基于VR技术和3D打印相结合的机械类课程教学改革探讨

［摘 要］ 随着机械行业的迅猛发展和计算机技术的不断进步，机械类专业课程的教学方式亟须改革，以适应时代潮流并提升教学效果。以“机械制造装备设计”课程为研究对象，探讨了利用虚拟现实技术（VR）和3D打印技术的结合，对教学模式进行改革的可行性和必要性。具体而言，提出了利用这两种先进技术的措施，以促进学生对机械结构的直观理解、加强理论与实践的融合、教学内容创新等。这些举措旨在激发学生的学习兴趣，拓展教学内容，提高教学质量，从而更好地满足当下机械设计教育的需求。

［关键词］ VR技术；3D打印；机械制造装备设计；教学改革

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）31-0089-04 ［收稿日期］ 2023-12-16

引言

在当今快速发展的科技时代，机械行业作为工业化进程中的重要组成部分，正处于日新月异的更新迭代之中。随着现代科技的发展，虚拟现实技术（VR）和3D打印技术逐渐成为机械产品研发中的利器，为其带来了前所未有的创新和发展机遇［1-2］。而我国的现代化进程更是离不开工业化，而工业化的核心之一便是机械工程专业学科的不断发展与进步。在这个背景下，“机械制造装备设计”这门课程作为机械专业的基础课程之一，承担着培养学生掌握机械装备设计基础知识、提升技能水平、激发兴趣与潜力的重要使命，同时为国家培养了大量具备工程实践能力的高素质人才，为实现制造强国战略贡献了力量［3-5］。

VR技术作为一种创新的技术手段，为用户提供了一种全新的沉浸式体验。通过计算机生成的虚拟环境，用户可以身临其境地感受到与真实世界几乎无异的体验。这种技术不仅可以应用于娱乐和游戏领域，还可以在教育和培训中发挥重要作用［6-7］。而3D打印技术作为一种革命性的制造技术，可以将设计概念直接转化为实体模型，为设计师和工程师提供了前所未有的便利和灵活性［8-9］。这种技术不仅可以加快产品开发周期，降低生产成本，还可以促进创新和个性化定制。因此，将VR技术和3D打印技术应用于“机械制造装备设计”课程的教学中，不仅可以为学生提供更加直观、生动地学习体验，激发他们的学习兴趣，也可以加强他们的动手能力和创造力。通过与实际操作相结合，学生可以更深入地理解机械结构原理，提高机械装备设计和制造能力。这种教学模式的创新，不仅有助于提高教学质量，也能够更好地满足当今机械类课程教育的需求，培养更多具有实践能力和创新精神的优秀人才，为机械行业的发展注入新的活力。

一、“机械制造装备设计”教学现状

“机械制造装备设计”是机械专业的重要基础课程，涵盖了金属切削机床的总体设计、机床传动设计、主要部件设计、组合机床设计、专用刀具设计以及机床夹具设计等多个方面。这些内容构成了学生在机械制造领域必备的核心知识体系。然而，要想真正掌握这门课程，仅靠理论知识是远远不够的，更需要将理论知识与实际工程实践相结合。

传统的线下教学模式存在一些不足之处，如课程学时有限、内容繁多，往往难以覆盖所有细节。课堂上的教学方式单一，通常是教师通过宣讲的形式将课本上的知识点灌输给学生，导致课堂教学显得枯燥乏味，学生难以理解和消化。即使是在如今广泛使用多媒体教学形式的情况下，将书本知识转化成文字、二维图像等形式来展示，也往往不能很好地让学生与各种机械结构进行直观的接触与观察，这给学生的理解和学习效果都带来了挑战。理论与实践脱节，传统的教学模式往往过于侧重于理论知识的传授，而缺乏实践操作的机会。学生学习了大量的理论知识，但在实际应用中可能无法灵活运用。因此，理论与实践之间存在一定程度的脱节。教学资源不足，由于机械制造装备设计涉及大量的设备和工具，一些学校可能无法提供充足的教学资源和实验设备。这导致学生缺乏实际操作的机会，限制了他们的学习效果。学科交叉不足，机械制造装备设计涉及多个学科领域的知识，包括机械工程、材料科学、电气工程等。然而，在教学中可能缺乏学科交叉的教学内容和资源，影响了学生全面理解和应用知识的能力。缺乏实践机会，教学计划可能无法为学生提供足够的实践机会，例如实习、项目实践等。这使得学生缺乏与真实工程项目接触的机会，无法将理论知识与实际工程实践相结合。

二、VR技术、3D打印在“机械制造装备设计”教学中的应用

将虚拟现实技术和3D打印技术相结合应用于机械类课程教学中，可以为学生提供更为直观、生动、丰富的学习体验，提高他们的学习兴趣和效果，也能够提高学生的动手能力和创造能力。

