浅谈3D打印技术在机械类课程教学中的应用

杨三艳+李艳

摘要：通过分析传统机械类课程教学过程中存在的缺点，探讨了在机械类课程教学实践中利用3D打印技术的过程和方法，并阐述了该教学理念在实践教学中的作用和成效。

关键词：3D打印技术；机械类课程教学；应用

中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1672-5727（2014）10-0166-03

随着科学技术的不断发展以及先进技术在生活、科研等方面的广泛应用，众多院校纷纷将现代先进技术引入课堂教学之中。广州市工贸技师学院机械类专业教师在了解3D打印技术原理、总结3D打印技术功能的基础上，结合机械制造类专业中的机械制图、机械原理、机械设计等课程内容，大胆地提出将3D打印技术应用在机械类课程教学中的想法，通过一年来的课程教学收到了良好效果。

项目缘起

在传统机械类课程教学中，教师讲解机械零件的结构、形状、运动等，一般通过诸如挂图、图片、实物模型等教具开展教学。而这些教具通常存在一些问题，具体体现在以下三个方面：

第一，固定的、静态的机械教具（如挂图、图片）不能很好地反映机械零件的形状、结构、机械的运动原理和运动功能等。对于从事机械类专业课程教学的教师来讲，最困难的教学内容莫过于让学生了解机械零件的结构和基本原理，这就要求学生必须具备较好的空间想象力。然而，学生单靠挂图、图片等二维平面教具很难想象出零件的形状、结构以及运动功能。

第二，传统的机械实物模型成本较高。在传统的机械制图、机械原理、机械设计等课程教学过程中，教师通常采用实物模型教具让学生了解机械零件的结构、机构的组成、运动特点等内容，然而，实体模型教具毕竟有限，不可能反映所有教学内容；同时，为了使学生能充分理解教学内容，教师要专门购买或制作模型，费用成本较高。

第三，传统式的教学模式无法激发学生的学习兴趣。在大量的科学信息技术被引入课堂教学的今天，单靠教师讲、学生观摩实物模型、查看工程图等方式开展的教学已经很难引发学生的学习积极性，从而导致学生上课玩手机、打游戏、厌学等现象频频出现。

第四，传统机械基础课程教学课堂任务相对单一，且以大课堂为主，学生设计创新培养不足。在传统机械基础课程中，由于强调机械基础原理的认识，所以课程以知识输入为主，学生学习后的产出只能以书面形式的制图、作业为主，形式单一，且千篇一律，学生的设计与创新无法在课堂上体现，与现今推广的创新教育、个性化教育理念相悖。

机械类课程教学所采取的传统教学方式存在众多问题，特别是学生缺乏学习积极性，当学生遇到难以理解的机械结构和机械运动原理问题时就更不愿意学习了。为了解决学生学习积极性差、创造性思维不活跃等问题，学校教师尝试把学校购置的几款3D打印机用于实践教学，收到了良好效果。通过学生自主设计、亲手操作、验证产品合理性等步骤，大大提高了课堂的学习效率以及学生动手、动脑的积极性，进一步激发了学生的创造性思维和灵感。

3D打印技术简介

3D打印技术是一种以数字模型文件为基础，运用一定材质的可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。它无需机械加工或任何模具就能直接从计算机图形数据中生成任意形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期、提高生产率，降低生产成本。

目前，根据3D打印机使用材质的不同，可以将3D打印技术划分为高分子聚合反应技术、烧结和融化技术、粉末粘合技术、熔融沉积造型技术、层压制造技术、气溶胶打印技术、生物绘图技术等。

随着3D打印技术的不断发展，越来越多的领域已经将3D打印技术应用到了产品设计开发的过程中，目前主要用于航空工业、汽车工业、专业设计（产品设计和建筑设计的模型制造）、医疗外科（量身定做的矫正牙套、假牙、助听器）等领域。

教学实施过程及应用

为提高学生参与课堂教学的积极性，在利用3D打印技术开展机械类课程教学的过程中，教师一般将全班分成若干小组，一组4～6人，并要求以小组为单位进行3D作品的设计和打印。通过实践教学摸索，学校机械类教师总结出利用3D打印技术开展机械类课程教学的方法和步骤：

第一步，实物测绘、软件建模。由于3D打印机是以数字模型文件为基础的打印工具，因此，学生如要使用3D打印机打印作品，首先要做的事情就是利用机械绘图软件绘制出作品模型。对于中级班（初中毕业入读）学生来讲，学生只需要将看到的实物绘制成数字模型即可。而对于高级班（高中毕业入读）学生来讲，还必须进一步掌握机械运动原理以及机械设计。因此，对他们的要求是在绘制实物模型图的基础上进行不同造型，以开发他们的想象力和创意思维。让学生绘制模型和动画造型，对激发学习动机、掌握绘图软件技术起到了很好的作用。

