3D打印技術(shù)在機械制圖課程中的教學(xué)改革探索

高成德 馮佩 帥詞俊 金嬌

摘 ?要：機械制圖是一門具有很強實踐性的機械工程專業(yè)基礎(chǔ)課程，對空間想象和邏輯思維能力都有著較高的要求，但由于教學(xué)內(nèi)容守舊單一、教學(xué)手段不夠豐富等問題，教學(xué)質(zhì)量往往差強人意。通過認(rèn)識機械制圖課程的教學(xué)目標(biāo)、特點以及現(xiàn)存問題，提出將3D打印技術(shù)融入機械制圖課堂教學(xué)過程中，并給出了具體實施方案，實現(xiàn)3D打印與機械制圖的有機結(jié)合，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與積極性，提高機械制圖課程的教學(xué)效果和人才培養(yǎng)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：3D打印 ?機械制圖 ?教學(xué)改革 ?機械工程

中圖分類號：G642 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）06（b）-0022-02

作為一種前沿性的先進(jìn)制造技術(shù)，3D打印以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，以粉末狀可粘合材料為原料，通過逐層堆疊累積方式構(gòu)造物體，被譽為“第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一”。該技術(shù)最大的優(yōu)點是不需要任何模具和夾具，就能直接通過計算機模型數(shù)據(jù)制造出三維實體零件，而且得益于獨特的分層制造理念，3D打印能夠加工傳統(tǒng)技術(shù)難以制造的復(fù)雜形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，具有高度柔性、快速有效的特點[1]，能夠快速體現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計，極大地提高產(chǎn)品研發(fā)效率并降低生產(chǎn)成本。

高校的生存和發(fā)展依賴教學(xué)質(zhì)量的保障，而高校教師在教學(xué)內(nèi)容上應(yīng)與專業(yè)發(fā)展的最新動態(tài)保持一致，才能更好地開展應(yīng)用型教學(xué)。3D打印雖然在復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造方面擁有獨特優(yōu)勢，但目前更多應(yīng)用于科學(xué)研究、私人定制等受眾較窄的領(lǐng)域，3D打印不應(yīng)是成本高昂、讓人無法企及高深科學(xué)，關(guān)于其應(yīng)用于教育教學(xué)工作的探索應(yīng)進(jìn)一步深入，不斷完善3D打印教育創(chuàng)新，使3D打印從象牙塔里的前沿科技，發(fā)展成為融入學(xué)校、家庭和社會教育常態(tài)的技術(shù)。

對于機械工程專業(yè)，3D打印代表著高端制造的發(fā)展方向，開展3D打印技術(shù)的教育教學(xué)工作尤為重要和迫切。而作為該專業(yè)十分重要的基礎(chǔ)課程，機械制圖是學(xué)生從事專業(yè)領(lǐng)域工作和研究的最基本技能。若能在機械制圖教學(xué)中融入3D打印技術(shù)，可以使教學(xué)工作緊跟前沿科技發(fā)展動態(tài)，改變教師一個人講、學(xué)生被動聽的教學(xué)現(xiàn)狀，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)和自主創(chuàng)新的積極性，進(jìn)而提高課程的教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。

1 ?機械制圖課程的特點及教學(xué)中存在的問題

機械制圖是工程類、特別是機械專業(yè)必修的一門重要技術(shù)基礎(chǔ)課，是研究機械圖紙的繪制（畫圖）和識讀（看圖）規(guī)律與方法的一門課程。該課程既注重理論知識的學(xué)習(xí)，又需要大量的實踐鞏固所學(xué)知識，使學(xué)生掌握其中的原理和方法，為培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力和繪圖技能打下必要的基礎(chǔ);同時，它又是學(xué)習(xí)后續(xù)課程和完成課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等環(huán)節(jié)不可缺少的基礎(chǔ)技能。

但是目前機械制圖的教學(xué)過程中還存在一些常見的問題。

1.1 教學(xué)內(nèi)容守舊單一

目前機械制圖課程仍側(cè)重于理論知識的講解，實踐的課時占的比例相對較少，而且學(xué)生多是通過二維剖面圖的形式來認(rèn)識零件，部分學(xué)校有實物供學(xué)生觀摩學(xué)習(xí)，但也僅限于一兩種簡單結(jié)構(gòu)的零部件，內(nèi)容過于單一，學(xué)生缺乏對大部分零件內(nèi)部構(gòu)造的直觀了解。更重要的是，教學(xué)內(nèi)容和過程缺乏與領(lǐng)域發(fā)展前沿的有效融合，使學(xué)生難以與時俱進(jìn)地接觸學(xué)習(xí)這些前沿知識。

1.2 教學(xué)手段不夠豐富

近年來，隨著教學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施的完善與提高，大部分學(xué)校實現(xiàn)了多媒體教學(xué)，可以通過電腦、投影儀等設(shè)備播放PPT、視頻等材料。這些內(nèi)容的加入無疑使課程在原先只有教材和簡單模型的基礎(chǔ)上又進(jìn)了一步，但實際取得的效果并不明顯。大部分課堂上還是老師包辦多、學(xué)生主動少。教師灌輸知識多，而學(xué)生自學(xué)少，導(dǎo)致學(xué)生很多知識都缺乏理解。這樣的情況導(dǎo)致學(xué)生的主觀能動性受到了影響，不利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索精神，也限制了學(xué)生的想象力[2]。

