3D打印在機械原理課程教改中的應(yīng)用

李永湘 何曉芬 馬秀勤 張寧

摘要：針對機械原理課程傳統(tǒng)教學(xué)中存在的重理論輕實踐問題，將3D打印技術(shù)引入機械原理課程教學(xué)中。研究了3D打印機械原理課程教具、3D打印用于機構(gòu)等知識點的學(xué)習(xí)鞏固、用于課程設(shè)計和用于機械創(chuàng)新設(shè)計比賽等，總結(jié)了3D打印應(yīng)用于機械原理課程需要注意的幾個問題。通過3D打印技術(shù)改進了教學(xué)方法，提高了實踐操作時間，促使機械原理課程教學(xué)由偏理論輕實踐逐漸向理論實踐并重的教學(xué)方式轉(zhuǎn)變，考核方式更傾向于產(chǎn)品設(shè)計的實際能力，提升學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：機械原理;3D打印;教學(xué)改革;OBE

中圖分類號：G64? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）05-0214-02

0? 引言

機械原理課程是機械類專業(yè)基礎(chǔ)課程，包含機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析、受力分析、運動分析，凸輪機構(gòu)、連桿機構(gòu)、齒輪機構(gòu)等原理性內(nèi)容，理論課時占比重。而新工科教育、職業(yè)技能教育和OBE教學(xué)改革的要求是越來越強調(diào)學(xué)生知識和能力的全面發(fā)展。要改變原有的理論課時占比不是一件容易的事情。對于相同的內(nèi)容，實踐操作往往比理論講授需要花費更多的時間。3D打印是一種基于數(shù)字模型，利用塑料等可粘合材料，逐層打印構(gòu)造實物的一種技術(shù)，可有效解決傳統(tǒng)機加工制造機械裝置實物耗時長、費用高等問題，很適合于機械原理課程的實踐教學(xué)。為此，本文主要研究了3D打印在機械原理課程教學(xué)中的幾項具體應(yīng)用和需要注意的問題。

1? 3D打印在課程教學(xué)中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

關(guān)于3D打印在課程教學(xué)中的應(yīng)用，有些高校教師對此進行了相關(guān)研究和實踐。例如，毛瑋等研究了3D打印技術(shù)在機械原理教學(xué)教具制作中的作用[1]。史洪松探討了3D打印在機械設(shè)計與原理教學(xué)中的應(yīng)用思路和優(yōu)勢[2]。王小新等將3D打印應(yīng)用于塑料制品設(shè)計課的教學(xué)工作中[3]。翟彥飛分析了在機械專業(yè)課教學(xué)中應(yīng)用3D打印的優(yōu)點[4]。李定玉等探討了力學(xué)課程中3D打印技術(shù)的應(yīng)用[5]。王明振等研究了3D打印技術(shù)在新工科實驗課程中的應(yīng)用[6]。孫文柱等探討了航空儀表設(shè)備課程教學(xué)中3D打印技術(shù)的應(yīng)用實踐[7]。高延峰等研究了機器人課程教學(xué)中應(yīng)用3D打印技術(shù)的好處[8]。尹濤研究了機械專業(yè)課程教學(xué)中3D打印應(yīng)用實踐[9]。郭美君研究了FDM3D打印運用于機械專業(yè)課程的教學(xué)改革實踐[10]。王莉霞等研究了機械制圖課程教學(xué)改革中3D打印技術(shù)應(yīng)用實踐[11]。林春宇探討了機械設(shè)計基礎(chǔ)課程教改中的UG建模和3D打印技術(shù)綜合應(yīng)用[12]。

以上文獻主要研究了3D打印的優(yōu)點和在不同課程教學(xué)中的應(yīng)用，對機械專業(yè)課程教學(xué)中的3D打印技術(shù)的應(yīng)用主要局限于教學(xué)教具制作，使用的范圍小，應(yīng)用實踐也不是很充分。本文將3D打印運用于機械原理課程教學(xué)中多個方面，促進機械原理課程教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容的改革，提高學(xué)生動手操作能力和課程學(xué)習(xí)的獲得感。