第二步，打印3D模型。将绘制好的数字模型文件输入到3D打印机中，进行3D模型的打印。由于所有的3D测绘全由学生自己完成，因此，在精度上可能不够规范，会产生格式转换后的三维数据不准确的问题，如方向反转、产生缝隙、壁厚增加、多余几何形状、重复的面片等情况，而恰恰是这些问题为学生绘图水平的提升提供了很好的机会。针对这些特殊情况的出现，教师不仅可以根据打印过程中出现的问题为学生进行详细的分析和讲解，同时，通过各种问题的出现，可进一步向学生强调绘图要精确的作用和意义。

第三步，胚模修整。由于3D技术、材质、机型的不同，打印出来的3D胚模也有很大差异。为了节约成本，用于学生打印练习的3D打印机一般成本较低，使用的材质也为塑胶线条，打印出来的胚模在外观方面和精确度方面还不够好，需要对胚模进行修整，为接下来的零件装配做准备。

第四步，零件装配。打印出来的简单零件一般不需要装配，但是对于一些复杂零件（一般由多个零件体组成）仍需要进行装配。该步骤不仅可以锻炼学生的动手拆装能力，还大大地锻炼和提高了学生对机械原理、机械设计等方面的理解能力和想象能力。endprint

第五步，成品展示。随着学生在3D打印作品中制作水平和技术方面的提升，教师会通过让学生制作单个规则面零件体、单个不规则面零件体、多个规则面零件体、多个不规则面零件体等步骤让学生逐渐熟悉和掌握绘图和打印，在作品的展示方面，教师在评比时也有不同，对于简单的零件体，教师通过测量精确度来进行评价；而对于开放性的自由命题的组合零件体，教师则会通过评比零件体的功能和做工的难易程度来评分，这无疑可给热爱和有志于研究3D打印技术的学生充分的激励和信心。

项目作用及成效

通过一年来的教学实践，本校教师总结了3D打印技术在机械类课程教学中的作用和成效：

第一，提升了学生学习积极性。对于任何知识的学习，实践动手操作远比纯理论讲述更容易被学习者接受。由于技校多数学生是对理论学习具有排斥心理的“理论学习的失败者”，如果每天再让其在教室里学习理论，则难以激发其学习兴趣。通过3D打印技术在实践中的应用，不仅能够让学生亲身感受到实践动手的激情，同时也能激发他们潜藏已久的学习兴趣，并从职业学校学生擅长的实践领域体验到“学习的成功感”，从而激发其学习动机。

第二，激发了学生的创意灵感。通过要求学生根据所学的机械制图和机械设计等知识对作品自行设计（如学生自行设计的会变形的机器人、会跳的小青蛙、多彩的手机外壳等），并利用3D打印机对设计作品进行打印，有效地开发了学生的想象力，激发了学生的创意灵感，从而有助于培养创新型人才。

第三，增强了教学的实效性。在传统机械制图或机械基础课程中，教师在讲解组合体或介绍四杆机构等内容时，都是拿着一个模型给全班四五十人讲解，然后模型在每个学生手里传看一遍，再由教师引导学生进行理论课的学习。而现在通过3D打印机可以让高年级的学生动手制作模型，并同时实现了低年级学生人手一个模型，并可以对模型进行测量、绘制、分析机构的特点，大大提高了教学的效率。同时，对于机械专业高级班和技师班的学生，在进行传统的模具或夹具设计类课程时，有些学校只是让学生“纸上谈兵”，即仅仅让学生在图纸上进行设计；办学条件稍好的学校，会让学生自己加工出来，但在机床上用钢材加工成本较高，特别是当有些设计不合理时，所造成的浪费更大。我院首先让学生用3D打印机打印其设计的模具或夹具，在验证是否可行之后，再用精密机床进行加工，从而大大发挥了教学的有效性。

第四，节约了大量的教学成本。在传统的机械类课程教学中，很多教师都利用实物教具来进行教学，而一个实物教具价格都在百元以上，数量少，价格高，满足不了所有学生的需要。自从引进购买3D打印机之后，学院机械专业的基础课程不需要大批量购买教具，大部分教具是由高级班学生利用3D打印机打印而成的。自助打印的一个塑料制图模型大概成本为几毛钱，在大大节约教具成本的同时，也提高了学生的动手能力。

第五，促进了学生间的研讨与合作。由于3D打印机的引入，机械基础课可通过任务驱动的形式进行开展，通过布置目标要求等开放性的设计任务，学生可以小组的形式，通过合作与研讨，逐步在工作中掌握相关的机械基础要求，从而达到学生间的相互学习与促进，比只靠听和看的学习方法，学习效率提升达40%以上，此外，学生的合作意识也能得到培养。

第六，学生的提问意愿大幅提升，教师的工作重点从讲好课转移到解决疑问上。3D打印机的引入，大幅提升了学生的学习意愿，教师可不再为如何讲而发愁，因为学生在制作属于自己的学业成果过程中，个人成就感大幅提升，课堂从被动学习变为主动学习，教师可以把精力更多地有针对性地放在学生身上，给不同的学生提供“一对一”的专业指导，解决了学生学习效率差异而导致部分学生跟不上进度的问题。

随着3D打印技术的不断发展以及其在实践教学过程中的深入应用，相信它能够为现代技能型人才的培养发挥更大的作用。

参考文献：

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（责任编辑：王璐）endprint