雙創(chuàng)背景下基于3D打印技術的高校機械制圖教學研究

王振環(huán)

摘 要：將3D打印技術融入高校機械制圖教學環(huán)節(jié)，有助于激發(fā)學生的學習興趣，提高學生的空間想象能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性，切實提升機械制圖課程的教學效果。文章從機械制圖教學概述入手，分析3D打印技術的發(fā)展歷程，總結當前高校機械制圖教學存在的問題，明確3D打印技術應用于高校機械制圖教學的優(yōu)勢，并在此基礎上提出3D打印技術在高校機械制圖教學中的創(chuàng)新應用思路，以期為高校機械制圖教學模式的改革提供新視角。

關鍵詞：3D打印技術;雙創(chuàng);機械制圖;教學策略;教學研究

中圖分類號：G648.2 文獻標志碼：A 文章編號：1008-3561（2022）04-0113-03

3D打印技術即快速成型技術的一種，又稱增材制造，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。機械制圖課程是高校機械工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課，具有教學基礎性和綜合實用性等特點。在雙創(chuàng)背景下，各高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育方興未艾，出現(xiàn)了大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新的新勢態(tài)。下面，筆者以3D打印技術設計為載體，對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)背景下的高校機械制圖的教學設計思路與方法進行探究。

一、機械制圖教學概述

1.機械制圖的教學框架

機械制圖是用圖樣確切表示機械的結構形狀、尺寸大小、工作原理和技術要求的學科。圖樣由圖形、符號、文字和數(shù)字等組成，是表達設計意圖和制造要求及交流經(jīng)驗的技術文件，常被稱為工程界的語言。機械制圖過程大致包括以下幾個部分：制圖基礎知識、三視圖基礎、零件的表達方式等。機械制圖教學的主要目標是讓學生在理解機械制圖國家標準的同時，學會閱讀和繪圖。機械制圖教學的過程是制圖標準的理論學習與功能訓練相結合，以及AutoCAD二維制圖方法在計算機繪圖中的應用。

2.機械制圖的國家標準

隨著科學技術的不斷進步和發(fā)展，國家機械生產(chǎn)和制圖規(guī)范也在隨之不斷整合和改進。我國現(xiàn)行機械制圖的國家標準規(guī)定了在機械圖樣中標注尺寸的方法，制圖理論簡便實用，對整個行業(yè)具有很強的引領和指導意義。

二、3D打印技術的發(fā)展歷程

3D打印技術出現(xiàn)于20世紀90年代中期，其本質(zhì)是一種分層的思想，即堆層和加法生產(chǎn)，通常是采用數(shù)字技術材料打印機來實現(xiàn)的。3D打印技術是借助于計算機、激光、數(shù)控和精密傳動等先進的現(xiàn)代手段，根據(jù)在計算機相關軟件上建立的三維模型，能在短時間內(nèi)直接制造產(chǎn)品或模型的快速成型制造技術。3D打印機與普通打印機的工作原理基本相同，其內(nèi)部裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把打印材料一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。3D打印技術具有高度的靈活性、高度的定制性，由于對零件形狀敏感度低，生產(chǎn)成本低，常在模具制造、工業(yè)設計等領域被用于制造模型，后逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，已經(jīng)有使用這種技術打印而成的零部件。經(jīng)過多年的發(fā)展，3D打印技術已被廣泛應用于航空航天、軍事國防、醫(yī)療器械裝備、高新技術、教育生產(chǎn)等領域。

三、高校機械制圖教學存在的問題

1.傳統(tǒng)制圖教學模式的影響

在我國傳統(tǒng)制圖教學模式下，一方面，部分教師過于強調(diào)制圖理論的教學，導致學生實際制圖能力不足，另一方面，部分教師只關注學生能否順利通過相關課程考試，而忽視學生繪制地圖的靈活性，導致學生習慣于背誦書本上的概念和案例，缺乏自主創(chuàng)新思維意識。

2.教學內(nèi)容與實際工作脫節(jié)

部分學校供學生實操的機械設備數(shù)量有限，不能滿足所有學生的操作需求，導致學生只能通過二維剖面圖來學習相關知識，實際動手操作機械的機會有限，無法對機械內(nèi)部結構形成直觀認識，很難真正理解機械設備的工作原理。還有部分學校供學生實操的機械設備老舊，結構單一，與當前前沿領域?qū)嶋H情況不符，學生所學內(nèi)容與實際工作需要脫節(jié)，導致學生無法滿足用人單位需求。

