基于3D打印的應(yīng)用型本科高校機械原理課程改革與實踐

雷蔓，張衛(wèi)華，何曉芬

（貴州工程應(yīng)用技術(shù)學院機械工程學院，貴州畢節(jié)551700）

基于3D打印的應(yīng)用型本科高校機械原理課程改革與實踐

雷蔓，張衛(wèi)華，何曉芬

（貴州工程應(yīng)用技術(shù)學院機械工程學院，貴州畢節(jié)551700）

在學校向應(yīng)用型本科高校轉(zhuǎn)型的大背景下，對機械類技術(shù)基礎(chǔ)課《機械原理》課程內(nèi)容做了一些改革嘗試，把機械原理課程內(nèi)容整合為連桿機構(gòu)設(shè)計模塊、凸輪機構(gòu)設(shè)計模塊、齒輪機構(gòu)設(shè)計模塊、機構(gòu)效率分析模塊、機構(gòu)動力學分析模塊、機構(gòu)受力分析模塊六大模塊，融入了NX運動仿真和3D打印的知識，從學生對機器的設(shè)計、比賽獲獎和學習興趣方面來看，課程的改革取得了一定的成果。

課程改革；3D打?。粰C械原理；應(yīng)用型人才

應(yīng)用型本科教育是以培養(yǎng)知識、能力和素質(zhì)全面協(xié)調(diào)發(fā)展，面向生產(chǎn)、建設(shè)、管理、服務(wù)一線的高級應(yīng)用型人才為目標定位的高等教育，貴州工程應(yīng)用技術(shù)學院是貴州省首個向應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)轉(zhuǎn)型的本科高校，向應(yīng)用型本科教育轉(zhuǎn)型，對于學校的工科專業(yè)來說，課程改革勢在必行。

在提升國家創(chuàng)新能力，大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新的大背景下，機械原理課程作為一門機械類專業(yè)的創(chuàng)新類技術(shù)基礎(chǔ)課，其改革的方向必須有助于提高學生的機械創(chuàng)新設(shè)計能力，有助于提高學生的學習興趣和學習效率。

1 設(shè)計與建模仿真能力的培養(yǎng)

貴州工程應(yīng)用技術(shù)學院的機械原理課程是在理論力學、機械CAD、材料力學、機械制造工藝學等課程的基礎(chǔ)上開設(shè)的。學生已經(jīng)具備了機械原理課程所需分析、設(shè)計的基礎(chǔ)知識，并且具備了使用UG NX 8.0或其它設(shè)計軟件初步建模的能力。

（1）課程教學內(nèi)容的改革。以郭衛(wèi)東編寫《機械原理》為參考教材，圍繞三大設(shè)計（連桿機構(gòu)設(shè)計、凸輪機構(gòu)設(shè)計、齒輪機構(gòu)設(shè)計）和三大分析（機構(gòu)效率分析、機構(gòu)動力學分析、機構(gòu)受力分析），把機械原理課程內(nèi)容整合為六大模塊，即連桿機構(gòu)設(shè)計模塊、凸輪機構(gòu)設(shè)計模塊、齒輪機構(gòu)設(shè)計模塊、機構(gòu)效率分析模塊、機構(gòu)動力學分析模塊、機構(gòu)受力分析模塊。

創(chuàng)新設(shè)計不是閉門造車，創(chuàng)新是在大量已有感性和理性知識的基礎(chǔ)上與實際問題結(jié)合的產(chǎn)物。機械原理課程改革，要以大量日常生活生產(chǎn)中的機器、機構(gòu)為案例，擴展學生的見識、夯實學生的三大設(shè)計模塊基礎(chǔ)，三大分析模塊服務(wù)于三大設(shè)計模塊，為學生機械創(chuàng)新設(shè)計打下堅實的基礎(chǔ)。

（2）設(shè)計能力的培養(yǎng)與建模能力的提升。在機械原理課程中，傳統(tǒng)的作業(yè)、考勤、期末考試的考核形式不能有效培養(yǎng)和提升學生機械創(chuàng)新設(shè)計能力，考核方式必須改革。

機械原理課程在考核形式方面的改革應(yīng)該以解決實際問題為導(dǎo)向，以能否解決實際問題、解決實際問題的程度作為考核評判標準。通過給出實際問題，讓學生根據(jù)機械原理所學的知識解決實際問題，帶著問題學習，能夠使學生的機械創(chuàng)新設(shè)計能力得到有效的鍛煉。

在連桿設(shè)計模塊，給出的問題是第七屆全國大學生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽主題的內(nèi)容，讓學生設(shè)計一種能載貨爬樓的機器。在老師的指導(dǎo)下，學生通過研究人的爬樓過程和連桿機構(gòu)設(shè)計的相關(guān)知識，設(shè)計了新型爬樓機器，獲得了第七屆全國大學生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽全國二等獎，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新設(shè)計能力。

在凸輪機構(gòu)設(shè)計模塊，給出了采茶機用的相對難建模的余弦從動件圓柱凸輪的建模這一問題。學生學完凸輪機構(gòu)設(shè)計模塊的知識后，運用自己已有的建模基礎(chǔ)，在教師的指導(dǎo)下完成了圓柱凸輪的建模，建模能力得到提升。

