3D打印技术及其对机械教学的应用

林桂平

【摘 要】3D打印技术在长期实践应用过程中，已经变得越来越成熟，为机械教学改革提供了全新路径，能够借助打印出的3D实物，更加直观地满足学生了解各种三维零件设计特点的需求，在方便教师教讲解抽象知识、激发学生学习兴趣、提高课堂教学效率等方面发挥着重要作用。文章简要介绍了3D打印技术，立足于中职机械教学现状，对3D打印技术的有效应用进行了探讨分析，以提供教学指导和借鉴。

【关键词】3D打印技术 机械教学 教学现状 有效应用

机械教学对学生空间思维能力有着较高要求，而传统教学模式下大多都是以二维投影视图方式，将三维零件图形呈现给学生，学生无法更加直观、清楚地了解到零件构造，学习效率较慢，不利于教学活动的高效开展。将3D打印技术应用到机械教学中去，可以有效改善这些问题，能够打印出真实的3D零部件，便于学生观察和分析，了解其结构特点，感悟复杂抽象的机械知识，进而其思维能力、设计能力、实践能力都能够得到提升。基于3D打印技术所体现出的多方面优势，应实现其在机械教学中的有效应用，提高教学水平和教学质量。

一、3 D打印技术简要介绍

3D打印即是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打印技术分为三维设计、切片处理和完成打印三个环节，首先应先根据打印需求设计3D模型，可借助3D软件实现，也可用三维扫描仪完成，然后按照固定维度的坐标轴将设计完成后的3D模型切片形成多个剖面，最后进行逐层打印，以立体实物形式将打印成果呈现出来[1]。利用3D打印技术可以打印出机器人、各种模型、日常生活用品等真实的3D物体，在工业制造、模具制造、零部件制造等方面得到了广泛应用，并且逐渐被引入到中职机械教学领域中，在提高教学质量和教学效率方面发挥着重要作用。

二、中职机械教学现状

对于中职机械设计与制作教学来讲，要求学生通过绘制图纸并动手实践的方式，将所学抽象知识转化为真实的零件，才能达到最终教学目标，在这过程中，对学生思维能力、空间能力、创新能力、动手能力都有着较高要求。但是，就当前机械教学实际情况来看，一般都是依托二维投影视图，引导学生通过空间想象将其转化为零件图和装备图，然后再完成零件制作。很多学生在最初学习阶段，并不具备较强的空间想象能力，再加上机械知识抽象化特点以及零件结构复杂性特点，都使得机械教学难度较大，学生在了解、感知、认识三维零件时比较困难，不利于教学活动的顺利开展及教学目标的实现。

传统中职机械教学模式下，为帮助学生更好地认识机械零件，老师会在课堂上展示实体模型，或者借助手工教具开展教学，而模型和教具的制作基本由老师完成，学生没有真正参与其中，课堂上缺乏学习兴趣，不利于调动其学习积极性和主动性，动手能力、创新能力都得不到锻炼。并且教师在准备模型和教具时，会耗费大量时间和精力，也会影响教学效率。另外，多媒体教学设备的应用，虽然能够以可视化和立体化形式将零件呈现出来供学生观察，但是学生无法直接借助零件，不具备真实感，也难以实现理想的教学效果，还会占用大量课堂时间，课堂教学效率较低。

在开展机械教学时，很多学生受平面思维的影响，其空间想象能力较弱，没有运用立体思维思考问题。并且在机械设计和制作实际操作中，基于零件功能和结构的复杂化，仅仅依靠空间想象是无法将零件图形有效组合在一起的。为改善这种教学现状，应将先进技术引入到机械教学中去，创新教学方法，加快教学改革，引导学生建立立体空间思维，摆脱平面思维的束缚，进而才能实现理想的机械教学效果，提高教学效率和教学质量，而3D打印技术的应用，可以满足当下机械教学改革需求，已经引起了广泛关注和重视。