3.教學方法不夠豐富

部分教師在實際教學中不能做到與時俱進，不注意信息技術等教學方法的引入，還在延續(xù)傳統(tǒng)的灌輸式教學方法，導致課堂氛圍沉悶、枯燥，學生學習興趣、學習熱情不足，學習效果可想而知。

四、3D打印技術應用于高校機械制圖教學的優(yōu)勢

機械制圖專業(yè)課程具有較強的實際應用性和理論實踐性，對學生的空間想象能力、理解能力、思維能力都有較高的要求，對學生來說，具有一定的學習難度。3D打印技術可以把機械圖快速、便捷地打印出來，讓學生直觀地看到實物，從而可以幫助學生理解相關知識內(nèi)容，有效提升學生的學習效果。

1.幫助學生理解相關知識

在學生學習機械制圖之前，學生已經(jīng)學過2D建模，但是2D模型不夠直觀，學生很難充分了解機械設備的真正工作原理。在實際教學中，教師可以利用3D打印技術將2D模型轉(zhuǎn)換成3D模型，這有助于學生對機械構造、機械工作原理等形成具體、直觀的認知，以此幫助學生真正理解相關知識內(nèi)容，有效提升學習效果。

2.促使學生改正錯誤

通過3D建模技術，學生可以用制圖軟件直接在計算機上把腦中的靈感呈現(xiàn)出來，再利用3D打印技術把圖紙打印出來進行直觀觀察，通過直觀的觀察，學生很容易發(fā)現(xiàn)自己在制圖中所犯的錯誤，并及時進行改正，從而在潛移默化中實現(xiàn)空間想象能力和操作能力的提高。

3.為學生提供真實模型

3D打印技術的主要優(yōu)點是可以方便、快捷地將各種形狀和復雜結構的模型打印成真實的物體。利用這一優(yōu)勢，教師可以提供多種真實模型供學生學習和觀察，以此讓學生可以直觀地觀察到模型的內(nèi)部結構，有效理解其工作原理。

4.激發(fā)學生參與熱情

3D打印技術作為一種新型技術，很容易吸引學生注意力，激發(fā)學生的學習興趣。在實際教學中，教師可以利用學生對新技術的好奇心理，鼓勵學生獨立建模，并將學生制作成功的模型在課堂上直接打印出來，以此讓學生收獲成就感，強化學生的學習體驗感，促使學生愿意積極主動地參與到課堂學習中，并能很快進入深度學習狀態(tài)。

五、3D打印技術在高校機械制圖教學中的創(chuàng)新應用

1.3D打印技術有助于抽象課程內(nèi)容具體化

機械制圖專業(yè)的課程體系繁雜，內(nèi)容枯燥、理論性強，如“機械制圖”和“機械制圖基礎”是高職機械專業(yè)的基礎課，其對學生的空間想象能力、抽象思維能力、邏輯思維能力等都有較高的要求，具有一定的學習難度。在以往教學中，大部分教師都采用多媒體技術、PPT、網(wǎng)絡課程等教學方法以圖像或視頻等方式向?qū)W生展示機械模型的內(nèi)部結構和工作原理。學生雖然也能看到機械模型的結構，但是圖像或視頻還是不如實物那么形象、直觀和具有視覺沖擊力。將3D打印技術應用于高校機械制圖教學后，教師可以將一些理論知識和抽象知識具體化地展示出來，從而有效彌補以往教學模式的不足，有效增強學生對相關知識的認知和理解，提升學習效果。例如，教師可以把3D打印技術應用于相貫線、齒輪系、凸輪等課程中，將教學內(nèi)容中的抽象內(nèi)容以實物的形式直觀地展現(xiàn)出來，以此促進學生對相關知識的理解，提高學生的空間想象力，有效提升機械制圖專業(yè)課程的教學效果。

2.3D打印技術有助于學生理解與機械設備相關的知識

機械制圖專業(yè)課程中不僅涉及大量的抽象機械知識，還包括諸如凸輪、齒輪、軸承、彈簧等制圖模型的內(nèi)容。在以往教學中，大部分教師都是通過PPT圖片的方式進行課堂教學，這種方式不夠直觀和真實，學生很難真正理解相關知識，常常會出現(xiàn)學習興趣不高、學習效果不好等問題。將3D打印技術應用于高校機械制圖教學后，教師可以利用3D打印技術為學生制造出各種實物模型，如凸輪、齒輪、軸承、彈簧等這些與機械設備密切相關的物品模型，讓學生直觀、清晰地看到這些模型的樣子，以此幫助學生理解機械結構相關理論知識，學好機械制圖專業(yè)課程中與機械設備密切相關的知識。

