3D打印在工程图学课程教学中的应用研究

卢帅　李瑞华　栗伟周

摘要：通过分析传统工程图学课程教学过程中存在的问题基础上，结合课堂教学和科研实践经验，研究了3D打印技术与工程图学课程教学的结合过程和方法。实践表明，通过3D打印实践教学环节的加入，提高了学生的空间思维能力、工程图的识图绘图能力与创新能力。该教学模式极大地调动了学生的学习积极性，提高了学生的学习兴趣，取得了良好效果。关键词：3D打印；工程图学；教学模式中图分类号：G642.0

文献标志码：A

文章编号：1674-9324（2018）20-0160-02 一、引言工程图学是工科类专业的一门重要技术基础课，涉及的理论知识既广泛又抽象。虽然计算机辅助教学已广泛应用于高校教学过程中，但多媒体教学手段属于平面效应，缺乏直观的立体感，教学中容易使学生产生视觉疲劳，影响学生主动学习的兴趣。3D打印技术作为一种新兴技术，目前已在医学、航空航天、机电工程、建筑设计、艺术设计等不同学科领域应用于辅助教学。3D打印将教学内容中的某些抽象概念或科学过程进行可视化展现，对激发学生直观形象思维、调动学生学习的积极性方面具有极大的促进作用，能使学生获得更多的认知体验，有效提高教学质量和课堂效率。二、当前工程图学课程教学现状工程图学担负着培养学生的空间想象和抽象思维能力以及制图能力的教学重任，图样是从事设计、制造等工程行业必备的技术语言。在传统工程图学课程教学过程中，教师讲解零部件的结构形状、装配关系时，一般是通过如PPT、教学模型、挂图等形式开展教学。但这种方式通常存在一些问题，体现在以下三个方面。1.挂图、图片等静态的教学工具不能很好地反映零部件的结构形状，零件之间的装配关系。在工程图学的教学过程中，对学生空间想象能力的要求是较高的，如果单靠挂图、图片等形式展开教学，学生很难想象出零部件的形状结构以及零件之间的组合关系。2.传统的实体教学模型展示效率不高。在工程图学课程的教学过程中，教师往往采用实物模型让学生了解零部件的形状位置以及结构组成等内容。然而这些实体模型的种类和数量很有限，不可能反映所有教学内容，课堂的展示效率不高。同时这些教学模型采购成本较高，需要花费很大的人力、物力、财力。3.无法激发学生的学习兴趣。传统的教学方法多以教师为主体，学生很少参与其中。在教室空间中只有教师一个人的声音，由于视听疲劳学生大都很难45分钟都集中精力，进而很难引发学生的学习积极性。虽然多媒体教学手段在工程图学的教学中发挥着重要作用，但部分老师还是采取“填鸭式”的教学方法，教学方式枯燥乏味且形式单一，无法做到启发学生深层次的思考，达不到培养学生空间思维和创新能力的目的。针对上述问题，本人在个人教学体会和吸取他人相关教学经验的基础上，面向培养理论知识和实践应用综合型人才的目标，探索将3D打印技术应用到工程图学的课程教学中，对工程图学课程的教学模式和方法进行改革实践和探讨。三、3D打印应用于工程图学教学中的可行性3D打印技术是以数字模型为基础的快速成型技术，3D打印能使学生直观的感受立体的空间结构和位置关系，3D打印模型相对于传统教学手段有很明显的优点。1.3D打印模型建立方式灵活多样，主流的设计软件如：Solidworks、Pro/E、CATIA、UG、Inventor等都可以方便地建立模型，不管模型复杂程度如何都可以通过3D打印机快速打印成型。2.3D打印模型制造周期短且相对灵活、简便，其大小、形状、结构均可自由控制，极大地提高课堂上的展示效率，而传统模型一旦采购完成，很难再改变其形状和结构。3.目前FDM型普通3D打印机的耗材主要是工程塑料，比如ABS、PLA等，价格在每千克几十元至上百元不等，相对于传统教学模型成本低很多。因此，将3D打印技术引入到工程图学课程教学中，不仅可以丰富教学内容，提高学生的学习兴趣，通过制作零部件实体，拆卸装配3D打印零部件来加强学生对实物的认识，提高识图和工程制图的能力，更激发了学生的创新思维，锻炼了学生的动手能力。