論3D打印技術(shù)在機(jī)械制圖教學(xué)中的應(yīng)用

柯鴻超

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?隨著高新技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械專業(yè)課的教學(xué)內(nèi)容、手段、方式的變革，3D技術(shù)的融入，使機(jī)械專業(yè)課教學(xué)發(fā)展勢不可擋。在機(jī)械專業(yè)課教學(xué)中融入三維設(shè)計(jì)軟件，就成為適應(yīng)新技術(shù)、新方法的一次嘗試。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?機(jī)械制圖;教學(xué);3D打印技術(shù)

[中圖分類號] ?G712 ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] ?A ? ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2019）15-0196-02

隨著3D打印技術(shù)的廣泛應(yīng)用，先進(jìn)技術(shù)逐漸融入課堂教學(xué)之中。在我們了解了3D打印技術(shù)的基本原理和技術(shù)功能后，結(jié)合實(shí)際的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，在機(jī)械類專業(yè)機(jī)械制圖課程中提出了3D打印技術(shù)的應(yīng)用，這也是對機(jī)械類課程的一種嘗試。

一、機(jī)械制圖課程教學(xué)的基本現(xiàn)狀

傳統(tǒng)模式下的教學(xué)，是基于手工教具、實(shí)體模型展示和多媒體演示等來開展輔助教學(xué)，教學(xué)時(shí)在教師使用教具演示繪圖的過程中，出現(xiàn)了費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問題，有些學(xué)生光看不練，有些學(xué)生畫圖知其然而不知其所以然，導(dǎo)致課堂教學(xué)效果不太理想，這樣就會(huì)導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)不夠主動(dòng)，缺少相應(yīng)的創(chuàng)新欲望，還可能導(dǎo)致學(xué)習(xí)時(shí)間成本的提升。

另一方面，學(xué)生空間想象思維能力較差，是多數(shù)學(xué)生后期學(xué)習(xí)跟不上的主要原因。部分學(xué)生習(xí)慣平面思維，在手工教具的合理引導(dǎo)下，學(xué)生無法順利完成由平面投影視圖向零件圖、裝配圖深化的轉(zhuǎn)變，缺少相應(yīng)的空間思維能力?？臻g思維能力作為機(jī)械制圖課程的核心技能，在實(shí)習(xí)操作訓(xùn)練中，其機(jī)械功能的耦合就會(huì)進(jìn)一步加劇機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化程度，使零件組合圖形無法通過簡單的想象來實(shí)現(xiàn)。

二、機(jī)械制圖教學(xué)中3D打印技術(shù)應(yīng)用的主要優(yōu)勢及規(guī)劃

應(yīng)用3D打印技術(shù)，在機(jī)械制圖教學(xué)之中存在明顯的優(yōu)勢，當(dāng)然，在了解優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，我們也需要對其進(jìn)行具體合理的規(guī)劃，這樣才能夠?yàn)楹罄m(xù)的教學(xué)提供基礎(chǔ)支撐，讓教學(xué)能夠順利地利用3D打印技術(shù)。

（一）優(yōu)勢

在機(jī)械制圖教學(xué)中加入3D打印技術(shù)的使用，可以幫助學(xué)生提高課堂參與度，幫助學(xué)生培養(yǎng)其動(dòng)手能力，讓學(xué)生感受實(shí)踐樂趣，提升其學(xué)習(xí)動(dòng)力，最終滿足課堂教學(xué)效率的提升。

3D打印技術(shù)可以將原本抽象的知識概念形象化，通過模型來構(gòu)建真實(shí)的課堂情境，降低學(xué)生對相關(guān)知識的理解難度，從而為學(xué)生提供全新的學(xué)習(xí)思路。

通過3D打印技術(shù)制作教具，可以解決傳統(tǒng)教學(xué)中存在的不足。并且，這一種教學(xué)模式的使用還可以提升教學(xué)質(zhì)量，降低教學(xué)成本。傳統(tǒng)模式下，教師在面對復(fù)雜結(jié)構(gòu)中只會(huì)利用模型來進(jìn)行簡單的講解，但是因?yàn)槟Ｐ蛢r(jià)格偏高，無法滿足學(xué)生的實(shí)際需求。但是3D打印技術(shù)的利用，就不需要再購買模型，通過3D打印就可以直接生成對應(yīng)的模型，學(xué)生完全可以人手一個(gè)模型來進(jìn)行學(xué)習(xí)。

