基于3D打印技術(shù)的新工科“工程圖學(xué)”課程體系建設(shè)

楊磊 張聰 陳云

［摘 要］ 立足于新工科背景，總結(jié)當(dāng)下“工程圖學(xué)”課程的教學(xué)現(xiàn)狀，探討將3D打印技術(shù)融入“工程圖學(xué)”課程教學(xué)，并結(jié)合三維建模與大學(xué)生各類競賽，共建“工程圖學(xué)”課程教學(xué)體系。通過在“工程圖學(xué)”課程教學(xué)過程中，增加3D打印技術(shù)中的三維建模、打印以及實(shí)物模型觀測等環(huán)節(jié)，講解其原理并讓學(xué)生實(shí)際操作，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情并提高學(xué)習(xí)專注度，使其深入理解工程圖學(xué)的知識要點(diǎn)。此外，可以引導(dǎo)學(xué)生利用3D打印技術(shù)參與競賽，達(dá)到以賽代練的目的。同時，結(jié)合3D打印技術(shù)提出將工匠精神融入課程思政。

［關(guān)鍵詞］ 新工科；工程圖學(xué)；3D打印技術(shù)；課程建設(shè)；課程思政

［基金項(xiàng)目］ 2020年度教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“面向新時代3D打印課程的建設(shè)”（202002232004）

［作者簡介］ 楊 磊（1988—），男，江西南昌人，博士，武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事工程圖學(xué)和3D打印研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）18-0149-04［收稿日期］ 2022-02-18

引言

“工程圖學(xué)”是所有工科類專業(yè)的一門必修基礎(chǔ)課程，其目的在于教授學(xué)生閱讀和繪制圖樣。然而由于該課程的理論知識比較抽象，并且實(shí)際繪圖過程十分考驗(yàn)學(xué)生的空間想象力，因此該課程一直是工科學(xué)生“又愛又恨”的一門課程。

我國現(xiàn)代工程圖學(xué)是在1963—1980年期間形成的，并在1980年之后得到了飛速的發(fā)展［1］。目前“工程圖學(xué)”教學(xué)的基本思路是利用多媒體手段讓學(xué)生學(xué)會識圖、繪圖等基本技能，該理念在近40年里得到了不斷的發(fā)展。然而，隨著我國工業(yè)水平的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)教學(xué)方法難以滿足學(xué)生對于圖形知識的需求。此外，學(xué)生在學(xué)校學(xué)習(xí)的知識也難以達(dá)到企業(yè)對于工程人員的要求。本文旨在通過“工程圖學(xué)”的新型教學(xué)方法，探索新工科“工程圖學(xué)”課程體系建設(shè)，并在此基礎(chǔ)上討論3D打印技術(shù)在“工程圖學(xué)”課程體系中的作用。

一、 “工程圖學(xué)”課程現(xiàn)狀

（一）制造業(yè)發(fā)展對“工程圖學(xué)”的要求

隨著我國制造業(yè)的蓬勃發(fā)展以及設(shè)計軟件的更新，機(jī)械設(shè)計及工程人員的看圖識圖方式已從20世紀(jì)80年代前的手工繪圖，發(fā)展到計算機(jī)二維圖紙，再到現(xiàn)在的三維圖形［2］。盡管二維圖紙在工程中至關(guān)重要（其中的圖紙信息包括各種公差、配合、工藝等），但是通過三維模型可以更加直觀地傳遞設(shè)計者的思想，并且三維模型也更容易應(yīng)用于實(shí)際加工中。以銑削為例，現(xiàn)代的數(shù)控銑削只需導(dǎo)入三維設(shè)計模型即可自動生成銑削路徑，因此圖樣這種工程界的語言不再局限于二維圖紙，而更多的是直觀的三維模型和三維標(biāo)注。

