3D打印在机械原理课程创新中的应用

徐文　周丽红　刘钰如

摘 要：3D打印技术在高效工科教学教研活动的应用方兴未艾，3D打印技术具有环保高效、加工灵活、适于设计等特点，将其引入到机械原理课程教学中十分便利。研究了3D打印机械原理课程教具、3D打印用于知识点的巩固、3D打印用于课程设计和用于机械创新设计比赛等实践方法，总结了3D打印应用于机械原理课程需要主要的几个问题。改进了教学方法，改进了机械原理课程的考核评价体系，考核方式更加突出学生应用理论知识解决实际设计问题的能力。

关键词：机械原理 3D打印 教学创新

The Application of 3D Printing in the Innovation of Mechanical Principle Course

Xu Wen Zhou Lihong Liu Yuru

Abstract：The application of 3D printing technology in high-efficiency engineering teaching and research activities is in the ascendant. 3D printing technology has the characteristics of environmental protection， high efficiency， flexible processing， and suitable for design. It is very convenient to introduce 3D into the teaching of mechanical principles. The article researched the practical methods of 3D printing mechanical principle course teaching aids， which is used to consolidate knowledge points. 3D printing is also used in course design and mechanical innovation design competitions. The article summarized the main problems of 3D printing applied to mechanical principle courses. The teaching method has been improved， and the evaluation system of the mechanical principle course has been improved. The evaluation method has highlighted the ability of students to apply theoretical knowledge to solve practical design problems.

Key words：mechanical principle， 3D printing， teaching innovation

1 引言

機械原理课程作为传统的机械类核心专业课，主要讲授机械结构的运动特征和动力学特征，理论性强，涉及力学部分抽象，学生不便于理解，使用3D打印技术制作相关教具能有效辅助理论教学。新工科教育强调学生知识和能力的共进发展，将3D打印技术引入教学，在经费允许的情况下，能够最大程度地调动学生动手的积极性，鼓励学生课后组成兴趣小组，进而参加各类机械创新大赛，这对于传统理论教学是一种有利的补充和创新。3D打印所需设备相对简易，可有效解决传统机加工制造机械装置实物耗时长、费用高等问题[1]，适合机械原理课程的实践教学。本文主要研究了3D打印在机械原理课程教学中的具体应用和创新实践。

2 3D打印技术在教学中的应用现状

3D打印技术已在高校的课程创新实践中有所应用。翟彦飞根据教学实践着重分析了3D打印在机械专业课教学创新中应用的优势[2]。史洪松针对3D打印在机械设计课程中的应用思路进行了探讨[3]。毛玮等人针对3D打印技术在机械原理教具制作中的应用进行了研究[4]。

各高校都在积极实践的基础上对3D打印技术在机械专业课程教学中的创新应用进行了深入的探讨，但对机械专业课程教学中3D打印教学创新实践使用范围小，主要局限于辅助理论课教学，应用实践不是很充分。3D打印进课堂也需要更多组织形式方面的探讨，并非一蹴而就。本文将从机械原理课程教学创新的多个方面论述3D打印的应用情况，为促进机械原理课程教学方法和内容的改革提供借鉴。

3 3D打印在机械原理教学中的应用

高校新工科教学改革一个重要的方面是要改变传统课堂教学中“老师讲，学生听”这种被动输入式的教学模式，提倡翻转课堂，调动学生积极性，提高学生动手能力。在理论课程教学的基础上保证学生参与实践操作的时间是一个教改难题。3D打印设备操作方便，教师教学和学生动手实践上手都很快，与机械专业建模软件对接良好，可以很好解决传统辅助教学设备资源不充分、操作安全风险大、不易衔接课堂等问题。本文将3D打印技术应用于机械原理课程教学主要表现为以下三个方面：用于教具的制作;用于课程设计;用于机械创新设计比赛。

3.1 3D打印制作课程教具

机械原理作为机械专业基础核心课，其理论知识多而繁复，原理内容较深奥且抽象，抽象的原理性内容教学很容易使学生在课堂上注意力不集中，上课质量因此受到影响，严重影响教师授课效率，学生接受程度也难以跟上教师的教学节奏。机械原理传统教学也会有很多教辅手段的应用，齿轮啮合传动、杆机构的设计等大量内容都会涉及到教具的使用。但是传统教辅教具要么采购成本过于昂贵，要么加工不便利、花费高，造成教辅资源严重不足的现象，而3D打印机械原理教具，可解决机械原理课程教具不足的问题。3D打印机械结构设备操作简易灵活易上手，可以做到随用随打，利于老师突发灵感，打印更加适应理论教学的教具。学生通过观看和接触3D打印各种传动机构具象化地认识不同机构的特点，增强对不同机构工作原理的认识。3D打印机械原理课程教具，可改变传统机械原理课堂教学死气沉沉的气氛，进而实现翻转课堂，刺激学生学习动力，诱导学生主动思考，甚至引导课堂。

