“計算機輔助設(shè)計”與3D打印相融合的創(chuàng)新教學(xué)方法研究＊

劉煒，李彪

(江蘇科技大學(xué)能源與動力學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212100)

0 引言

“計算機輔助設(shè)計”是輪機工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，區(qū)別于一般的機械類專業(yè)，該課程在前期教學(xué)中已經(jīng)由單純講述軟件的使用及操作，如AutoCAD、SolidWorks等，變?yōu)檫M行虛擬設(shè)計，使用的軟件也不是單獨一種，而是幾種軟件的綜合。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中更偏重使用技巧的訓(xùn)練，如畫好一個較為復(fù)雜的零件是長期以來教學(xué)中的重點，而對課程與專業(yè)如何更好地結(jié)合考慮較少。這會帶來一些問題，如畢業(yè)生去船廠工作，會發(fā)現(xiàn)找不到很好的支撐點。輪機工程專業(yè)既要重視設(shè)計，又不能教條。教學(xué)團隊梳理了現(xiàn)存問題，主要包括：①課程原教學(xué)方式以操作訓(xùn)練為主，沒有激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維；②課程原教學(xué)內(nèi)容多以軟件為主，對前期所學(xué)課程融會貫通的效果不佳。如果想讓專業(yè)學(xué)生在高等級學(xué)科競賽或知識產(chǎn)權(quán)等方面獲得進步，必須對輪機工程專業(yè)“計算機輔助設(shè)計”課程進行教學(xué)改革。

國內(nèi)外3D 打印服務(wù)于教育的應(yīng)用研究現(xiàn)在已經(jīng)在開展。云南農(nóng)業(yè)大學(xué)做了基于3D 打印技術(shù)的機械類課程教學(xué)改革[1]，使學(xué)生更好地掌握復(fù)雜工件的畫法和特點，掌握零配件設(shè)計的要領(lǐng)。太原科技大學(xué)開展了3D 打印與機械類專業(yè)教學(xué)相融合的研究[2]。北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院開設(shè)了“數(shù)字化設(shè)計與3D 打印”的第二課堂，來提升學(xué)生的專業(yè)興趣[3]。南通理工學(xué)院開設(shè)了“3D打印技術(shù)理論與實踐”公共選修課，為學(xué)生普及3D打印知識，拓寬學(xué)生的知識面[4]。

3D 打印技術(shù)是快速成形技術(shù)的一種，使用塑料、粉末狀金屬等粘合材料來逐層構(gòu)造物體。桌面級3D打印機已經(jīng)被廣泛使用，它有著方便、小巧等優(yōu)點，操作簡單化[5]。本課題所用3D 打印機為Ultimaker 打印機，配合Ultimaker cura軟件使用，如圖1所示。

圖1 Ultimaker打印機及軟件

Ultimaker cura 是一款3D 打印軟件，與CAD 軟件集成以簡化工作流程，或進入自定義設(shè)置進行深度控制。Cura 的核心是功能強大的開源切片引擎，可以通過stl 格式文件與Solidworks、AutoDesk Inventor 等軟件進行交互。切片的過程就是對模型的分析過程，可以判斷模型是否適應(yīng)當(dāng)前3D 打印機的打印工作。學(xué)生設(shè)計的零件或者管路模型，都能夠通過格式轉(zhuǎn)換為stl文件，由cura軟件打開，進行切片分析并打印。

1 教學(xué)內(nèi)容的改進

針對本課程偏重技巧訓(xùn)練而與專業(yè)結(jié)合不好的問題，在課程內(nèi)容設(shè)置時，除軟件操作外，新增輪機專業(yè)設(shè)備與管路系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容，擴展了課程教學(xué)的外延。學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，課后也會花時間鉆研增加的學(xué)習(xí)內(nèi)容。設(shè)備結(jié)構(gòu)的展現(xiàn)、了解、熟悉和掌握，可以初步的聯(lián)系前期所學(xué)課程，如“傳熱學(xué)”，“流體力學(xué)”、“船舶輔機”等。部分船舶管路系統(tǒng)的引入，提升了虛擬設(shè)計的完整性，并且以船體為背景，可以提升學(xué)生對船舶整體的認知。

增加3D 打印環(huán)節(jié)，課堂課后作業(yè)，同時鼓勵學(xué)生通過對設(shè)備的研究，自主繪制設(shè)備零部件，繪制輪機系統(tǒng)組成管路，在參考原有設(shè)計的基礎(chǔ)上，鼓勵學(xué)生綜合所學(xué)知識進行改進設(shè)計，選擇其中優(yōu)秀的予以打印。

2 教學(xué)方法的改進

利用項目驅(qū)動教學(xué)法和翻轉(zhuǎn)課堂，項目教學(xué)法是在建構(gòu)主義指導(dǎo)下，通過實施一系列完整的教學(xué)項目，將理論和實踐有機地結(jié)合。項目教學(xué)法與傳統(tǒng)教學(xué)教師為主導(dǎo)按教學(xué)內(nèi)容組織教學(xué)相對，是以學(xué)生為主體、項目為載體實施教學(xué)，其強調(diào)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。翻轉(zhuǎn)課堂，指依托于現(xiàn)代信息技術(shù)，重新規(guī)劃課堂內(nèi)外時間和安排教學(xué)內(nèi)容，將學(xué)習(xí)的決定權(quán)從教師轉(zhuǎn)移給學(xué)生，以學(xué)生學(xué)習(xí)為核心、教師傳授為輔助的新教學(xué)模式[6]。