（二）高校課程現(xiàn)狀

目前高校“工程圖學(xué)”課程的教學(xué)仍以二維圖紙的識圖和繪圖為主，考試內(nèi)容也僅局限于手工繪圖，較少涉及計算機(jī)輔助繪圖和三維建模。此外，根據(jù)中國圖學(xué)學(xué)會圖學(xué)教育專業(yè)委員的調(diào)查研究，我國高校“工程圖學(xué)”的課時在不斷縮減［3］。以武漢理工大學(xué)交通類專業(yè)為例，“工程圖學(xué)”課程學(xué)時為56個，上機(jī)學(xué)時為16個。在如此短的時間內(nèi)要學(xué)會并理解機(jī)械制圖中的眾多知識點(diǎn)，并訓(xùn)練出良好的空間想象力是非常困難的。根據(jù)學(xué)生的反饋，工程制圖的學(xué)習(xí)呈現(xiàn)兩極分化的趨勢。部分空間想象力強(qiáng)的學(xué)生表示該課程在教師的引導(dǎo)下很容易學(xué)習(xí)，然而空間想象力較弱的學(xué)生則難以理解工程圖學(xué)中抽象的空間曲線和立體圖形的表達(dá)。

（三）教學(xué)方法改革現(xiàn)狀

針對“工程圖學(xué)”教學(xué)過程中的問題，國內(nèi)學(xué)者提出了許多教學(xué)改革方法，目前應(yīng)用較多的是線上線下混合式教學(xué)法，該方法通過建立以MOOC平臺為代表的線上教學(xué)資源，解決了學(xué)時數(shù)有限、課外實(shí)踐欠缺等難題，通過線上線下混合式教學(xué)法優(yōu)化教學(xué)資源［4］。此外，有學(xué)者提出小規(guī)模限制性課程改革方法［5］。該方法利用SPOC課堂“小”的優(yōu)勢，提高了教師和學(xué)生交互的次數(shù)，這很好地彌補(bǔ)了課時不足的缺陷。以上改革均是從優(yōu)化教學(xué)資源著手，但未能深層次地激發(fā)學(xué)生的興趣，部分學(xué)生線上課程掛機(jī)現(xiàn)象明顯，因此仍存在積極性不高的問題。

根據(jù)工程制圖教學(xué)改革實(shí)踐的調(diào)研結(jié)果，隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，有學(xué)者開始思考將3D打印技術(shù)應(yīng)用于課堂教學(xué)中［6］。根據(jù)盧帥等［7］人的應(yīng)用探索，通過將3D打印技術(shù)引入“工程圖學(xué)”課程教學(xué)，有利于培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的能力，調(diào)動學(xué)生的主動性，學(xué)生成績合格率較以往提高了15%左右。本文擬探討將3D打印技術(shù)融入“工程圖學(xué)”教學(xué)中，并結(jié)合三維建模與大學(xué)生的各類競賽，共同建立“工程圖學(xué)”教學(xué)體系。

二、基于3D打印技術(shù)的新工科“工程圖學(xué)”課程體系

3D打印，又稱增材制造，該技術(shù)將離散材料（流態(tài)、絲狀、粉末狀）逐層添加在一起，并連接或固化成三維實(shí)體，給航空航天、制造業(yè)、生物醫(yī)療等行業(yè)帶來了深刻的影響。如圖1所示，3D打印技術(shù)是將三維模型離散切片并逐層疊加形成三維實(shí)體，是一種“三維—二維—三維”的過程，其與“工程圖學(xué)”點(diǎn)、線、面、體的教學(xué)方法具有一定的聯(lián)系，將3D打印技術(shù)融入課堂教學(xué)，特別是工程圖學(xué)的學(xué)習(xí)中，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，增強(qiáng)學(xué)生的綜合能力。