3.2 3D打印用于知识点的学习巩固

机械原理课程的教学内容较多，课后练习是学生巩固课堂所学知识的一种非常有效的方法。传统的作业形式都是以计算题、问答题、分析题等纸面练习，形式單一枯燥。借助3D打印技术，我们可以将课后作业的形式变得多样化，例如通过打印实物印证设计的计算过程;通过打印实物印证较抽象的知识点的理解等。我们学校工程实训中心有20多台3D打印机，学生可以在课后利用3D打印机制作出机构模型实物。这就不仅仅是需要学生动脑，还需要学生动手操作。从而可以进一步优化和调整机械原理课程理论教学与实践教学的比重，使机械原理这门专业课教学更能发挥出其应用性，可促进学生的学习热情和兴趣。这对于巩固学生课堂所学，激励学生参与更多更丰富的课外实践活动都起到了积极作用。通过创新实践，学生组成了一些兴趣小组，学习热情较之前有了很大提升。

3.3 3D打印用于课程设计

机械原理课程设计是与机原理论课紧密相连的重要实践环节。我院传统的机械原理课程设计设计一种冲床的传动机构，从电机出发，学生要依次设计定轴轮系、六杆机构、凸轮机构，历时一周到两周的课程设计，学生要完成机构尺寸计算、画图，工作量不饱满。完成既定设计的模型制作将使设计过程完整起来，但传统的机加方式对于学生而言安全隐患大，而手工制作模型对于学生的动手能力又要求过高，这些问题都加大了实验室老师组织课程设计的难度。使用3D打印技术有效克服了上述困难，学生上手快，兴趣大，我系甚至尝试了学生自拟设计题目的做法，充分鼓励学生创新设计，教学反馈良好，学生普遍反应课程设计变得生动了。实践证明，3D打印有利于机械原理课程设计任务更好地完成。

3.4 3D打印用于机械创新设计比赛

机械创新设计比赛是我院积极开展创新教学的重要任务，老师与学生都十分重视和珍惜比赛机会。每年举办的各类机械创新设计比赛能让学生有运用所学知识，提高设计和操作能力的实践机会，其中挑战杯比赛尤其引起学院的重视。在应用3D打印技术之前，我系学生参加竞赛，需要做出实物的部分都会遇到耗材成本高，设计思路更改及优化不好进行等问题，严重影响了学生参加比赛的积极性，有时还会打乱参赛的节奏，导致比赛获奖率低。带队老师经验要求高、老师参与度不高等问题也制约了参赛任务的完成。将3D打印技术应用于参赛项目实物制作之后，教师指导学生难度大大降低，学生也能根据比赛需要及时做出相应实物，制作大大降低、优化更改设计的时间成本也大大降低，学生参赛获奖情况大大改善。3D打印技术很好地支持了学生的创新能力训练，学生掌握创新实践方法的能力得到了提高，创新意识有力增强。

4 3D打印应用于机械原理教学需注意的问题

3D打印技术应用于机械原理课程教学，使学生有机会通过动手动脑，将课堂所学理论知识转化成看得见的设计，学生进行独立设计和实践的能力得到了增强，对理论知识的理解由于实践的支撑也更加深刻。3D打印技术的应用促进了机械原理课程教学由重理论轻实践逐渐向学以致用的教学方式转变，完善了机械原理课程的考核评价体系。但在机械原理教学过程中应用3D打印技术也应注意以下问题。

1.使用3D打印需要相应的硬件设备和软件条件，需要集中采购，学生需要掌握一种三维建模软件，需要前置课程的支持。教师与学生需要掌握简单的设备调试和维护技巧。打印耗材需要以学期使用量为单位进行采购。

2. 桌面级打印机工作幅面不大，打印模型尺寸不宜过大。打印机对打印作品结构有要求：不宜打印需要过多支撑的结构;不宜打印过于薄的机构;不宜打印过于复杂的拓扑结构。

3. 由于3D打印机数量有限，打印模型亦需要一定的时间，很难做到一人一机，因此教师在组织实践教学的过程中要根据实际情况对学生进行分组管理。每组成员合理分配打印时间，通过组织和小组内调度，可以保证每组学生按时完成实物制作任务。小组成员在实物制作过程中亦可以相互交流。

5 总结

由于新工科对创新实践的要求，将3D打印技术引入引入机械原理课程教学中。研究了3D打印机械原理课程教具、3D打印用于知识点的巩固、3D打印用于课程设计和3D打印用于机械创新设计比赛等，改进了教学方法，提高了实践操作时间，促使机械原理课程教学向知行合一的方式转变。改进了机械原理课程的考核评价体系，考核方式更加突出学生应用理论知识解决实际设计问题的能力。

2019年度院级教研课题《3D打印技术在机械原理创新教学中的应用》（2019CYYBJY019）。

参考文献：

[1]李永湘，何晓芬等.3D打印在机械原理课程教改中的应用[J].内燃机与配件，2021（09）：214-215.

[2]翟彦飞.浅析3D打印技术在高职院校机械等相关课程教学中的应用[J].内燃机与配件，2020（02）：279-280.

[3]史洪松.3D打印技术在《机械设计与原理》课程教学中的应用[J].信息与电脑（理论版），2018（16）：239-240.

[4]毛玮，蒋洪奎.3D打印技术在机械原理课程教学中的应用[J].工业设计，2019（09）：33-34.