其次由于FDM型桌面3D打印机不占空间、携带方便，而且制造耗时短，所以将3D打印技术引入到工程图学的课程教学环节中具有重要意义。四、3D打印技术在工程图学课程教学中的应用探索目前“工程图学”课程的教学可分为两个阶段，第一阶段为画法几何与工程制图基础的教学，通常开设在第一学期，第二阶段为计算机辅助绘图的教学，通常开设在第二学期或第三学期。本文提出理论课程和实践课程混合开设，通过将3D打印技术的引入来提高不同阶段的授课效果。1.针对第一阶段的画法几何与工程制图基础的学习，在投影基础与基本体及表面交线部分，授课重点与难点在基本体的截切与相贯部分。特别是对于立体与立体的相贯线，学生往往想象不出结构内表面的相贯形状。为此，本研究通过先将一些典型的基本体相贯结构模型建立出来，结合实验室的实际条件，使3—4个学生为一组，以小组为单位让学生把模型利用3D打印机打印成型，将典型结构的实体呈现在学生面前。这样，就能使每个学生清楚地观察、深入地学习，学生作图也就简单明了了。在工程制图基础部分，涉及组合体、零件图、装配体等诸多知识，对学生空间思维能力有很高要求，课程难度较大，很容易打消学生的学习积极性。为改变现状，结合新修订的培养方案，本课程探索与后续设计类相关课程的有效结合，因此引入减速箱、五轴机械臂等创新性、趣味性3D打印实验环节。通过设计一组几个零件构成的装配体装置并做出实体，通过实践得出结论，让学生更深入的理解部件的表达方法和相关技术要求，将所学知识运用到实际中。3D打印将抽象概念和设计引入现实世界，可以使学生在空间思维方面实现从抽象的立体结构向零部件实体转变；在分析和解决问题方面实现从形体分析法到构型分析法提高到零件结构分析方法的转变。2.针对第二阶段的计算机辅助绘图的学习，以往就是教师台上讲，学生台下练。但学生对绘图软件的使用能力参差不齐，教师也不可能兼顾学生的各自差异情况，只能按统一的进度、标准讲授。不同专业的学生对学习的目的和意义认识不一致，特别是非机类专业的学生认为绘图软件的学习没有必要，学习积极性不高。因此，本研究通过如：建筑模型、简单实用机械类机构装置、艺术类模型、时尚饰品类模型等3D打印趣味性实验，让不同专业的学生在认真学习计算机辅助绘图软件的同时，又充分享受3D打印的乐趣，提高学习的积极性和参与性，增强学生学习的成就感，变被动学习为主动学习。五、结语实践证明，将3D打印技术引入到工程图学的课程教学中，有利于培养学生主动学习的能力，能够充分调动学生学习的积极性、主动性。课程的开设开阔了大学生的视野，提高了学生分析问题解决问题的能力，锻炼了学生的动手能力和综合创新能力，为学生后续相关专业课程的学习以及将来投入到相关内容的工作岗位中奠定了坚实的理论与实践基础。该教学模式经过一个学年的尝试，学生成绩合格率较以往提高15%左右，取得了理想的教學效果。参考文献：[1]吴亚辉，张英琦.多层次开放型先进制造技术训练模式的探索与实践[J].实验室科学，2014，（5）：196-199.[2]王克欣，张红哲，梁延德，唐勇超.工程训练中心中设置“3D打印技术”实训课程的研究[J].实验室科学，2015，（4）：138-140.[3]宫霞霞，孙付春.基于应用型创新人才培养的机械制图教学改革探讨[J].教育与教学研究，2012，（5）：73-75.[4]兀旦晖，赵晨飞.3D打印技术在教学中的应用研究[J].课程教育研究，2013，（7）：185-186.[5]高奇，曾红，张德强.高校机械类实验课程的微课设计与应用研究[J].实验室科学，2016，（3）：61-63.[6]于玉真，董小雷，李志斌，刘彤晖.实践环节在机械制图类课程教学中的应用研究[J].教育教学论坛，2013，（33）：20-21.[7]高奇，曾红.基于快速制造技术的大学生创新性实验研究[J].实验室科学，2014，（10）：4-6.