基于3D打印技術(shù)的新工科“工程圖學(xué)”課程體系如圖2所示，以點(diǎn)、線、面、體的關(guān)系等課堂知識點(diǎn)為基礎(chǔ)，通過三維CAD輔助學(xué)習(xí)，采用3D打印模型及技術(shù)，借助大學(xué)競賽逆向激勵，構(gòu)建基于3D打印技術(shù)的新工科“工程圖學(xué)”課程體系。在“工程圖學(xué)”教學(xué)過程中，3D打印技術(shù)可以將教學(xué)內(nèi)容中抽象的圖形具象化、可視化，調(diào)動學(xué)生的積極性，使學(xué)生獲得更多的認(rèn)知體驗(yàn)，提高課堂質(zhì)量。

（一）讓學(xué)生喜歡“工程圖學(xué)”

通過隨堂或課下制作3D打印教具，讓學(xué)生親自設(shè)計“工程圖學(xué)”課程中需要的模型或與專業(yè)相關(guān)的結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用桌面3D打印制造出所設(shè)計的模型，達(dá)到“所見即所得”的設(shè)計效果。這樣可以極大地調(diào)動學(xué)生的積極性，豐富教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生在課堂上不再感到枯燥。另外，“工程圖學(xué)”課程中除了識圖、繪圖，還有一個重要的知識點(diǎn)是尺寸的標(biāo)注及公差配合。課堂的講解難以讓學(xué)生真正理解尺寸鏈、公差帶等理論知識，但是通過裝配和拆卸3D打印制作的零件，可以加強(qiáng)學(xué)生對工程零件的認(rèn)識，提高學(xué)生對尺寸標(biāo)注及公差的理解，鍛煉學(xué)生的動手能力。

普通3D打印耗材價格不高，適合于學(xué)生制作競賽的作品。如圖2所示，基于3D打印技術(shù)的新工科“工程圖學(xué)”課程體系可以將大學(xué)生競賽引入課程體系，在教師的帶領(lǐng)下通過以賽代練的方法激發(fā)學(xué)生的潛能，更好地將工程圖學(xué)的知識體系與實(shí)際相聯(lián)系，使學(xué)生真正愛上“工程圖學(xué)”課程［8］。

（二）讓學(xué)生學(xué)會工程圖學(xué)

3D打印前需要進(jìn)行CAD輔助設(shè)計，而三維CAD也可以輔助學(xué)生學(xué)習(xí)工程圖學(xué)中識圖繪圖的理論知識，并且可以將口述及PPT難于表達(dá)清楚的內(nèi)容直觀地展現(xiàn)給學(xué)生［9］。如圖2所示，可以將工程圖學(xué)的部分課程轉(zhuǎn)移到機(jī)房或線上，使學(xué)生能有充分的時間學(xué)習(xí)三維CAD軟件。在進(jìn)行以PRO/E軟件為例的三維CAD軟件建模過程中，可以在操作過程中體會點(diǎn)、線、面、體之間的關(guān)系，并直觀地將空間曲線進(jìn)行投影。此外，也可以通過模型的旋轉(zhuǎn)來理解并掌握截交線、相貫線等在各個視圖中的特點(diǎn)。剖面圖的繪制是該課程的一個難點(diǎn)，學(xué)生普遍反映難以想象，通過三維軟件可以在零件或部件的任意位置進(jìn)行剖切，形象地展示剖面的形狀和位置。在學(xué)習(xí)和進(jìn)行三維建模的過程中，學(xué)生可以真正理解模型，在進(jìn)行一定時間的操作后，可以在腦海中勾勒出三維模型的形狀。此外，3D打印的逐層打印與剖切面很相近，在3D打印的過程中中斷打印可以得到某個物品剖切面的實(shí)物模型，將實(shí)物模型進(jìn)行展示，可以讓學(xué)生更好地理解剖視的概念。如此將課堂中的抽象知識點(diǎn)與軟件實(shí)操以及3D打印模型相結(jié)合的教學(xué)方式，可以讓學(xué)生更好地學(xué)習(xí)制圖，達(dá)到事半功倍的效果。

（三）專業(yè)實(shí)際應(yīng)用的3D打印技術(shù)教學(xué)