2? 3D打印在機械原理教學(xué)中的應(yīng)用

當(dāng)今高校新工科和OBE教學(xué)改革的一個重要方面是要改變傳統(tǒng)課堂教學(xué)中的填鴨式教學(xué)模式，提高學(xué)生實踐動手能力。在滿足理論教學(xué)的同時如何提高學(xué)生實踐操作時間和參與機會是一個急需解決的教改難題。3D打印機操作方便，學(xué)生上手快，與UG、Pro/E、Solidworks等機械工程應(yīng)用軟件對接良好。以機械專業(yè)基礎(chǔ)課程機械原理為例，3D打印技術(shù)在機械原理課程教學(xué)中的應(yīng)用主要有：用于機械原理教具的制作;用于機構(gòu)等知識點學(xué)習(xí)鞏固;用于課程設(shè)計;用于機械創(chuàng)新設(shè)計比賽等。3D打印技術(shù)的應(yīng)用，可豐富課程教學(xué)方法，增強學(xué)生對機械原理主要知識點的理解，提高學(xué)生課程教學(xué)活動參與度和動手能力。

2.1 3D打印機械原理課程教具

機械原理課程中的理論知識很多，原理性內(nèi)容深奧而抽象，抽象的原理性內(nèi)容教學(xué)很容易使學(xué)生在課堂上犯困，學(xué)生的接受程度難以跟上教師的教學(xué)節(jié)奏。3D打印機械原理教具，可以彌補學(xué)校專業(yè)課教具不足，有效解決機械原理課程教學(xué)的抽象問題。教師在講解理論知識的同時，可通過3D打印的實物模型演示給學(xué)生看，可有效提高教學(xué)效果。學(xué)生通過觀看和接觸3D打印的凸輪機構(gòu)、齒輪機構(gòu)、連桿滑塊機構(gòu)等直觀認識不同機構(gòu)的特點，增強對不同機構(gòu)工作原理的認識。3D打印機械原理課程教具，可改變傳統(tǒng)機械原理課堂教學(xué)格局，充分發(fā)揮理論教學(xué)、案例教學(xué)、啟發(fā)式教學(xué)等多種方式相結(jié)合的混合式教學(xué)的長處。

2.2 3D打印用于機構(gòu)等知識點的學(xué)習(xí)鞏固

機械原理課程的教學(xué)內(nèi)容很豐富，課后作業(yè)是學(xué)生鞏固課堂所學(xué)知識的一種非常有效的方法。傳統(tǒng)的作業(yè)形式都是以計算題、問答題、分析題等的文字型作業(yè)，形式單一。借助3D打印技術(shù)，我們可以將課后作業(yè)的形式變得多樣化，例如可以將作業(yè)布置成制作連桿機構(gòu)模型等等。我們學(xué)校工程實訓(xùn)中心有30多臺3D打印機，學(xué)生可以在課后利用3D打印機制作出機構(gòu)模型實物。這就不僅僅是需要學(xué)生動腦，還需要學(xué)生動手操作。從而可以進一步優(yōu)化和調(diào)整機械原理課程理論教學(xué)與實踐教學(xué)的比重，使機械原理這門專業(yè)課教學(xué)更能發(fā)揮出其應(yīng)用性，可促進學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣。

2.3 3D打印用于課程設(shè)計

機械原理課程設(shè)計是一個重要的實踐環(huán)節(jié)。根據(jù)教學(xué)安排，每個機制專業(yè)班級在上完機械原理理論課程后有兩周時間用于機械原理課程設(shè)計。兩周時間不是很長。在此期間，學(xué)生需要完成機械裝置的原理分析、理論計算、畫圖和制作模型。雖然每個組一般會有4～6名同學(xué)，但在兩周內(nèi)完成所有的工作還是存在一定困難，尤其是所設(shè)計的機械裝置比較復(fù)雜的情況。這些工作中，制作模型的過程是很耗費時間。如果采用鋼材進行機加工，不僅時間長，而且其中涉及的安全問題也是任課教師需要時刻關(guān)注的。而采用3D打印技術(shù)加工實物模型，時間上與機加工稍長，但是3D打印非常安全，學(xué)生也容易掌握3D打印機的操作，相對來說，給學(xué)生培訓(xùn)3D打印機操作的時間比培訓(xùn)數(shù)控機床操作的時間要短很多，這樣，3D打印總的時間更少，也更安全。3D打印有利于機械原理課程設(shè)計任務(wù)的圓滿完成。

