3D打印技术在汽车电器教学中的应用

蔡小妹

摘 要：3D打印技术作为传统制造工业中新出现的一种加工方式，在社会各行各业得到了大力的推广和应用。将其应用于中等职业学校交通运输类汽车应用与维修专业汽车电器的教学过程中，可以很大程度地改变现有专业课程教学内容枯燥、缺乏创新和应用性的现状，使学生在实体模型的帮助下更好地理解和掌握教学重点和难点环节。传统的汽车电器教学是将理论知识与实训操作分开上课，而今，教师可以借助3D打印技术的3D打印模型辅助汽车电器课堂，让学生更为透彻地掌握所学知识，并加以应用。

关键词：3D打印技术;汽车电器教学;教具

汽车电器是一门理论与实践紧密结合的课程。汽车电器课程理论讲解部分应该在实操中得到体现，以达到预期的效果。也就是说，学生应该实际安装和操作汽车电器零部件。这就要求学校实训室建设中购买相关的教学设备或带学生到本专业相关企业进行顶岗实习。在教学中，这样做虽然可以让学生人人动手，但是会造成教学成本的提高和人事管理的麻烦。怎样处理好汽车电器教学中教与学的对立统一，实现教学资源利用的最大化？日新月异的科技发展似乎给我们带来了解决途径。

一、中等职业学校汽车电器教学现状

汽车电器课程是中等职业学校交通运输类专业的核心课程之一，主要内容是汽车电器设备的构造、原理及其维护、维修等相关知识，具有较强的理论性以及实操性。现在的中等职业学校汽车电器专业课程的教学较为注重理论知识的学习，如工作原理的理论学习，而往往忽略实训操作的重要性，导致学生动手能力差、故障判断不明确等问题，主要原因是汽車电器的教具选择不恰当。汽车电器专业教师大多会选择利用教具进行讲解、示范和案例展示，这类的教具大多是汽车零部件1∶1制作而成或者汽车拆下的零部件，此类教学用具既重，安装拆卸又烦琐，很难真正引起学生兴趣，也很难保障学生掌握汽车零部件之间的传动与工作原理，更难以培养学生的创新性思维和能力。

二、认识3D打印技术

在工业4.0的发展浪潮中，工业机器人、3D打印、云计算、虚拟现实、人工智能等正在各行各业迅速发展，熠熠生辉。3D打印作为一项新兴技术，在中国和工业4.0的发展规划中发挥着重要作用。那么，3D打印可以应用于哪些领域？3D打印又能用来做什么呢？3D打印走向职业教育，现代技术的更新速度快，教学中使用教具的选择，传统的模具教具一批一批地采购，造成教学资源的浪费。现如今，教学中可以借助3D打印技术来优化教学流程，从而达到理实一体化教学的目的。

3D打印技术是一种增材制造技术，相对于传统减材制造与等材制造，增材制造是一种“自下而上”材料堆加的制造工艺。它能够基于逐层打印方式，依托数字模型文件和粉末材料，快速构造物体，将三维设计图纸以实体物品的方式呈现出来。在应用该技术时，必须以3D打印机为载体。具体成型过程如下：首先通过计算机3D软件建模，或对现有物体进行全面扫描，然后将构建好的3D模型分层切片，最后指导3D打印机用打印材料逐层打印，层叠形成3D零件。

（一）3D打印技术的类型

随着3D打印技术的发展，根据打印材料、成型方式的不同，划分出了很多不同的技术类型。如材料挤出型、光固化型、粉末床融合型。学校用的桌面机大部分采用的是材料挤出型（FDM），是将热熔性材料加热融化呈半流体状态（塑料、树脂、尼龙、蜡等），通过挤压从喷嘴挤出，喷头按照预定轨迹运动，被挤出的材料瞬间冷却成型。主要的耗材就是热熔性塑料，比如PLA、ABS之类的。

（二）3D打印技术在汽车领域的应用特点

在汽车生产过程中，零件种类繁多，每个零件的生产周期和成本是汽车生产过程中需要严格控制的参数。为了缩短汽车研发和生产周期，3D打印技术在汽车领域的引入和汽车零部件的快速生产，可以大大提高零部件的生产效率，同时也可以大大提高汽车零部件的整体生产质量，从而降低汽车零部件的制造成本。此外，在汽车零部件生产中使用3D打印技术，可以及时调整汽车零部件研发中的细微偏差，快速确认汽车零部件的工作原理和可行性，从而有效缩短汽车零部件的开发周期。同时，如果采用3D打印技术制作汽车模具，能够加工出复杂结构的模具，可以有效缩短制造时间，更好地加强对制造精度的控制，从而有效提高模具的使用寿命。