2 ?3D打印應(yīng)用于機械制圖課程教學(xué)的優(yōu)勢

將3D打印技術(shù)融入機械制圖的課程教學(xué)中，可以完美利用3D打印的技術(shù)優(yōu)勢解決機械制圖課程中所存在的問題。機械專業(yè)本身就需要將理論和實踐相結(jié)合，而機械制圖更是一門注重將理論運用于實際的課程。因此，將更多的實踐內(nèi)容引入課堂有利于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，從而提高教學(xué)質(zhì)量[3]。

3D打印的建模階段為學(xué)生提供了建模的機會，學(xué)生需要在讀懂二維平面圖的基礎(chǔ)上，利用建模軟件將二維平面圖轉(zhuǎn)化為三維立體圖，在這個過程中既鍛煉了學(xué)生的讀圖能力，又鍛煉了學(xué)生的空間想象力，而且將腦海中想象的三維圖形呈現(xiàn)在建模軟件中，便于糾正錯誤、加深印象。當(dāng)然，3D打印最主要的優(yōu)勢還是能將各種復(fù)雜形狀與結(jié)構(gòu)的模型方便快捷地打印成真實的實物呈現(xiàn)，利用這個優(yōu)勢，教師可以提供豐富多樣的模型供學(xué)生參考，學(xué)生可以直觀觀察模型結(jié)構(gòu)，從而更準(zhǔn)確地將三維實物圖繪制成二維工程圖。教師也可以利用學(xué)生對新興技術(shù)的興趣，鼓勵學(xué)生自主建模，并在課堂上演示學(xué)生所建模型是如何打印成型的，進(jìn)而讓學(xué)生獲得強烈、真實的認(rèn)知體驗和參與感，有利于進(jìn)入深度學(xué)習(xí)狀態(tài)。

3 ?3D打印應(yīng)用于機械制圖課程教學(xué)的具體實施方案

第一，在課程開始階段，運用已有的多媒體手段，將課程大綱知識點介紹給學(xué)生，內(nèi)容完整清楚，條理清晰，突出重點，使學(xué)生充分了解該課程的基礎(chǔ)內(nèi)容，對今后的學(xué)習(xí)方向有初步概念[4]。

第二，利用現(xiàn)有的簡單模型，安排一次課堂繪圖課，學(xué)生通過對照簡單模型實物繪制二維工程圖，在實踐中熟悉所學(xué)基礎(chǔ)理論知識，初步掌握繪圖技巧與注意事項，教學(xué)課程中可多與老師同學(xué)進(jìn)行討論，盡可能多地解決盲點與誤區(qū)，為之后的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

第三，老師對3D打印技術(shù)做具體介紹，使學(xué)生初步了解3D打印的特點及優(yōu)勢，充分激發(fā)學(xué)生的探索興趣。然后根據(jù)課堂人數(shù)將學(xué)生分為若干學(xué)習(xí)小組，分組原則是每個小組需至少有一個熟悉三維建模軟件的學(xué)生，教師給出特定的二維工程圖，要求學(xué)生課后小組討論，在正確識圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行三維建模，并于下次課堂上交所建模型，挑選出建模最準(zhǔn)確的一組模型，用3D打印技術(shù)將其具現(xiàn)為實物，讓學(xué)生初步感受到3D打印的魅力，并激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性。

第四，教師給學(xué)生布置大作業(yè)，小組成員通過自主設(shè)計或網(wǎng)上查找素材的方式，進(jìn)行自主三維建模，每個小組交出一個三維模型作品，教師根據(jù)這些作品，挑選最具代表性與繪圖可行性的模型，用3D打印技術(shù)將模型具現(xiàn)為實物，分發(fā)到各個小組手中，再進(jìn)行二維工程圖的繪制。學(xué)生對自己設(shè)計出來的新模型進(jìn)行繪制，通過參與整個作品的設(shè)計并最終呈現(xiàn)為實物，讓學(xué)生感受到學(xué)習(xí)的樂趣與全新的學(xué)習(xí)體驗。

4 ?結(jié)語

通過分析機械制圖課程教學(xué)存在的問題和3D打印技術(shù)優(yōu)勢，提出將3D打印融入機械制圖的課程教學(xué)過程中，不僅能巧妙地將教材中抽象理論知識與實踐技能有機融合，還能將最新的計算機圖學(xué)融入教學(xué)過程中，同時豐富教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，最終起到良好的教學(xué)效果，完美契合該課程的教學(xué)目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 李昕.3D打印技術(shù)及其應(yīng)用綜述[J].鑿巖機械氣動工具，2014（4）：36-41.

[2] 郭永鳳.《機械制圖》教學(xué)中存在的問題與對策[J].科技風(fēng)，2017（23）：45.

[3] 花燕鋒，張龍革.3D打印技術(shù)在教育中的應(yīng)用研究[J].中小學(xué)電教，2014（6）：16-19.

[4] 周屹.基于3D打印技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計專業(yè)中教學(xué)改革探索[J].戲劇之家，2018（33）：103.