（二）規(guī)劃

在機(jī)械制圖課堂教學(xué)之中應(yīng)用3D打印技術(shù)，其主要包括以下兩方面。

1.將3D打印產(chǎn)品帶入課堂

也就是在實(shí)際的教學(xué)設(shè)計(jì)中，教師需要基于教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)，利用課前的準(zhǔn)備時(shí)間，將原本復(fù)雜的結(jié)構(gòu)模型利用3D打印來制作教具模型，并且在實(shí)際授課環(huán)節(jié)，通過實(shí)物演示、幻燈片、二維圖片等手段的結(jié)合讓學(xué)生有一個(gè)直觀的感受過程。

2.讓學(xué)生直接參與3D產(chǎn)品的制作

從最開始的建模階段開始一直到后面的成形，學(xué)生全部都親身參與其中，感受制作的全過程，這樣就可以在基礎(chǔ)知識學(xué)、關(guān)鍵部件制圖方式掌握的前提下，幫助學(xué)生拓展其學(xué)習(xí)知識點(diǎn)，并且教授學(xué)生3D打印機(jī)的使用方法，利用對已有模型程序文件的改造，調(diào)動(dòng)學(xué)生想象力制造相應(yīng)的設(shè)計(jì)部件模型。

利用3D打印技術(shù)，就可以為學(xué)生呈現(xiàn)原本相對復(fù)雜的零部件，讓學(xué)生可以擁有直觀的感受，在提高學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)有利于創(chuàng)新精神的培養(yǎng)，最終實(shí)現(xiàn)教學(xué)做一體化的教學(xué)。

三、基于3D打印技術(shù)的機(jī)械制圖課程教學(xué)

機(jī)械制圖作為核心課程的教學(xué)能夠引導(dǎo)學(xué)生建立抽象思維能力以及三維空間思考能力，這樣既可以確保學(xué)生掌握制圖技能，還可以提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。教師需要引導(dǎo)學(xué)生建立對應(yīng)的空間感知力，讓學(xué)生從原本的平面思維逐漸轉(zhuǎn)化成為三維立體空間思維，教師可以將課程的核心要求與先進(jìn)技術(shù)相互結(jié)合起來，通過新型模式的運(yùn)用，將傳統(tǒng)教學(xué)模式改變。

在機(jī)械制圖課程教學(xué)中，合理利用3D打印技術(shù)，可以通過三維建模學(xué)習(xí)、開發(fā)多樣化的教學(xué)模式，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生積極參與實(shí)踐，這對學(xué)生對3D打印技術(shù)的掌握也有著積極的推動(dòng)作用。

（一）增加三維建模學(xué)習(xí)

機(jī)械制圖教學(xué)作為技術(shù)基礎(chǔ)課程，可以幫助學(xué)生培養(yǎng)專業(yè)素質(zhì)和規(guī)范素質(zhì)。一般來說，機(jī)械制圖教學(xué)有兩個(gè)學(xué)期：第一學(xué)期為制圖基礎(chǔ)，第二學(xué)期為制圖訓(xùn)練。在3D打印技術(shù)融入后，就可以將Solid Works、UG等建模軟件融入學(xué)習(xí)中，并且將課時(shí)延伸至三個(gè)學(xué)期，進(jìn)而利用三維建模軟件來進(jìn)行學(xué)習(xí)。

