就创融合的工程制图教学研究与实践

曹淑华，刘德良，路慧彪，于哲夫

(大连海事大学 船舶与海洋工程学院，辽宁 大连)

一 引言

据统计，2020 年本科毕业生人数多达870 余万，达到了历史高点[1]。在本科毕业生人数持续增多的同时，当前国内经济增长变缓，企业岗位需求较为平缓，就业市场的供求变化使录用标准不断提升，本科生就业压力逐渐增大[2]。

高校面对这样的就业形势，必须着力提升大学生综合素质，以需求为导向，从而培养并提升学生的就业能力。就业能力除了表达能力、人际沟通能力以及应变能力外，还包括必需的创新创业能力。

创新，是一种能力，是人在学习工作上保持永久活力的源泉。在大学教育中提高学生的创新、创业能力已经成为素质教育的重要组成部分，有助于提高学生的就业能力和入职后的业务水平。

培养学生的创新能力，推广和发展创新教育，将创新教育与就业指导无缝融合[3]，是高等教育应对就业形势的改革热点。研究表明，强化创新课程建设是创新教育的中心，尤为关键和必要[4]。为了培养大学生的创新创业意识，深化高校的教学方法改革，需要教师在授课过程中，应用新技术和新方法，将创新创业精神融入到教学环节中。

为了实现现代工程设计由图样向产品模型的转化，以产品的几何模型为核心的CAD/CAM 一体化是适应现代制造业信息化的必然趋势，以优化设计促进产品改良，以智能设计促进产品创新。为适应这样的发展趋势，必须重新构建工程图学教育方向，结合教学目标，引入现代三维技术和先进制造技术，以系列化、模块化零件结构设计为基础，在教学过程中模拟CAD/CAM 技术工程环境，重新构建工程图学课程体系，重新进行教学设计并进行教学实践。

二 增材制造（3D 打印）现状及其在教育领域的应用

三维CAD 技术在工程设计领域的应用越来越广泛，改变了传统设计的理念、工程信息的记录和存储方式，更为多元化，彻底改变了设计人员的思维方式和工作方式。先进制造技术的飞速发展和应用，为工程设计提供了广阔的创新空间。培养具有创新能力的高素质人才，要求学生去适应现代设计与制造的发展要求，将三维CAD 技术和先进制造技术融合引入到机械工程图学教学中，做到学以致用、能力为本、创造为先、就业为上，可使教学效果显著提高，提高学生的综合竞争力[5]。

先进制造技术(Advanced Manufacturing Technology，简称为AMT)融合了机械工程、电子、自动化、信息技术等多种高新技术。成组技术（GT）、快速成型技术（RPM）、虚拟制造技术（VMT）是其关键技术，敏捷制造（AM）和智能制造（IM）是其关键系统[5]。先进制造技术颠覆了传统制造的理念和模式，对传统制造业向现代制造业的转变产生了深刻影响。

快速成型技术（RPM）集中应用了CAD/CAM、激光加工、数控和新材料等技术领域的最新研究成果，是一种新型的适用于制造复杂结构零件的原型制造技术[6]。快速成型技术通过层层堆积材料的方式建造零件模型，其产品原型通过三维CAD 软件生成，便于后续的修改和创新，能够大幅度降低产品的开发周期，降低开发成本。飞速发展的计算机技术使越来越多的产品基于三维CAD 软件设计开发，凸显出快速成型技术在现代制造业中的重要性。快速成型技术的典型代表是增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术，俗称3D 打印技术[7]。

最近10 年，政府、研究机构、企业等社会团体纷纷投入资金和人力关注增材制造技术的发展，并相应地制定了促进和推动增材制造技术发展的国家战略和企业发展规划[8]。美国在2012 年率先建立增材制造创新研究所，研究未来美国在增材制造相关技术领域的发展路径，认为增材制造技术是决定未来经济发展的革命性技术；德国最先将增材制造技术作为工业4.0 战略技术，主要研究方向集中于该技术在航空航天领域中的应用，包括轻量化设计、材料、工艺等方向；法国致力于增材制造技术标准的研制；日本投入大量人力和物力组织实施以增材制造技术为核心的制造革命计划，有力促进了该技术在本国航天领域的应用[9]。

