué)生的設(shè)計(jì)作品可以一種低成本、快捷的方式得以實(shí)現(xiàn)。學(xué)生在將自己的設(shè)計(jì)作品逐步變成現(xiàn)實(shí)的過(guò)程中得到了極大的成就滿(mǎn)足感，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。具體來(lái)說(shuō)，采用了一下的途徑。

3.1 以設(shè)計(jì)作品的驅(qū)動(dòng)的拉式教學(xué)法

在基本理論和操作技能學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，提前告知大家最終的課業(yè)評(píng)價(jià)占分比，設(shè)計(jì)作品將會(huì)占總成績(jī)的50%。最終每個(gè)同學(xué)在學(xué)期末要提交自己獨(dú)立完成的設(shè)計(jì)作品，設(shè)計(jì)作品需要用3D打印機(jī)打印實(shí)現(xiàn)，并準(zhǔn)備答辯PPT，模擬產(chǎn)品發(fā)布會(huì)的模式，向大家發(fā)布自己的設(shè)計(jì)緣由、思路以及實(shí)現(xiàn)途徑。設(shè)計(jì)作品題目，老師不予命題，由學(xué)生根據(jù)自己興趣自由選題，充分發(fā)揮設(shè)計(jì)者的空間想象力，激發(fā)出更多創(chuàng)作源泉與思想火花。學(xué)生在設(shè)計(jì)過(guò)程中，碰到不懂的問(wèn)題，積極地去搜集各種資料進(jìn)行自學(xué)，或與同學(xué)之間進(jìn)行討論交流，或向老師求教，轉(zhuǎn)變了學(xué)習(xí)作風(fēng)，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)。

3.2 以賽促學(xué)

學(xué)科競(jìng)賽對(duì)課程的建設(shè)具有積極的推動(dòng)作用，一方面學(xué)生具有較強(qiáng)的爭(zhēng)取榮譽(yù)的欲望，另一方面競(jìng)賽又對(duì)課程建設(shè)具有拔高的作用。通過(guò)機(jī)械三維CAD的教學(xué)，在學(xué)院層面組織了2屆三維設(shè)計(jì)創(chuàng)意大賽，并從中選拔了若干優(yōu)秀的同學(xué)，積極準(zhǔn)備競(jìng)賽，同學(xué)們?cè)讷@得寧夏賽區(qū)二等獎(jiǎng)的同時(shí)，于2015年12月4日赴常州參加全國(guó)比賽，并獲得全國(guó)3D打印一等獎(jiǎng)的佳績(jī)。

3.3 專(zhuān)業(yè)認(rèn)證獲得社會(huì)認(rèn)可

我校擁有Solidworks公司CSWA證書(shū)的授權(quán)考試基地，在完成每學(xué)期的課程教學(xué)后，將為學(xué)生組織CSWA認(rèn)證考試，目前已舉辦了2屆CSWA認(rèn)證考試。，CSWA考試的通過(guò)率穩(wěn)步上升。第一屆CSWA認(rèn)證考試，41名同學(xué)報(bào)名參加，最終10名同學(xué)獲得CSWA認(rèn)證證書(shū)；第二屆CSWA認(rèn)證考試，44名同學(xué)參加，21名同學(xué)獲得CSWA認(rèn)證證書(shū)?？偨Y(jié)來(lái)看，應(yīng)該是學(xué)生學(xué)習(xí)有了確定的目標(biāo)，有了目標(biāo)的學(xué)習(xí)效果，自然是不言而喻的。而且通過(guò)國(guó)際認(rèn)證考試，對(duì)學(xué)生的自信心及學(xué)習(xí)激勵(lì)效用都有極大的推動(dòng)作用。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)施以3D打印為興趣驅(qū)動(dòng)的課程教學(xué)模式改革，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，真正做到了學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)，學(xué)生的設(shè)計(jì)作品涌現(xiàn)出了一大批的優(yōu)秀作品，極大的迸發(fā)出了創(chuàng)作的激情與思維的火花，將枯燥乏味的教室變成了激情四射的創(chuàng)客工作室。同時(shí)，這種教學(xué)模式還向《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》、《模具設(shè)計(jì)》等專(zhuān)業(yè)課進(jìn)行了輻射。教學(xué)改革的成果不僅能提高學(xué)生的各方面能力，而且也將為社會(huì)輸送更多、更優(yōu)秀的復(fù)合型工科人才。

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