（二）開發(fā)多樣化教學(xué)模式，組織學(xué)習(xí)小組

將實(shí)時(shí)教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相互結(jié)合起來，合理利用互聯(lián)網(wǎng)資源，基于學(xué)生作為中心，在課堂教學(xué)之外，發(fā)揮教學(xué)手段的激勵(lì)作用，從而實(shí)現(xiàn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)。利用建模軟件學(xué)習(xí)小組的創(chuàng)辦，通過建立軟件學(xué)習(xí)QQ群、微信群，可以營造一個(gè)良性的學(xué)習(xí)氛圍，學(xué)生不明白可以即時(shí)詢問，教師可以即時(shí)指點(diǎn)，充分利用課余時(shí)間，提升學(xué)習(xí)效率。

（三）激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，尋找實(shí)戰(zhàn)機(jī)會(huì)

合理的創(chuàng)設(shè)機(jī)會(huì)，讓學(xué)生參與對應(yīng)的比賽，通過設(shè)置班級賽、校園賽，讓學(xué)生不斷鞏固機(jī)械制圖課程的基礎(chǔ)知識和探索3D打印技術(shù)的應(yīng)用，時(shí)機(jī)成熟還可以創(chuàng)辦3D打印或軟件建模興趣小組，這樣不僅有利于學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的提升，還能為學(xué)校提供軟件建模的好苗子，為參加校外競賽提供選拔參考和訓(xùn)練平臺(tái)。

四、機(jī)械制圖教學(xué)中3D打印技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

下面就3D打印技術(shù)在機(jī)械制圖中的應(yīng)用列舉一兩例：

在“平面截切形成截交線”的學(xué)習(xí)中（見圖1），很多學(xué)生僅僅憑借空間想象是很難對截?cái)囿w的整體形狀加以了解，其想象出來的截?cái)囿w和實(shí)際的形體之間存在明顯的差異。通過3D打印技術(shù)，就可以滿足實(shí)物化的要求（見圖2），這樣可以將截交面的狀況直觀顯示出來，這樣就可以滿足提升學(xué)生空間想象能力。

制圖教學(xué)中，通過建模軟件演示截平面的截切，得到圖示的截?cái)囿w。通過軟件建模，把截?cái)囿w的兩部分軟件模型分別輸入到3D打印設(shè)備里，各自打印出來后，貼合成一個(gè)完整的基本體（如圖1的基本體分別是正六棱柱、正四棱錐）。學(xué)生可通過模型自行貼合、拆分這個(gè)基本體，理解截?cái)囿w的形狀和結(jié)構(gòu)。這樣，學(xué)生既掌握基本體的截切，又能理解截?cái)囿w與基本體之間的關(guān)系，利用已知拓展到未知，思路合理簡單，內(nèi)容清晰易懂，提升了學(xué)生興趣，提高了課堂效率。

而在形體相貫的學(xué)習(xí)中，僅僅憑借三視圖，學(xué)生也無法想象當(dāng)圓錐體和圓柱體之間相貫之后，其相貫線究竟是什么樣的（見圖3）。但是利用3D打印技術(shù)，就可以制造出對應(yīng)的組合體（見圖4），學(xué)生在觀察相貫線之后，就需要將三視圖和實(shí)體進(jìn)行相互對比，通過實(shí)踐，可以得到自己的理解，最終在實(shí)踐之中理解組合體以及平面投影視圖之間的相互關(guān)系。

同樣的道理，將相貫的兩個(gè)甚至多個(gè)基本體分別建模，通過軟件演示其相貫過程，并標(biāo)記相互重合或抵消的部分，再利用3D打印技術(shù)打印出來，驗(yàn)證相貫體的產(chǎn)生并得出相貫體的特點(diǎn)，尤其是相貫線的形狀、走向，都能通過打印實(shí)物來求證，不僅讓學(xué)生理解了相貫線的來龍去脈，更化解了相貫線這一知識點(diǎn)的難點(diǎn)，一舉兩得。

總而言之，在3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展下，隨著其在實(shí)踐教學(xué)之中不斷地深入應(yīng)用，相信對現(xiàn)代化的技能型人才培養(yǎng)也發(fā)揮了重要的作用，我們也將不斷地前進(jìn)，才能滿足實(shí)際的需求，推動(dòng)機(jī)械制圖教學(xué)的可持續(xù)發(fā)展，滿足人才的培養(yǎng)。

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編輯 陳鮮艷