2.4 3D打印用于機械創(chuàng)新設(shè)計比賽

應(yīng)用型大學(xué)本科生培養(yǎng)的一個重要方面是培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力。學(xué)生在校期間除了學(xué)好課堂上的理論知識外，還需要能將專業(yè)知識運用于實際，解決實際問題。每年舉辦的全國大學(xué)機械創(chuàng)新設(shè)計比賽就是一個很好的活動，能讓學(xué)生有運用知識、提高操作能力的實踐機會。機械創(chuàng)新設(shè)計比賽是需要比賽選手做出實物出來的。而在機床設(shè)備等不是很充分，加工能力不是很足的情況下，3D打印可以從一定程度上彌補這種缺陷，幫助學(xué)生將實物作品打印出來。通過3D打印的實物模型同樣具有較好的強度，完全能展示出作品各項功能。不僅機械創(chuàng)新設(shè)計比賽，其它類型的一些比賽也可以通過3D打印技術(shù)制作出比賽作品，3D打印較好地支持了學(xué)生的各項創(chuàng)新能力訓(xùn)練。

3? 機械原理教學(xué)中使用3D打印需注意的問題

在機械原理課程教學(xué)中通過使用3D打印技術(shù)，改進了教學(xué)方法，提高了實踐操作時間，促使機械原理課程教學(xué)由偏理論輕實踐逐漸向理論實踐并重的教學(xué)方式轉(zhuǎn)變。進一步完善了機械原理課程的考核評價體系，考核方式更加傾向于解決產(chǎn)品設(shè)計的實際能力，提升學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)，考核內(nèi)容更全面，考核方式更科學(xué)，知識與能力的考核并重。在機械原理教學(xué)中使用3D需注意以下幾個問題：

①使用3D打印需要具備基本的硬件條件和軟件條件，學(xué)校需要有一定數(shù)量的3D打印機和3D打印材料，學(xué)生需要掌握至少一種三維建模軟件，例如Solidworks、UG、Pro/E等等。教師需要將3D打印機的使用操作步驟傳授給學(xué)生，好讓學(xué)生能夠自主使用3D打印機打印作品。

②單個打印的模型不宜太復(fù)雜，尺寸不宜過大。每臺3D打印機的打印能力是有限的。教師布置給學(xué)生的作業(yè)，或?qū)W生自己設(shè)計的作品，在使用3D打印機打印的時候，總長、總寬、總高等尺寸不能超過3D打印機的尺寸界線。若作品尺寸過大，應(yīng)該將作品各部分分拆進行打印。

③教師需要對學(xué)生進行分組管理。由于3D打印機的數(shù)量有限，3D打印模型是需要耗費時間的，因此，很難做到一個學(xué)生一臺3D打印機，把學(xué)生進行分組就很有必要。每組需要設(shè)1名組長進行管理。每組可以合作一個作品或幾個作品，這樣可以保證每組的學(xué)生都能在規(guī)定的時間內(nèi)完成實物制作作業(yè)。學(xué)生在實物制作過程還能相互交流，相互促進，增長知識和能力。

4? 總結(jié)

針對機械原理課程傳統(tǒng)教學(xué)中存在的重理論輕實踐問題，結(jié)合OBE教學(xué)改革和新工科建設(shè)要求，將3D打印技術(shù)引入機械原理課程教學(xué)中。研究了3D打印機械原理課程教具、3D打印用于機構(gòu)等知識點的學(xué)習(xí)鞏固、3D打印用于課程設(shè)計和3D打印用于機械創(chuàng)新設(shè)計比賽等，改進了教學(xué)方法，提高了實踐操作時間，促使機械原理課程教學(xué)由偏理論輕實踐逐漸向理論實踐并重的教學(xué)方式轉(zhuǎn)變。完善了機械原理課程的考核評價體系，考核方式更加傾向于解決產(chǎn)品設(shè)計的實際能力，提升學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)，考核內(nèi)容更全面，考核方式更科學(xué)，知識與能力并重。

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