按照輪機工程專業(yè)所涉及的項目的討論—設(shè)計—3D打印流程，在其中引入教師科研環(huán)節(jié)中用到的船舶設(shè)備改進方案和系統(tǒng)設(shè)計圖紙，進行產(chǎn)—學(xué)—研—教學(xué)等活動的結(jié)合。將科研與教學(xué)相結(jié)合，科研項目中的一部分知識結(jié)合教學(xué)，使得學(xué)生能夠明白正在進行的教學(xué)活動與未來自己的研究工作息息相關(guān)，提高了學(xué)生的認識，從而使學(xué)生的主動性得以激發(fā)，在接下來的翻轉(zhuǎn)課堂中，教師基本不用引導(dǎo)，學(xué)生會自主的通過討論將設(shè)計結(jié)果提出，并且爭先恐后地解說自己小組的設(shè)計。

教學(xué)組織環(huán)節(jié)，在設(shè)備零件虛擬設(shè)計或者船舶管路系統(tǒng)設(shè)計教學(xué)階段，將學(xué)生分為多個小組，對設(shè)備零件或者管路系統(tǒng)的設(shè)計進行討論，教師采用啟發(fā)式教學(xué)，對原有設(shè)計提出修改意見，讓學(xué)生分組討論是否可行，各小組可以將設(shè)計的結(jié)果，提交給教師，進行3D 打印，然后基于打印出來的模型，對比討論各組設(shè)計的優(yōu)缺點，從而激發(fā)學(xué)生鉆研和探索的興趣。零件作品如圖2，圖3所示。

圖2 螺旋槳葉片模型與3D打印結(jié)果

圖3 機械零件模型與3D打印結(jié)果

輪機工程專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)未來的工作方向在于船舶輪機系統(tǒng)建造，“計算機輔助設(shè)計”不能僅僅局限于訓(xùn)練軟件畫圖技巧，而需要開拓學(xué)生思維，對所學(xué)知識進行融會貫通。

3 教學(xué)實例——輪機管路系統(tǒng)的討論、設(shè)計與3D打印

分油機周圍的管路一向以復(fù)雜著稱，教學(xué)中將這一題目分組設(shè)計，按照流體管網(wǎng)設(shè)計要求進行討論，結(jié)合管路布置工藝合理性要求，各小組提交管路設(shè)計，再進行綜合討論，選出沿程阻力損失小，工藝合理并且美觀的管路設(shè)計進行3D打印，結(jié)果如圖4所示。

圖4 分油機管路設(shè)計3D打印結(jié)果

通過教學(xué)環(huán)節(jié)，將翻轉(zhuǎn)課堂理念貫穿學(xué)生討論、設(shè)計和3D 打印的全過程，學(xué)生主動性大大提高，改變了被動學(xué)習(xí)的習(xí)慣。

4 教學(xué)效果與評價

經(jīng)過2020 年與2021 年輪機工程專業(yè)兩屆大三學(xué)生參與的“計算機輔助設(shè)計”教學(xué)改革，結(jié)果證明，與3D打印相融合的課程教學(xué)效果良好。首先，課程的平均成績明顯提高，優(yōu)良率兩年都保持在55%，其次，專業(yè)學(xué)生參與科技競賽的熱情與參與度不斷提升，兩個年度共獲得省級以上科技競賽獎勵55項，其中與計算機輔助設(shè)計相關(guān)獎項21 項，較前一年度有了明顯提高；多人次參與撰寫申報發(fā)明專利，并獲得授權(quán)發(fā)明專利二項；此外輪機專業(yè)學(xué)生從事專業(yè)技術(shù)類工作的比例不斷提高，20，21 年畢業(yè)生從事專業(yè)技術(shù)工作接近100%，效果顯著。

5 結(jié)束語

“計算機輔助設(shè)計”與3D 打印相融合的輪機工程專業(yè)課程體系改革逐漸起步，將3D 打印融入輪機專業(yè)課程體系，不僅能培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力和創(chuàng)新意識，而且能為學(xué)校本科教育增加創(chuàng)新思維，教學(xué)組織形式多樣化，對本科生培養(yǎng)手段的增加具有重要意義。

將3D 打印應(yīng)用用到“計算機輔助設(shè)計”教學(xué)中，學(xué)生可直接通過3D 打印機完成計算機輔助設(shè)計和制造的全部過程，對于設(shè)備相關(guān)課程“船舶輔機”、“船舶柴油機”，“流體力學(xué)”和“傳熱學(xué)”等專業(yè)課和專業(yè)基礎(chǔ)課增加了理解，又能體驗新生事物帶來的樂趣，3D 打印既操作簡單安全，又趣味性十足，學(xué)生可以按照自己的設(shè)計打印出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的作品，并且可以隨時調(diào)整和更改設(shè)計，過程中有討論，也有爭辯，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，提升團隊合作能力，并提高學(xué)習(xí)興趣。

3D打印技術(shù)包含很多學(xué)科的交叉知識，涉及設(shè)備運行調(diào)試學(xué)科，材料學(xué)科、金屬加工學(xué)科、自動化控制學(xué)科，三維實測學(xué)科等。這些領(lǐng)域?qū)τ谳啓C專業(yè)學(xué)生是較為陌生的學(xué)科領(lǐng)域，接觸的過程中，開拓了學(xué)生的視野，吸引了學(xué)生的注意力，學(xué)有余力的學(xué)生會將精力投入其中，進行科學(xué)研究。