近年来，在国家的大力支持下，增材制造技术在我国发展迅速，航空航天、电子、军工、医疗、汽车等行业大力发展和应用增材制造技术，在材料、装备和软件等领域都取得了重大成就。清华、北航、西安交大、华中科技等大学相继成立了增材制造国家重点实验室，研究方向集中于产品研发、个性化需求、新材料应用等领域，复杂零件的精密铸造、金属零件直接制造技术有了重大突破，大型薄壁航空零件和医用组织结构的直接制造也有了实质性进展[9]。

目前，增材制造技术已经成为衡量国家发展水平的标准之一。新的全球制造业竞争促使发达国家制造业回流，使国际竞争集中体现在高端装备的竞争上，对制造工艺流程、生产模式和整个产业链都提出了新的要求。增材制造技术所代表的数字化制造和智能化制造已经成为提升产业竞争力的关键。增材制造技术正成为各国大力培育和发展的战略性新兴产业，必将改变各国的经济发展格局。大力发展增材制造技术，推进技术创新和产业化应用，将提高我国制造业的国际竞争力，推动我国由制造大国向制造强国[9]。

在高等教育中引入增材制造（3D 打印）技术，将探索、质疑、创新、自主学习等实践环节融入传统的理论课堂，会架起理论联系实际的桥梁。传统教学模式的改变，将有助于提高学生的合作意识、自我管理能力、创新能力和工程实践能力。为了增强学生对先进制造技术的了解，开发能够提高教学效果的实践课程势在必行[10]。

三 制造技术与工程制图教学的融合，培养就业能力与创新能力

在机械工程图学教学过程中引入基于增材制造技术的教学实训，可以将教学内容生动地呈现在课堂上，可以活跃课堂，更有利于学生掌握基本知识。辅以激发学习兴趣的实践环节，有助于引导和开发学生的创新思维。在课堂上增加以增材制造技术为主题的科技创新实践活动，为教学科研的发展打开了新的思路，必将推进就创融合的教学改革[11]。

（一） 改革的目标

1. 在机械工程图学教学过程中引入3D 打印实训课程，锻炼学生的设计能力，初步培养学生的工程实践能力；使学生掌握基于特征的产品设计和建模方法；掌握三维实体造型、曲面模型等的设计和制作能力；提高空间想象力，培养创新思维；提高学生独立分析问题和独立解决问题能力；建立团队协作意识；提高学生的综合素质。

2. 将3D 设计和打印概念引入到机械工程图学的教学环节，从产品加工和制作角度解释机械工程图学的知识点，增加实践教学环节，辅以实训课程，提高学生应用软件和硬件的能力，通过教师现场辅导、师生互动交流等教学活动引导学生发现、感受、思考、参与创造性设计，改变以往枯燥、乏味的课堂教学，让学生在创造过程中体会到学习的乐趣，激发学生主动学习的热情，使课堂成为一个融教学和学习一体、师生共同积极参与的愉快场所。从而提高教学质量，拓宽就业渠道，深化素质教育[12]。

（二） 改革的具体内容

1. 基于增材制造技术的教学思维的转化。增材制造技术从根本上改变了高等教育的教学手段，同时也应体现在教学思维的变化上。传统的机械工程图学教学中，模型的讲解多采用挂图、教具模型和多媒体技术，却从未使用过增材制造技术，限制了学生在课堂上的参与性、主动性和积极性。增材制造技术将教师的“教”与学生的“学”有机结合，鼓励学生实践、体验、创造、探索和反思，帮助学生更好地理解基础知识，提高专业技能。将增材制造技术渗透、融合到教学中去，可以充分发挥增材制造技术的优势，提高教学质量，培养创新人才。

2. 促进增材制造技术与专业知识的紧密结合。自增材制造技术问世以来，在高等教育中引入增材制造技术的一直侧重于让学生了解和学习其操作方法，而与专业知识的结合还不够紧密。将增材制造技术融入机械零件设计、船舶及水下航行器设计、模具制造乃至汽车、航空等专业，使学生在学习过程中思考、设计、制造，最终解决一些实际专业问题，做到知识、技术和实践紧密结合，提高学生的专业技能，使其成长为国家和社会急需的高素质应用型人才。

