浅析3D打印技术在机械类教学的应用

卢亚萍+杨庆文+杨华+胡金成

摘 要 本文在查阅大量文献和调研的基础上，在传统机械类教学架构和3D打印技术的基础上，分析机械类教学中如何更好的应用3D打印技术。

关键词 3D打印 机械 教学

中图分类号：G434 文献标识码：A

机械制造业是当前世界快速发展的一大产业，机械行业先进制造技术正快速取代传统的制造技术。当前我国已进入全球制造业大国行列，但机械行业技术技能人才的缺乏已严重制约了产业的发展。机械类人才教育问题需要进一步提高，在传统教学方法的基础上，尝试使用3D打印技术于课堂，培养创新型、实践型机械人才。

1 3D打印技术概况

“3D打印”是通俗的叫法，学术名称为快速成型（Rapid Prototyping，RP）技术，是一种不再需要传统的刀具、夹具和机床就可以打造出任意形状，根据零件或物体的三维模型数据通过成型设备以材料累加的方式制成实物模型的技术。相较传统制造业，3D打印突破了设计和制造的局限性，可同时生产多个设计迭代，且无需昂贵生产模具，通过3D打印建模，小型设计和工程公司可以直接验证创意，在设计初期改正原型错误、提升其质量、避免损失；3D打印的意义在于可能会导致一种新的高智能数字制造装备产业的形成。

2 3D打印技术在教育教学中的应用

3D打印在教育领域的应用主要分为两种，一种是开设3D打印相关的课程，让学生学习和掌握3D打印的基础知识和基本技能，设计产品，快速实现设计和创新理念，满足设计的需求，实现虚拟世界与现实世界的链接，提高学习者的创新能力。另一种是在教学中运用3D打印，为学习者创造学习环境。

2012年12月，国外开始将3D打印机用于教育，以满足师生快速制造完善的模具的体验。3D打印不像普通的打印机一样，它需要特殊的材料，长时间积累的经验和专门的培训，为打印做准备。3D打印的东西不应该仅仅是学校的展品，应该是能激发学生的想象力和创新的能力。

近两年来，很多学校开始购买3D打印机作为教学设备。2014年12月，山东工艺美院举办3D打印成果展，包括了数字艺术、动漫、陶瓷设计等作品。北京航空航天大学与中航工业集团合作，用3D打印生产飞机钛合金大型主承力结构件，3D打印技术在我国航空领域开始应用。西安交通大学将3D打印技术应用在医疗方面，制作了部分骨骼产品，并投入使用。

3 3D打印技术在机械类教学中的应用研究

3D打印技术应用在机械类教学中，可以大力改革教学方法和手段，创造条件使学生较早地参与岗位实践和创新活动，引导和增强学生动手能力和发现问题、分析问题、解决问题的能力，提高教学质量。

3.1 3D打印技术在机械类教学中的推广应用价值

3.1.1营造真实的学习环境

在常规的多媒体教学中，老师运用图片、动画、视频、音频等为学生营造信息化教学环境。与传统的教学环境相比，给予学生更好的视觉和听觉刺激。但是学生看到的都是平面的，缺少更为形象、直观的真实物体的感知。3D打印支持的教学环境，能够改善传统教学单一的学习环境，提供真实形象的教学环境。3D打印技术应用到机械制造领域，如利用3D打印技术制造的飞机螺旋桨等。3D打印技术应用在机械类教学中，可为师生提供3D打印的逼真的船体结构、复杂机械结构等，真实的学习环境使抽象的学习变得具体化、形象化，提高了学生的理解能力和教学效果。

3.1.2提高学生的创新能力

3D打印技术又称快速成型技术，不需要其它机械或模具，就能直接从计算机图形（数字模型）快速打印成真实的三维模型，提高了产品的生产效率、使学生更容易掌握和理解。学生利用3D打印技术，可以开拓眼界，启发思维，自由创作，对于专业课的学习也会更加感兴趣。开设3D打印基础课，让每个机械类学生掌握3D打印技术的基本技能。再根据不同的专业，为学生提供恰当的3D学习环境。3D打印使学生自己的设计理念变为真实的模型成为可能，一方面通过真实的模型，发现设计的不足，降低设计出错的概率，便于进行修改。另一方面学生的设计得以实现，吸引学生的学习兴趣，增强学习的成就感，激发学习的热情。学习者变为知识的主动建构者，促进课程改革，有助于提高学生学习的积极性和创新性。

3.1.3增强学生的参与度与协作能力

3D打印营造的教学环境，为学生的探究协作学习提供了很好的条件。利用3D打印的教学模型，可以使机床结构、机械制图、机械制造、机械原理等课上，学生难以对复杂的结构、原理、功能可以有清晰的认知，也可以在老师的引导下，让学生在学习基本知识的基础上，分组利用3D打印技术自己制作结构件。这样通过探索、发现、想象、实践等环节进行自主学习，从传统的填鸭式教学变为自主探究实验学习。学生在主动参与、协作探究的过程中，不仅能获得知识经验，对知识有更深层次的理解，也能激发学习者的学习动机，培养学生协作能力，使学生进行更有意义的学习。

3.1.4满足学生要求，学习科技新技能

对于科技的发展，未来3D打印技术也将像计算机技术一样普及，所以开设3D打印技术的课程、建立3D打印实训室，使学生学习掌握新科学技能，亟需实现。

3.2 3D打印技术在机械类教学中的应用思路

3D打印技术在航空航天、机械制造、医疗等方面取得了显著成绩。蚌埠市各高校也开始将3D打印技术开设课程，蚌埠学院开设了《快速成型与逆向工程》，安徽财经大学将3D打印用于课堂产品设计的模型展示，安徽电子信息职业技术学院将3D打印用于模具制造专业课程中并组织学生参加3D打印的比赛。随着3D技术在高等职业教育中的应用，学校更应加快步伐。

3.2.1利用3D打印技术对机械制图教学——从平面制图转向三维建模

在传统的机械制图课程中，粗略地说可以分为以下几个部分：制图基础知识、三视图基础、机件的表达方式、零件图和装配图。学习的主要目标是学生在领悟机械制图国家标准的同时，学会识图和绘图。教学过程是将制图标准等理论学习与计算机辅助制图的操作训练结合起来，而计算机辅助制图通常广泛采用的AutoCAD的二维制图手段。

机械类学科教育中机械制图教学是一门重要的技术基础课程，对学生的机械素质和专业素质的培养很重要。将SolidWorks纳入学习范围，通过三维建模软件的学习，输出SolidWorks零件或装配体文档为STL文件时，用这种格式输入3D打印机直接快速成型实体模型，增强学生学习机械的兴趣。

3.2.2利用3D打印技术对机械设计教学—从设计转向实物

传统的机械设计中，我们仅按照书本知识介绍。利用3D打印技术，可以将一些复杂的机械机构通过3D打印的形式展示给学生，使他们有更清楚的感官认识。3D打印突破了设计和制造的局限性，学生也可以将自己的机械设计，通过3D打印建模，可以直接验证创意，在设计初期改正原型错误、提升其质量、避免损失，使设计向实物转化。

参考文献

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