基于3D打印技術(shù)的高校機(jī)械制圖課程教學(xué)探析

王振環(huán)

摘 要：傳統(tǒng)機(jī)械制圖課程教學(xué)存在輔助教學(xué)工具過于抽象、機(jī)械模型成本高、教學(xué)方法陳舊等問題。隨著3D打印技術(shù)的成熟，將3D打印技術(shù)引入高校機(jī)械制圖課程教學(xué)中，可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、自主性，促進(jìn)生生之間的交流合作，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)作靈感，提高教學(xué)效果，節(jié)省教學(xué)成本。在具體教學(xué)中，教師可應(yīng)用3D打印技術(shù)打印3D模型，進(jìn)行物理制圖、軟件建模，以及胎模的精加工、局部裝配，打印可視化成品等，以此完成2DCAD時(shí)代無法實(shí)現(xiàn)的協(xié)同工作，為教育教學(xué)提供新思路。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù);機(jī)械制圖;軟件建模;模型;加工;裝配

中圖分類號： G642文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-3561（2022）02-0115-03

機(jī)械制圖課程是研究機(jī)械圖樣的繪制和識讀規(guī)律與方法的一門學(xué)科，旨在使學(xué)生具備從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、冶金設(shè)備維護(hù)、機(jī)電設(shè)備、數(shù)控技術(shù)工作所必需的基本知識和基本技能。將3D打印技術(shù)應(yīng)用于高校機(jī)械制圖課程教學(xué)中，可突破傳統(tǒng)機(jī)械制圖課程教學(xué)存在的不足，完成2DCAD時(shí)代無法實(shí)現(xiàn)的協(xié)同工作，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，為教育教學(xué)提供新思路。

一、相關(guān)理論綜述

（1）3D打印技術(shù)。3D打印技術(shù)（3D printing）是一種基于圖層數(shù)字模型處理軟件的打印技術(shù)。其運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過圖形打印模具直接構(gòu)建矩形物體，可直接從未經(jīng)圖層處理的任何圖形打印數(shù)據(jù)或任何打印模具中直接生成任何一種形式的打印零件，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品生產(chǎn)率，降低了生產(chǎn)過程成本。根據(jù)3D數(shù)字打印機(jī)所用燒結(jié)材料的不同，3D數(shù)字打印應(yīng)用技術(shù)可以細(xì)分為聚合反應(yīng)打印技術(shù)、燒結(jié)材料熔融粘合反應(yīng)技術(shù)、粉末燒結(jié)黏合反應(yīng)技術(shù)。隨著3D數(shù)字打印應(yīng)用技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，其廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及開發(fā)生產(chǎn)過程，如航空工業(yè)、汽車制造工業(yè)、專業(yè)建筑設(shè)計(jì)（包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工業(yè)建筑設(shè)計(jì)的專業(yè)生產(chǎn)過程模型）、醫(yī)療整形外科（正畸后的牙套、假牙、助聽器）等多個(gè)領(lǐng)域。

（2）3D建模。3D建模是一種數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式，目前在多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。在計(jì)算機(jī)中，3D圖形具有可視化特征，即在平面上顯示3D圖形，雖然與真實(shí)世界不同，但呈現(xiàn)出來的3D空間看起來就像真實(shí)世界。

二、傳統(tǒng)機(jī)械制圖課程教學(xué)存在的問題

在傳統(tǒng)機(jī)械制圖課程教學(xué)中，教師通過掛圖、圖像、實(shí)物模型等教具來講解機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)、形狀和運(yùn)動。而這樣的教學(xué)方法已經(jīng)不能滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，也無法達(dá)到社會對人才的能力要求。

（1）輔助教學(xué)工具過于抽象。使用靜態(tài)的、抽象的機(jī)械運(yùn)動輔助教學(xué)工具，如三維掛圖和運(yùn)動圖像，并不能準(zhǔn)確反映機(jī)械零件的基本形狀、結(jié)構(gòu)、運(yùn)動工作原理和使用功能。而這些教學(xué)內(nèi)容也是學(xué)生最難理解的，要求學(xué)生具有良好的三維空間感和想象表達(dá)能力。很顯然，這些抽象的教學(xué)工具無法起到輔助學(xué)生理解教學(xué)內(nèi)容的作用。