三、3D打印技术在中职汽车电器教学中的应用

在汽车电器的教学中，我们常常使用汽车上面的配件来现场教学，但是对于单个系统来说，学生是很难全看到内部构造的。通过引入3D打印课程，可让学生在做中学，学中做。中等职业学校汽车电器的理论课堂如果灵活运用3D打印技术可以对整体教学有明显的促进作用。首先3D打印技术是较为新颖的先进科技，学生对新颖的先进技术和新鲜事物保有强烈的好奇心、较高的学习兴趣。在传统中职汽车电器理论教学中采用传输式教学，对学生的学习兴趣和创新性思维都有一定的制约。3D打印技术让学生用眼睛就可以观察到汽车零部件快速成型的过程，并将所出的零部件组装起来，引发学生的学习积极性和实际动手操作的兴趣。

（一）基于课堂教学需要的3D教具制作

对于规则的汽车电器零部件，采用三维建模软件3DsMAX、PRO/E、UG等进行建模，对于不规则的复杂曲面的汽车电器零部件，则采用手持三维扫描仪进行建模。在中职汽车电器教学当中融入3D打印技术，将汽车电器里面的构造通过3D打印技术制作出来（如图1）。以行星齿轮的教具设计为例。在整个教具制作过程中，学生以小组为单位，互相配合，共同制作教具。首先，利用三维建模软件建模行星齿轮的3D模型图和装配图（如图2）。接着，利用切片软件将行星齿轮的3D模型转换为3D打印设备可以识别的文件，以STL格式输出。最后，STL格式的文件导入3D打印机桌面机进行打印（如图3）。学生在建模过程中建成的三维模型图及其STL文件要先发给教师审核，审核通过才能导入3D打印机出成品，否则会造成成品成为报废品，从而造成3D打印的原材料浪费。另外，成品出来后会有毛刺，需要利用工具轻微打磨作品，最终出成品。

（二）创建提高课堂教学效果的3D打印技术应用的教学模式

通过自制教具的课堂效果，可以发现，相比之前教学时对着PPT授课，利用仿真软件或拆卸下来的教具，学生上课的学习兴趣更浓厚，通过制作教具的过程，学生了解了汽车电器零部件之间的结构连接。采用自制教具的教学可以化学生的被动学习为主动学习，激发学生学习汽车电器的兴趣，真正让学生喜欢上课。用3D打印自制教具，不仅可以丰富教学手段，引起学生兴趣，更能够为学生提供实践仿真的教学平台与教学用具，让学生的理论学习在实践中得到切实锻炼。基于这种技术，教师可以更加直观而具体地展现汽车电器的零部件，利用可视化方法帮助学生准确理解汽车电器的工作原理和结构，为提升中职汽修专业的电器学习成效奠定基础。

為了提高学生的学习兴趣，发挥学生自制教具的主观能动性，同时可以提高学生动手实践水平，学校可以在某些工科类的专业课程，如机械制图、建筑制图等专业中开设3D打印课程，结合制图软件自制教具，让学生在做中学、学中做。另外，学校可以在工科专业中定期举办3D打印相关比赛，学生利用课余时间，设计本专业的教学用具三维模型图以及STL文件，经过专业教师的确认出图，导入3D打印桌面机出成品。3D打印教具具有轻量化，在教学实训过程中能起到较大的促进作用。在教学过程中，我们常常使用从汽车零部件拆下来的汽车部件，这些教具比较笨重，而且容易造成上课安全隐患，简单的3D打印设备可以将复杂的汽车零部件零散化以及轻量化，便于教学。在自制教具的过程中，学生产生浓厚的学习兴趣，学习效果比传统教学效果更好。

四、结语

3D打印自制教具可以在某些工科专业推广，弥补传统教学利用现有教具以及仿真软件进行教学的不足，培养学生团队合作和创新能力。在课堂中，让学生制作简易教具，通过制作过程，学生更容易理解和掌握教具的结构以及原理，知识点变得更加立体，改变传统教学中学生互动少且少部分学生学习的局面，让整个教学过程显得富有生机，理论与实操并存，学生产生更加浓厚的学习兴趣。在未来的汽车电器教学中，应全面思考教学设计，引入新的教学方法，运用新的教学技术。

参考文献：

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[3]王萍.3D打印及其教育应用初探[J].铜仁学院学报，2013.

[4]张义新.信息化环境下汽车专业教学改革的思考与探索：中职《汽车电器设备构造与维修》课程为例[J].内燃机与配件，2020.

注：本文系厦门市教育信息技术研究2021年度课题“数据支持下的以学习者为中心的中职教学研究”（课题批准号：XMKT2103）的研究成果。