3. 使教学内容与就业需求密切联系。随着增材制造技术在我国制造行业的广泛应用，市场需求不断释放，企业会更多地将资金和人力投入到与增材制造技术相关的研发工作中，也扩大了与增材制造技术有关的人才需求。增材制造技术是很重要的发展产业，人社部还推出了“3D 打印造型师”的资质认证。增材制造技术的快速发展，在新技术和新材料研发方面的投资增加，覆盖的领域涉及航空、医疗、军工等高尖端产业，对高素质人才的需求会越来越多。

增材制造技术的应用领域决定了其在制造行业对综合性高素质人才的特殊需求。如支撑上游应用从事工艺和材料研发所需的主要是来自国内的技术实验室及其团队和高校培养的硕、博士研究生等的高层次专业技术人才；支撑中游应用装备研发所需的是设计、制造、检测相关的机械加工制造领域的人才。支撑基础应用需要的机械设计和制造、三维建模、模具设计等生产、服务、管理需要的一线应用人才。对比增材制造产业发展，高校应注重培养精通增材制造技术的专业人才，并以此促进专业领域技术上的创新，为各行业发展注入新的动力。

（三） 拟解决的关键问题

1. 在工程制图课程内容中引入3D 打印实训课程内容后，如何协调课时限制。

2. 3D 打印实训课程从教学内容引入—建模软件学习—三维模型设计—3D 打印—综合评价整个流程的细化和延续。

3. 如何在教学方法、教学手段上切入3D 打印实训的教学内容。

4. 3D 打印实训课程教学软硬件配备。

（四） 实施方案

1. 对不同专业分层次引入3D 打印实训课程教学内容

（1）对机械类专业，以设计制造为目标设置课程内容。

（2）对非机类专业，以认知为目标设置课程内容。

2. 采用先进技术，多种教学方法结合，做到因专业而异，因内容而异，灵活教学

（1）认知型课程教学——多媒体课件和视频。

（2）设计制造型课程教学——从产品创意设计、3D 模型到3D 打印综合型实践。

（3）综合提高型课程教学——基于项目驱动和校企合作的课程应用实践。

（五） 实施方法

1. 课时数与传统教学内容本身已存在冲突，再增加3D 打印内容，势必加剧这种矛盾[12]。要解决这个矛盾，需要将3D 打印教学内容实训化，增加微课教学环节，采用“微课自学+互助合作”教学方法，教师可提前利用录屏软件、视频制作软件制作教学微视频，内容覆盖软件学习、模型设计和3D 打印所涉及的所有知识点，采用多人一组团队合作，充分利用学生的课余时间自我学习和自我探究，培养学生自主设计和主动学习能力，提高课堂效率[12]。

2. 采用以学生实践为中心，自主活动为基础的教学过程，大力推进教学活动由“教”向“学”再向“行”逐渐深入，通过设计与后续设计课程培养目标相一致的实践环节，使教学内容从教学内容引入—建模软件学习—三维模型设计—3D 打印—综合评价逐层细化、层层延续，做到理论知识与实践环节结合，培养学生的创新意识和创新能力，使创新教育教学落到实处。

3. 在传统教学内容中切入3D 打印教学内容。画法几何部分，在比较难理解的相贯线教学中，设计打印5 种圆柱体相贯立体模型，加深课程内容的理解和实践；机械制图部分，引导学生设计简单的机构，并完成设计和打印的全过程；计算机辅助设计部分，完成自主产品设计，提高三维设计和打印的应用水平。

4. 充分利用学校资源和采用校企联合方式，解决实训课程教学软硬件配备问题。

四 结语

增材制造在高等教育课堂上的应用能够架起理论知识联系实际制造的桥梁，通过在机械工程图学教学过程中引入基于增材制造的教学实训，可以实现：

（一） 建立3D 建模和3D 打印的工程图学教学理念，将先进制造技术的概念融入工程图学的教学全过程。

（二）形成了集大纲、教材、在线课程、混合模式授课为一体3D 建模和3D 打印工程图学教学体系。

（三）改变传统以绘制二维工程图为主的工程技术观念，使学生对本课程的理解上升到生产实践高度，达到专业知识、技术水平与创新能力的统一，提高学生的综合素质，并以此拓宽学生的就业之路。