（2）傳統(tǒng)機(jī)械模型成本高。在物理機(jī)械制圖、機(jī)械運(yùn)動原理、機(jī)械設(shè)計(jì)等各門課程的傳統(tǒng)機(jī)械制圖教學(xué)實(shí)踐過程中，教師通常會利用機(jī)械模型作為教具，以此讓學(xué)生了解機(jī)械零件的基本結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)的基本組成、運(yùn)動學(xué)的特點(diǎn)等教學(xué)內(nèi)容。而機(jī)械模型的成本較高，對教學(xué)的輔助作用也有限，不能體現(xiàn)全部教學(xué)內(nèi)容。

（3）教學(xué)方法陳舊?，F(xiàn)在，大量的信息技術(shù)被引入課堂，而如果教師不充分利用信息技術(shù)，僅依靠口頭講授、學(xué)生對物理模型和工程設(shè)計(jì)的觀察，將很難調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，也很難提高課堂教學(xué)效率。另外，機(jī)械制圖課程的教學(xué)重點(diǎn)是讓學(xué)生理解機(jī)器的基本原理，所以部分教師的課程教學(xué)以知識輸入為基礎(chǔ)，對學(xué)生的知識掌握評價(jià)以書面形式的繪畫和作業(yè)為主。很顯然，這種教學(xué)模式無法培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，而機(jī)械制圖課程的大班教學(xué)也無法因材施教，有效培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力。這樣，學(xué)生在學(xué)習(xí)中遇到困難時(shí)，既缺乏創(chuàng)新意識，也缺乏動手實(shí)踐能力，無法提高學(xué)習(xí)效率。

三、3D打印技術(shù)輔助教學(xué)的相關(guān)準(zhǔn)備

（1）教學(xué)時(shí)間節(jié)點(diǎn)分析。任何教學(xué)活動都需要做一定的準(zhǔn)備，因此，在應(yīng)用3D打印技術(shù)輔助教學(xué)時(shí)，教師、學(xué)生也要提前做好相關(guān)準(zhǔn)備工作。首先，在3D建模的初始階段，教師可簡要向?qū)W生介紹二維設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和基本知識，并指導(dǎo)學(xué)生完成設(shè)計(jì)方案。在學(xué)期的前幾周，重點(diǎn)對學(xué)生進(jìn)行手工制圖的培訓(xùn)。其次，在正確書寫字母、數(shù)字，準(zhǔn)確畫線之后，教師可指導(dǎo)學(xué)生以“鉤子”為主題繪制手繪圖，然后進(jìn)行2DCAD繪圖，以此提高學(xué)生基本的二維繪圖能力。最后，在講解投影的基本規(guī)律時(shí)，教師可指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行專門的3D造型培訓(xùn)，讓其學(xué)習(xí)CAD3D操作，由簡單到復(fù)雜體現(xiàn)3D空間感，并進(jìn)入3D打印室，設(shè)計(jì)和制作獨(dú)特的3D實(shí)體。接下來，學(xué)生可通過反復(fù)修改設(shè)計(jì)，盡量讓3D實(shí)體完美呈現(xiàn)。由此可見，教師只有掌握這些教學(xué)節(jié)點(diǎn)，才能充分發(fā)揮3D打印技術(shù)的教學(xué)優(yōu)勢，才能讓學(xué)生充分掌握知識，并將真實(shí)產(chǎn)品與二維圖紙聯(lián)系起來，了解它們之間的區(qū)別。

（2）教學(xué)素材準(zhǔn)備。3D圖形打印雖然是一種高效低成本的打印應(yīng)用技術(shù)，但學(xué)生也不可能經(jīng)常通過3D圖形建模同時(shí)制作一個(gè)成品打印模型，也不可能同時(shí)制作大量的3D建模造型和打印模型。因此，教師在教學(xué)中要精準(zhǔn)確定需利用3D打印的模型，然后借此向?qū)W生做產(chǎn)品演示，講解教學(xué)內(nèi)容。

（3）學(xué)生準(zhǔn)備。機(jī)械制圖課程作為高校機(jī)械制圖專業(yè)的基礎(chǔ)課程，在學(xué)生的就業(yè)競爭中具有非常重要的作用。因此，教師要在傳統(tǒng)實(shí)踐的基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)、創(chuàng)新，應(yīng)用可提高學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)質(zhì)量的教學(xué)模式，以3D打印技術(shù)為教學(xué)輔助手段，全面提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，形成最佳教學(xué)切入點(diǎn)。