三、3D打印技术在机械教学中的有效应用

在中职机械教学中引入3D打印技术，可以有效改善传统教学模式的弊端，对提高学生专业素养、促进学生全面发展具有重要意义，实际应用时可从以下几方面考虑。

1.制作课堂教具

中职机械专业具有较强的实践性，无论是图纸设计还是零件制作，都需要学生积极参与其中，自己动手完成相关学习任务。在这过程中，往往会用到大量教具，比如刀具模型、阀门模型等，并且隨着教学内容的不断更新，模型种类也变得越来越多样化，借助3D打印技术，老师能够根据教材内容制作相应的教具，以满足实际教学需求。一方面，老师可自行制作教具，在课前利用3D打印机将教具模型制作好，在课堂上结合二维图片、多媒体教学手段、实物模型展示等多种教学方法，讲解抽象、复杂的机械知识，以更加直观、简单的方式将其呈现出来，便于学生理解和掌握[3]。另一方面，可让学生参与到3D实物模型制作中去，引导学生以小组形式自主完成模型设计和模型制作，使学生能够真切感受到零件的结构特点，加深学生对所学知识的理解，并让学生自行设定3D打印机模型程序，制作出自己所想的教具模型，以此来激发其学习兴趣，有利于高效课堂的构建。

2.实现机械设计可视化

中职机械专业的学生，在完成阶段性学习后，通常需要自行设计作品，对学习成果进行检验，而作品设计一般都是在二维软件和三维软件中完成的，无法直观的将零件结构呈现出来，可视化效果较差，很容易出现参数、角度、尺寸误差问题，影响了作品最终设计质量。运用3D打印技术可以将相对复杂的零部件，切实呈现在学生面前，使学生有更直观的感受，具有较强的可视化，零件组成结构及特点一目了然，学生可对参数、角度、尺寸进等进行严格把控，避免出现较大误差，可以在最大程度上确保作品设计质量。比如在设计阀门时，借助3D打印机打印出阀门零件后，再进行实物组装，将其与液压或者气动设备组合到一起，既能够更加直观的了解到阀门设计效果，还可以分析检测液压或者气动系统的运行情况，当发现阀门不满足实际运行需求时，能够在第一时间调整设计方案，对阀门进行改进。3D打印技术不仅能够以可视化形式完成机械设计，将其迅速转化为实物，而且在对实物产品进行测试和修改时也更加方便，可大大节省机械实物制作实践，提高机械教学效率[4]。

3.培养学生动手能力和创新能力

传统中职机械教学模式存在实践教学力度不足问题，实践部分基本由老师演示、学生观看方式为主，无法充分吸引学生注意力，开小差现象比较常见，并且还会扼杀学生的动手能力，也不利于其创新创造能力的形成，运用3D打印技术可以有效改善这一问题，对提高学生动手能力和创新能力意义重大。学生通过简单培训，便可以掌握3D打印机的正确使用方法，能够根据自己所想自行设计并打印实物模型，制作个性化的教学模型，并对其进行测试和修改。无论是在老师指导下，还是学生分组合作，都可以全程参与到机械零件制作中去，其动手能力便会得到增强。并且，还可以提高学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，培养其创新思维，设计并制作出具有创新性的作品。比如，利用3D打印技术，学生可通过实际操作，清楚了解到一个圆柱体被另一个圆柱体贯穿后相贯线的形状，并打印出来，既可以增强自身动手能力，又能够通过观察发现问题，并通过思考将其有效解决，在实践中得出结论并不断提升自我，促进学生的全面发展。

四、结束语

在中职机械教学中应用3D打印技术，可以改善传统教学模式的不足，在提高教学效率、教学质量等方面作用显著，同时还可以提高学生的综合素质与能力，培养更多的高素质机械专业人才。实际教学过程中，应充分认识到3D打印技术的教学优势，从经济性方面考虑，既要确保3D打印机性能和质量，又要尽可能的降低教学成本，科学配置教学设备，为教学活动的顺利开展提供基础保障。并且，机械专业教师和学生应学习并掌握3D打印机技术，有效解决所遇到的技术问题，才能更好的将其应用到教学中去，实现更加理想的教学效果。

参考文献

[1]付昱，蒿丽萍，侯丽媛，等.3D打印技术及其对机械教学的启迪[J].内蒙古电大学刊，2015，（1）：101-104.

[2]董启迪.探讨3D打印在中职机械制图教学中的应用[J].新课程（下），2016，（5）：62-62.

[3]杨义准.3D打印技术及其对机械教学的应用[J].科学中国人，2016，（5）：46-46.

[4]朱鹏.3D打印技术与机械制图教学结合创新应用的研究[J].当代教育实践与教学研究，2017，（10）：181-182.