可以根據(jù)學(xué)生實(shí)際的專業(yè)背景，有針對性地制作一些實(shí)際應(yīng)用的3D打印教學(xué)案例。如圖3所示，在面向交通運(yùn)輸工程專業(yè)的學(xué)生時，針對交通運(yùn)輸工具的輕量化問題設(shè)計內(nèi)部具有點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的夾層艙體結(jié)構(gòu)。這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)在通過“工程制圖”課程訓(xùn)練后，可以通過三維設(shè)計軟件參數(shù)，但利用常規(guī)制備工藝難以成形，唯有3D打印技術(shù)可以成功制備。這種新穎結(jié)構(gòu)不僅可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化，還可以實(shí)現(xiàn)減振、降噪等功能。通過這種針對不同專業(yè)的3D打印技術(shù)教學(xué)方式，可以將專業(yè)背景與課程完美融合。

（四）制圖與課程思政

本文結(jié)合3D打印技術(shù)提出將工匠精神融入課堂的課程思政思考，可以從以下兩個方面體現(xiàn)：（1）工程制圖中從點(diǎn)到線、線到面、面到體的過程與3D打印逐層疊加的思路如出一轍，反映出一種以少積多、量變引起質(zhì)變的工匠精神。大學(xué)是現(xiàn)代青年人生中最為寶貴的一段經(jīng)歷，也是最值得拼搏的一段時光，利用大學(xué)四年的時間努力積攢知識與技能將會助力今后的發(fā)展。（2）工程圖學(xué)中長對正、高平齊、寬相等以及精細(xì)的尺寸公差標(biāo)注反映了一種精益求精、一絲不茍的工匠精神，也間接說明工程圖學(xué)的發(fā)展與國家制造業(yè)的水平息息相關(guān)，直接影響到我國航空航天、軍事武器裝備等重大戰(zhàn)略發(fā)展行業(yè)，因此應(yīng)該加強(qiáng)學(xué)生的社會使命感。

結(jié)語

高等院?！肮こ虉D學(xué)”課程的開設(shè)是為了讓工科類學(xué)生具備一定的識圖、繪圖能力。課堂教學(xué)、三維建模軟件的實(shí)操、3D打印技術(shù)三者相結(jié)合的教學(xué)方法不僅可以最大程度地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，也可以使其在實(shí)操中感悟知識點(diǎn)，更能鍛煉學(xué)生的動手能力。以3D打印為核心，鼓勵學(xué)生參加各類大學(xué)生競賽，以賽代練的方式更能刺激學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。因此，基于3D打印技術(shù)建設(shè)新工科“工程圖學(xué)”課程體系有利于學(xué)生掌握課程知識點(diǎn)及專業(yè)知識，進(jìn)一步拓展了課程內(nèi)容，可以形成教、學(xué)、做、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的一體化良性循環(huán)。

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Construction of Engineering Graphics Course System for Emerging Engineering Education Based on 3D Printing

YANG Lei， ZHANG Cong， CHEN Yun

（School of Transportation and Logistics Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan，

Hubei 430063， China）

Abstract： This article summarizes the current status of engineering graphics teaching， and based on the background of Emerging Engineering Education， explores the integration of 3D printing technology into the teaching of engineering graphics， and combines three-dimensional modeling with various college students competitions to jointly establish an engineering graphics teaching system. In the teaching process of engineering graphics， the design of the 3D model， 3D printing， and the observation of the physical model are explained and practically operated to mobilize the students enthusiasm for learning and increase the concentration of learning， so that they can deeply understand the main points of engineering graphics knowledge. Furthermore， guiding students to use 3D printing technology to participate in various competitions of various college students can achieve the purpose of “competition for training”. At the same time， combined with 3D printing， the idea of integrating “craftsman spirit” into curriculum ideology and politics is put forward.

Key words： Emerging Engineering Education; Engineering Graphics; 3D printing; curriculum construction; curriculum ideology and politics