四、3D打印技術(shù)在機(jī)械制圖課程教學(xué)中的應(yīng)用

為提高學(xué)生參與課堂教學(xué)的積極性，在利用3D打印技術(shù)進(jìn)行機(jī)械制圖課程教學(xué)的過程中，教師可將全班學(xué)生分成若干小組，每組4人～6人。具體教學(xué)應(yīng)用如下。

（1）物理制圖和軟件建模。3D打印機(jī)是基于數(shù)字模型文件的打印工具，學(xué)生首先要做的是用機(jī)械設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)一個(gè)制圖模型。對于學(xué)習(xí)能力較弱的學(xué)生，其只需要設(shè)計(jì)在數(shù)字模型中看到的實(shí)物即可，對于學(xué)習(xí)能力較強(qiáng)的學(xué)生，教師可要求其掌握機(jī)械運(yùn)動和機(jī)械設(shè)計(jì)的原理，根據(jù)不同的形式設(shè)計(jì)物理模型。對學(xué)生來說，設(shè)計(jì)模型和模型動畫對于激發(fā)學(xué)習(xí)動機(jī)、掌握設(shè)計(jì)軟件的技術(shù)非常重要。

（2）打印3D模型。學(xué)生將自己繪制的數(shù)字模型文件直接插入3D打印機(jī)即可進(jìn)行3D數(shù)字模型文件打印。所有的3D數(shù)字模型文件都是學(xué)生自己繪制完成的，因此，精度不高，或沒有實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，而格式化的轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤會直接導(dǎo)致3D數(shù)字模型文件數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，如產(chǎn)生反轉(zhuǎn)制圖方向、矩形縫隙，增加壁厚，幾何空間冗余，重復(fù)打印補(bǔ)片等情況。而這些情況是提高學(xué)生繪畫技術(shù)水平的良好學(xué)習(xí)機(jī)會，教師可分析、整理印刷制作過程中出現(xiàn)的制圖問題，讓學(xué)生深入理解各種制圖基礎(chǔ)知識的具體應(yīng)用意義。

（3）胎模的精加工。由于工藝、材料和3D模型的不同，打印出來的3D胎模也有很大區(qū)別。為節(jié)省成本，學(xué)生打印用的3D打印機(jī)價(jià)格較低，所用的材料是塑料線。因此，印刷的胎模在外觀和精度上都不夠好，需要學(xué)生進(jìn)一步修理模具，并組裝零件，為接下來的課程學(xué)習(xí)做準(zhǔn)備。

（4）局部裝配。簡單的印刷零件一般不需要裝配，但對于一些復(fù)雜的零件（通常由多個(gè)零件組成），仍然需要裝配。這個(gè)步驟不僅可以鍛煉學(xué)生的手工拆卸能力，還可加深學(xué)生對機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)的理解。

（5）成品的可視化。隨著學(xué)生3D打印生產(chǎn)水平和技術(shù)水平的提高，教師可允許學(xué)生自己處理規(guī)則曲面的單個(gè)零件、不規(guī)則曲面的單個(gè)零件、多點(diǎn)規(guī)則曲面和不規(guī)則曲面，使其真正掌握繪圖和印刷技能。對于簡單零件，教師可幫助其評估測量的準(zhǔn)確性，并給予熱愛和有興趣運(yùn)用3D打印技術(shù)學(xué)習(xí)的學(xué)生支持和幫助。

五、應(yīng)用效果評價(jià)

通過一年的教學(xué)實(shí)踐，筆者所在班級的教學(xué)效果良好?，F(xiàn)詳細(xì)闡述3D打印技術(shù)在機(jī)械制圖課程教學(xué)中的作用。

（1）提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。實(shí)踐理論學(xué)習(xí)比單純理論學(xué)習(xí)更容易被學(xué)生接受。部分學(xué)生對理論基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)持拒絕的態(tài)度，甚至有的學(xué)生有恐懼的表現(xiàn)。究其原因是課堂教學(xué)模式?jīng)]有激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。而將3D打印成像技術(shù)廣泛融入專業(yè)實(shí)踐中，不僅能激發(fā)學(xué)生參與專業(yè)實(shí)踐的積極性，還能調(diào)動其繼續(xù)學(xué)習(xí)的興趣。學(xué)生從專業(yè)實(shí)踐中體驗(yàn)到成功感后，還可進(jìn)一步激發(fā)學(xué)習(xí)動機(jī)。