3.3D打印技術有助于機械模型的結構可視化

教師在講授機械制圖專業(yè)課程時，常常需要借助教具來幫助學生理解某些機械模型的復雜結構，如機械的內(nèi)部結構、機械的組成、機械的工作原理、機械的運動學和力學原理等。在以往教學中，由于受到技術水平的限制，教師往往只能通過一些固定的課件或者教材來進行機械內(nèi)部結構的講解，這種靜態(tài)的講解無法體現(xiàn)出機器的移動，學生看不到機械運動的軌跡，因此學生對這部分知識的理解往往只能依靠想象力來實現(xiàn)，這導致學生的學習效果難以保障。將3D打印技術應用于高校機械制圖教學后，教師可以利用3D建模形成可視化的教學方式，使這一困惑得到有效改善和解決。

4.3D打印技術有助于學生模型制圖思想的強化

在以往的教學中，教師只能通過實際操作來指導學生完成模型制造，這種教學模式只適用于簡單的模型制造教學，對于那些結構較為復雜的模型，教師很難指導學生在有限的課堂教學時間內(nèi)完成相應的知識學習。將3D打印技術應用于高校機械制圖教學后，教師可以利用3D打印技術進行課堂引導，將機械制圖與實踐聯(lián)系起來。教師可以利用3D打印技術直觀地表達制圖或數(shù)據(jù)上的物理模型，以此幫助學生更全面地觀察模型的結構細節(jié)，方便學生在建模時發(fā)現(xiàn)自己的知識漏洞，并針對模型中發(fā)現(xiàn)的問題采取有針對性的補救措施。在實際操作和修改作品的過程中，學生的模型制圖思想會不斷得到深化，學生對機械專業(yè)知識的嚴謹性和規(guī)范性的認識會逐漸提升，這對其今后走向工作崗位、滿足崗位需求起著至關重要的作用。

5.3D打印技術有助于學生模型制圖和繪圖能力的提高

在機械制圖專業(yè)課程中，模型制圖和繪圖是學生需要重點學習的知識內(nèi)容，也是本課程的難點所在。將3D打印技術應用于高校機械制圖教學后，學生在進行模型制圖和繪圖時，不再是單向地接受教師的思想，而是從“被動學習”轉(zhuǎn)化為“主動探索”，將工業(yè)課程轉(zhuǎn)化為更加具體形象的知識內(nèi)容，學生的創(chuàng)新靈活性也大大增強，學習效果也更為理想。

六、結語

綜上所述，3D打印技術是一項新興的先進制造技術，在教育領域的應用越來越廣泛。3D制圖及3D打印技術對于高校機械制圖教學來說，是一種很好的輔助教學工具。3D打印技術在高校機械制圖教學中的應用，不僅可以很好地解決知識的抽象性導致學生學難以理解相關知識的問題，還能有效激發(fā)學生的學習興趣，提高學生的實際應用能力，提升學生的學習效果。

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Research on Mechanical Drawing Teaching in Colleges and Universities Based on 3D Printing Technology under the Background of Mass Rntrepreneurship and Innovation

Wang Zhenhuan

（Binzhou University， Shandong Binzhou 256600， China）

Abstract： Integrating 3D printing technology into the teaching of mechanical drawing in colleges and universities helps to stimulate students' learning interest， improve students' spatial imagination ability， cultivate students' creativity and effectively improve the teaching effect of mechanical drawing course. Starting with the overview of mechanical drawing teaching， this paper analyzes the development process of 3D printing technology， summarizes the problems existing in mechanical drawing teaching in colleges and universities， defines the advantages of 3D printing technology in mechanical drawing teaching in colleges and universities， and puts forward innovative application ideas of 3D printing technology in mechanical drawing teaching in colleges and universities， in order to provide a new perspective for the reform of mechanical drawing teaching mode in colleges and universities.

Key words： 3D printing technology; mass entrepreneurship and innovation; mechanical drawing; teaching strategies; teaching research