圖1 學生設(shè)計的爬樓機器及圓柱凸輪建模

在齒輪機構(gòu)設(shè)計模塊，給出了水力抽水機用的增速齒輪的設(shè)計要求，學生設(shè)計并用FDM3D打印機打印了該齒輪，學生的綜合創(chuàng)新能力得到了鍛煉。

圖2 學生設(shè)計及3D打印的齒輪

（3）機構(gòu)運動仿真能力的培養(yǎng)。能動的機構(gòu)比圖紙更能展示其特性，能動的機構(gòu)更能吸引學生的眼球，學生自己完成機構(gòu)的運動仿真更能感受學習的樂趣。機構(gòu)運動仿真軟件有ADAMS、NX中的運動仿真模塊等，由于NX中的運動仿真模塊容易上手，操作相對簡單，在機械原理課程的改革中加入了NX運動仿真模塊的內(nèi)容。

通過上述內(nèi)容可以看出，機械原理課程內(nèi)容的整合及以解決實際問題為導(dǎo)向的考核方式改革，能夠提升學生的機械創(chuàng)新設(shè)計能力。

2 基于3D打印的“創(chuàng)客”式創(chuàng)新能力培養(yǎng)

目前學院有FDM 3D打印機（熔融沉積成型3D打印機）和SLA 3D打印機（立體光固化成型打印機），對于3D打印機，學生很有興趣，并且以打印出自己設(shè)計的作品為榮。

機械原理課程的改革，加入了3D打印的內(nèi)容。3D打印的內(nèi)容不需要很多，讓學生掌握所使用的3D打印機的原理，3D打印機的使用步驟即可。學生學習三大設(shè)計模塊過程中，對于書上的知識點或作業(yè)要求所涉及的機構(gòu)，可以設(shè)計建模完成后通過3D打印機打印出來，進一步驗證機構(gòu)特性。這樣有助于提高學生學習機械原理的興趣，提升學習效率。

在講到平面四連桿機構(gòu)作圖設(shè)計時，哪怕是用了多媒體、動畫、黑板上演示等手段，都還是有學生沒有理解“鋼化反轉(zhuǎn)法”的精髓——用反轉(zhuǎn)的方法找到圓上三個點求圓心，甚至有的學生還懷疑鋼化反轉(zhuǎn)法的正確性。學生經(jīng)過平面四連桿機構(gòu)建模、3D打印、裝配、實際演示等階段的訓練后，對平面四連桿機構(gòu)演化形式、急回角和急回特性、壓力角、死點位置等有了很好的理解和掌握，對于作圖法設(shè)計平面四連桿機構(gòu)的原理有了更深認識。

創(chuàng)客是努力把各種創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實的人，把“創(chuàng)客”思維運用在機械原理課程內(nèi)容的改革中，讓學生體驗學有所用、學有所值的樂趣，提升學生的學習興趣。在講解三大設(shè)計模塊時，要求學生完成四連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、齒輪機構(gòu)、蝸輪蝸桿機構(gòu)、輪系等機構(gòu)的設(shè)計、運動仿真并用3D打印及打印出來，極大提高了學生的學習興趣。

3 突出應(yīng)用型人才的內(nèi)涵

機械類應(yīng)用型人才的定位就是要能夠服務(wù)于生產(chǎn)一線，應(yīng)用型本科高校機械原理課程內(nèi)容的改革要滿足企業(yè)生產(chǎn)一線對人才知識結(jié)構(gòu)的需求。

具體在機械原理課程內(nèi)容的改革上，刪除了用解析法分析和設(shè)計平面連桿機構(gòu)的內(nèi)容，用解析法設(shè)計凸輪廓線的內(nèi)容，精煉連桿機構(gòu)設(shè)計模塊、凸輪機構(gòu)設(shè)計模塊、齒輪機構(gòu)設(shè)計模塊、機構(gòu)效率分析模塊、機構(gòu)動力學分析模塊、機構(gòu)受力分析模塊六大模塊的內(nèi)容，以豐富的案例支撐教學內(nèi)容，讓學生見多后方能識廣，更好地服務(wù)于生產(chǎn)一線。

4 結(jié)語

把機械原理課程整合為六大模塊，加入了NX運動仿真模塊和3D打印的內(nèi)容，融入“創(chuàng)客”思想，使學生在機械原理這門課程上就能感受學有所用，設(shè)計即見結(jié)果的成就感，提升學生學習興趣和學習效率。

［1］姚智華，易勇，陳豐，等.應(yīng)用型本科院校機械原理課程改革與實踐［J］.安徽工業(yè)大學學報（社會科學版），2013，30（1）：98-99+101.

［2］郭衛(wèi)東.機械原理（第二版）［M］.北京：科學出版社，2013.

［3］王芳，王瑞芳，平學成等.基于虛擬樣機技術(shù)的機械原理課程改革與實踐［J］.中國輕工教育，2017，（1）：60-62.

雷蔓(1985-)，男，貴州黔西人，碩士，助教，主要研究方向：3D打印及數(shù)控加工技術(shù)。