3D 打印技术与机械制图教学结合的创新应用

马 怡 邱鹏飞

0 引言

《机械制图》课程是机械专业大一新生的一门重要专业基础课，具有基础性、实践性等特征，课程着重引导学生建立空间想象能力和规范识读、绘图能力，学生在掌握制图方法的同时提高创新能力和培养工程意识。

1 机械制图课程教学现状与3 D 打印技术发展

1.1 教学现状

《机械制图》课程开设时间一般为大学一年级的两个学期。尽管课堂教学在点线面、立体、组合体的教学过程中使用了模型教具演示、多媒体动画演示等教学手段，却很难使全部学生达到教学要求。部分学生在课程学习过半时，因空间想象能力不足而感到吃力，尤其是立体的截切、组合体的投影部分。在手工教具和多媒体的动画演示下，大部分学生能掌握三视图的投影规律，熟练运用三维立体向二维转化的投影方法和技巧，却很难通过二维投影视图想象出三维立体形状，使零件图、装配图很难单纯依靠想象实现，造成《机械制图》课程的教学目标难以达到，教学效果不理想。

机械制图课程有着较强的应用性和实践性，但在传统教学方法下，过分强调理论教学，出现实践和理论教学脱节的情况。又因学生容易陷入相对有限的思维模式，多数人只关注成绩分数的高低以及能否通过课程的考核，而忽视了识图和制图的灵活性，缺乏创新思维以及工程素质培养的主观意识。

1.2 计算机绘图和3D 打印技术发展的教学挑战

3D 打印技术出现在20 世纪90年代中期，是一种立体平面印刷术，其本质是一种层层堆叠、增材制造的思想。借用这类思想的工艺方法有很多，大到建筑生产，小到纳米堆积。从特点上讲3D 打印的层层堆叠方法，具有高度的柔性，高度的定制性，对零件外形的制造难度，制造成本的敏感度非常低，3D 打印的优势及其明显。经过多年的发展，3D 打印技术广泛应用于航天和国防、医疗设备、高科技、教育业以及制造业。对学生来说，3D 打印给实现创意带来了无限可能，无论从模型库中下载模型还是自己设计，3D 打印机可以打印出任何想要的物品，学校便成为一座迷你工厂。

随着工业4.0 革命发展，电脑设备成本的降低和加工人员知识水平的提升，使得机械加工中三维化和无纸化会成为未来发展的趋势。与此同时，3D打印技术的出现和热潮为定制化的机械设计提供了新的思路，而3D 打印技术离不开三维建模，两者共同发展。

教师要引导学生逐步建立空间感知力，使学生的思维能力得到锻炼，形成有技巧性的思维方式，对教师在课程分析和教学设计方面提出了更高的要求，需要寻求新的教学模式，避免出现传统教学模式的弊端。

2 3 D 打印技术与机械制图课程的结合与教学构思

2.1 教学设计与框架

随着3D 打印技术的成熟，各高校尝试开设3D 打印选修课程，以此传授3D 打印技术方法。通过研究和探索，本校机械教研室将3D 打印技术应用在《机械制图》课堂教学过程中，根据专业类别进行了两种形式的教学设计和应用。

第一种形式是直接将3D 打印教具带入课堂进行模型的展示和绘图的教学，即教师课前准备阶段，将多媒体动画演示的模型利用3D 打印机变为实物，在授课过程中通过与视图、动画演示、3D 打印模型多种教学手段相结合进行知识点的教学，提升学生的学习兴趣。课间可传阅模型教具，使每个学生都能能够直观感受三维实物和二维图形之间的联系，加深对所学物体的印象。这种教学模式适用于少学时的机械制图课程中，以理论教学为主，课程内容多且抽象，而学时又有限只有一学期，开课的专业一般有电气工程及其自动化、自动化、电子信息工程、通信工程、医学影像技术等。

第二种形式是让机械专业学生参与3D 产品的制作过程，机械专业的制图课程通常开设两个学期，第一学期为投影规律的教学，第二学期为零件图、装配图及计算机绘图软件cad 的教学，主要是学习二维图形。本校从2017 级开始，机械专业的制图课程具有延伸性，增设三维建模软件及3D 打印技术的学习，培养计划安排为第三学期的学习课时。学生分组体验从设计、二维图绘制、三维建模到3D 打印成型的每个阶段，使学生初步建立工程概念，培养工程意识，拓展了机械制图课程的知识点。在学会使用3D 打印机的打印模型库的模型后，学生可发挥想象力设计新的模型，扩充模型库的同时，将学生作品的创新性作为课程考核的标准之一，激发学生的创新潜能，通过第三学期的学习，增强学生学习机械相关知识的兴趣和建模的能力，实现教、学、做一体化的教学新模式。

2.2 教学成果

经过3年的教学设计方案实施，教师制作了机械制图课程的3D 模型库，并将模型打印出来建立了机械制图模型展示柜，如图1 所示，分布于机械制图教学楼层的教师休息室，使得教师课前准备教具更便利，也方便学生根据兴趣自行参观学习，激发学习的兴趣。

学生在进行3D 打印实践时会因失误而无法设计出模型，对于这样的情况，学生会认真用心思考，充分发挥自己的智慧找出问题，改变模型失败的现状。通过3D 打印的实践使学生提升了工程素质，并激发学生的创新思维，学生的3D 打印作品如图2 所示，3D 打印技术以新颖的方式帮助学生理解和记忆知识，引起学生的兴趣以及提高其自主性。

图2 学生3D 打印作品

图1 机械制图课程模型展示柜

3 结论

将3D 打印技术引入机械制图课堂，经过精心教学的设计和实践，对教学效果的提高具有积极意义。一方面，3D 打印和课程的结合应用告别了传统的教育方式，给学生更多开放式的教学和学习，使学习变成了玩耍，让课本知识能更有效地应用于实践，达到技术和知识的结合，是未来技术人才培养的方向。另一方面，3D 打印建模并不仅仅为了打印的结果，而是在进行3D 打印的学习时，学习了三维建模，让3D 模型转化为脑内的三维图形、二维图像，加深了机械制图的基本知识理解，提升了空间想象能力。3D 打印技术与机械制图课程的结合应用是真正意义上书本和实践的结合，开拓学生创造力、实践动手能力以及锻炼知识运用能力的体现。