3D打印在机械类课程教学中的应用研究

顾宗磊　康与云　李秋实　史松霞　张建梅

【摘 要】3D打印是近年来发展很快的技术，已经逐步进入民用领域，本文介绍了一种把3D打印运用在机械类课程教学中的一种方法，并在教学过程中进行了实践，取得的了比较理想的教学效果。

【关键词】3D打印；机械教学；教学模型

3D打印（3DP）即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。[1]

本文中使用的3D打印，指的是使用PLA或ABS塑料材料的打印机，其造价低廉，打印成本很低，成型快，可以按需定制，在模具制造、工业设计等领域中应用广泛。而在机械专业教学中有很多专业课中需要实体与模型，造价高不说，而且使用上不能灵活更改，3D打印机的出现，解决了这个问题，以下面制图教学为例，进行了实验。

机械类课程（如机械设计）作为工科专业必修课，其教学方法与手段随技术的发展不断变革，从早期的挂图、实体模型加粉笔三角尺加黑版教学方式，到现在的网络模型库、慕课视频加课堂多媒体课堂教学方式，一直在进步。但因为在教学过程太依赖于网络和计算机，现在的制图教学出现了很一些新问题，主要有：1.多媒体课件的播放速度太快 ，影响学生的思考时间，反而不如黑板加粉笔的教学方式；2.微课视频，网络模型库需要学生能上网，有自己的计算机，但是现在很多大学在大一都是限制带计算机的；3.即使学生有计算机，多数还是以游戏为主，很少课下学习，学生兴趣不大。

对于第一点，笔者在每堂课后都会及时听取学生反馈，根据学生实际理解程度选择什么时候用粉笔，什么时候用课件，二者相互结合。对于第二和第三点，笔者除了及时申请对学生开放学院的机房外，并根据学校现有的条件，在教学中加入3D打印的内容，用于替代教学中常用基本体、组合体模型。

3D打印的模型相对于传统教学模型来说：一是，制作灵活，可以按需定制；二是，相对轻便，大小自由控制，而传统模型一旦采购完成，很难再改变形状和大小，笔者现有过去采购的模型相对较重，重新购买费时费力。

学校在去年，新建了3D打印实验室，购置了高档和低档3D打印机数台，主要用于研究和学生学习，为这次教学尝试提供了条件。2015届机械类专科学生共有6个班，分为两个教学班，为了对比，笔者选择其中一个教学班进行实验（实验班），另一个按常规教学方式教学（对比班）。

在教学过程中，找出一部分感兴趣的同学，首先教会他们如何使用3D打印机，然后把一些常用的模型让学生自己打印出来。当学生遇到不会的问题如组合体、相贯线等问题，可以自己建模打印，打印好的模型学生可以自己带着，也可以放在课堂，自习室或宿舍，让所有同学传看，并在课堂上展示讨论。

同过打印的模型，学生的学习兴趣有了很大提高，上课提问的积极性出勤率提高了很多，在讲相贯线和组合体等一些较难的问题时，比以往轻松了不少。

在学期结束后，两个教学班使用同样的试题测试，最终成绩对比如表1。

从表中可以看出，实验班比对比班平均分高了9分，高分段人数集中在[90，80）区间，而对比班分数集中在[70，60]区间，从成绩来看，实验结果比较理想的，达到了实验的目的，证明了方法的可行性。

结果很理想，但是过程中也有很多不足之处：1.受设备限制，并没有让更多的学生参与进来；2.实验过程表明，并不是所有的学生都喜欢这种方式；3.时间关系，数据有限，需要更多时间去积累；4.组织方式有待改善。

以上，就是笔者对于在机械专业教学中运用3D打印的一次教学尝试。通过实验，提高了学生的学习兴趣，解决了部分学生在学习中空间思维想象力培养的问题，从期末成绩中来看，结果比较理想。虽然过程中有很多不足，但不失为一次良好的教学方式。同时可推广到其他用到用到模型的机械类课程中，比如机械制图、机械原理等其它课程。

【参考文献】

[1]全球首款3D打印金属手枪问世成功发射50枚子弹[OL].新华网，2013-11-9.

[责任编辑：杨玉洁]