（2）激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)作靈感。讓學(xué)生根據(jù)機(jī)械制圖的相關(guān)知識設(shè)計(jì)作品（如變形機(jī)器人、翻轉(zhuǎn)青蛙、彩色手機(jī)殼等），并用3D打印機(jī)打印設(shè)計(jì)作品，以充分調(diào)動學(xué)生的想象力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造靈感。這有利于培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。

（3）提高教學(xué)有效性。在傳統(tǒng)機(jī)械制圖或機(jī)械基礎(chǔ)課程教學(xué)中，教師在講解組合或四桿機(jī)構(gòu)時(shí)，只拿一個(gè)模型給四五十個(gè)學(xué)生講解，然后把模型傳給每個(gè)學(xué)生。現(xiàn)在，通過3D打印機(jī)，教師可以讓更多的學(xué)生做模型，然后根據(jù)模型對測量和繪制模型系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，教學(xué)效率明顯提高。另外，在部分學(xué)校，機(jī)械制圖高級班的學(xué)生“紙上談兵”是常事，即只在圖紙上作畫。教學(xué)條件較好的學(xué)校雖然允許畢業(yè)班學(xué)生自行加工，但在大型機(jī)床設(shè)備上自行加工成型鋼材的使用成本相對較高。而基于3D打印技術(shù)，教學(xué)條件好的學(xué)?？勺寣W(xué)生使用3D成型打印機(jī)打印自己精心設(shè)計(jì)的成型模具或定制夾具，教學(xué)有效性因此明顯提升。

（4）節(jié)省教學(xué)成本。在傳統(tǒng)的機(jī)械制圖課程教學(xué)中，部分教師使用物理教具進(jìn)行教學(xué)，一個(gè)物理教具的價(jià)格在100元以上，數(shù)量少，價(jià)格高。而應(yīng)用3D打印技術(shù)后，學(xué)校不需要大量購買教輔材料，可由高年級學(xué)生用3D打印機(jī)打印大部分教輔材料。而一個(gè)塑料模型的成本在幾分錢左右，這不僅節(jié)省了教輔材料的成本，還提高了學(xué)生的動手實(shí)踐能力。

（5）促進(jìn)學(xué)生的合作意識?；?D打印技術(shù)，教師在機(jī)械制圖課程教學(xué)中，可向?qū)W生提供開放式的設(shè)計(jì)任務(wù)，讓學(xué)生以小組形式進(jìn)行合作、討論，逐步掌握基本機(jī)械原理。這既可實(shí)現(xiàn)學(xué)生之間的相互學(xué)習(xí)和促進(jìn)，也可以培養(yǎng)學(xué)生的合作意識。

（6）學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力提高?；?D打印技術(shù)，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力明顯提高，課堂學(xué)習(xí)由被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)。教師可將注意力從教好課轉(zhuǎn)向解決問題，對不同的學(xué)生進(jìn)行一對一的課程指導(dǎo)，避免學(xué)生出現(xiàn)跟不上教學(xué)進(jìn)度的情況。

六、結(jié)語

總之，可視化在機(jī)械制圖教學(xué)中是必要的，也是有用的?；趥鹘y(tǒng)機(jī)械制圖教學(xué)中存在的問題，教師可引入3D打印技術(shù)，打印3D模型，進(jìn)行物理制圖、軟件建模，以及胎模的精加工、局部裝配，打印可視化成品等，真正做到機(jī)械制圖與設(shè)計(jì)的現(xiàn)代化教學(xué)，以此夯實(shí)學(xué)生的機(jī)械制圖知識基礎(chǔ)，提高學(xué)生的職業(yè)競爭力。

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Exploration of the Teaching of Mechanical Drawing in Colleges and Universities Based on 3D Printing Technology

Wang Zhenhuan

（Binzhou University， Binzhou 256600， China）

Abstract： There are some problems in the teaching of traditional mechanical drawing， such as too abstract auxiliary teaching tools， high cost of mechanical model， outdated teaching methods and so on. With the maturity of 3D printing technology， introducing 3D printing technology into the teaching of mechanical drawing course in Colleges and universities can improve students' learning enthusiasm and autonomy， promote exchanges and cooperation between students， stimulate students' creative inspiration， improve teaching effect and save teaching cost. In specific teaching， teachers can apply 3D printing technology to print 3D models， Carry out physical drawing， software modeling， and finish machining， local assembly， printing and visualization of tire mold， so as to complete the collaborative work that cannot be realized in the 2DCAD era and provide new ideas for education and teaching.

Key words： 3D printing technology; mechanical drawing; software modeling; model; processing; assembling