（一）VR技术的应用

在进行复杂抽象的教学内容时，如机械制造装备设计中的一些机械结构，由于学生空间想象力不够，并且接触机械设备经验不足，无法在脑海中构建出具体的三维模型，可以通过虚拟现实技术，制作虚拟机械实验。利用虚拟现实技术，可以将机械实验制作成虚拟实验，让学生通过VR设备进行体验，比如机械零件的装配和运转模拟，机械原理的运动过程模拟等。通过虚拟实验，学生可以更加直观地了解机械原理和结构，加深对机械知识的理解和认识。此外，还可以通过虚拟现实技术，制作虚拟操作界面。利用虚拟现实技术，可以将机械操作界面制作成虚拟界面，让学生通过VR设备进行体验，比如机床操作界面、数控系统操作界面等。这种方法可以让学生更好地理解机械操作和控制，提高学生的实际操作能力。

（二）3D打印技术的应用

通过课堂上引入3D打印技术开展综合性教学项目来培养学生发现问题、解决问题的能力。可以通过3D打印技术，制作真实的机械模型。使用3D打印技术，可以将机械部件和结构制作成真实的模型，让学生通过触摸和组装进行体验。这种方法可以帮助学生更加深入地了解机械结构和原理，也能够提高学生的动手能力和创造能力。学生可以通过自己的动手实践，更好地理解机械结构和原理。

（三）VR技术与3D打印技术相结合

将VR技术和3D打印技术相结合，设计虚拟机械实验。通过虚拟现实技术制作虚拟机械实验，并使用3D打印技术将虚拟实验中的部件制作成真实的模型，让学生进行组装和操作。这种方法可以将虚拟实验和真实操作结合起来，使学生更好地理解机械原理和实际操作，也可以提高学生的学习兴趣和效果，增强了学生的动手能力和创造能力。除此之外，VR技术和3D打印相结合还可针对特定的机械结构来创新、改革课程的教学内容，改变传统教学内容及方式一成不变、毫无新意的现状，改变枯燥的教学模式，提升学生的学习兴趣，增强学生的学习能动性，大幅提升教学效果。

三、VR技术与3D打印技术相结合的“机械制造装备设计”教学改革的具体措施

为了提高学生的学习兴趣，培养学生的动手能力和合作精神。任课教师可以引入VR技术，在教学过程中使用VR技术，为学生提供逼真的虚拟环境，使学生能够在虚拟场景中进行实践操作，并体验不同制造装备的动态表现和工作原理。

（一）教学方式改革

学生在虚拟环境中了解各种装备基础原理之后，授课教师将3D打印技术纳入教学内容中，让学生了解3D打印的基本原理和应用，同时让学生能够使用3D设计软件进行模型设计，并通过3D打印机将设计的模型打印出来，真正做到把抽象的概念和设计带到现实生活中，给枯燥无味的课程增添乐趣。除此之外，教师应该鼓励学生参与课外实践项目，如设计和制造自己的机械装备模型，并利用VR技术和3D打印技术进行模型的优化和制造，培养学生的实践能力和创新能力。

根据VR技术和3D打印技术相结合的教学改革需要，授课教师也应该改变评价体系，更注重对学生的实践能力和创新能力的考核，同时开展学生对于教学改革的反馈和评估，而不是以考试成绩来评定学生的成绩，从而不断改进教学方法和内容。

（二）教学示例

以成形车刀为例：成形车刀是一种专用刀具，一般需要根据工件的轮廓形状进行专门的设计和制造，主要用在卧式车床、转塔车床、自动车床上加工内、外回转成形表面。

1.教师为学生提供相关的基础教学和指导，在课堂上教授他们如何使用VR设备和3D打印机，以及相应的设计软件。在学生有了一定的基础知识储备之后，可以使用VR设备，用VR技术模拟线下名师教学场景，在虚拟教师的带领下让学生穿越到成形车刀的制作场景当中，学生能够沉浸式地感受到车刀的制造过程，还原真实工厂的流水线工作。此外，在虚拟系统中，对学生进行一对一教学，进行教学、互动、问答，能避免时间上的浪费，让学生在有限的学时中学到更多的知识。在学生进行理论学习的基础上，使用VR设备模拟知识的真实场景，创建模拟的成形车刀制造环境和使用环境，使学生能够身临其境地进行实际操作和实验，学生可以通过虚拟现实技术模拟机械设备的组装、操作和维护，提高他们的实践能力。

2.在教学实验室中配备3D打印机，并提供相应的设计软件，让学生利用3D打印技术快速将想法转化成现实，让学生能够将自己设计的成形车刀模型进行打印和制造。学生可以通过这种方式实际参与到成形车刀制造的过程中，让他们切实体会到机械制造的过程，从而提高他们的设计和创新能力。

教师可以布置小组合作任务，设计虚拟实验和3D打印技术相结合的小组作业。以成形车刀为例，首先，学生可以在虚拟环境中进行确定刀体结构、选择前角和后角、截形设计、成形车刀的样板设计等四个环节。然后绘制三维模型，利用3D打印技术将小组设计的车刀制造出来，如图1所示。从设计到生产，通过实际操作来增强对机械制造装备设计的理解和掌握。利用虚拟现实和3D打印技术完成具体的机械制造装备设计任务。利用这两种技术，学生可以在早期就发现问题和缺点，对学习或研究过程中存在的问题进行纠正，还能及时得到教师的指导和帮助。同时，学生可以通过虚拟现实技术和3D打印技术，将课堂所学应用于实践，将自己在课堂上学到的知识运用于实际生活中。此外，还可以培养学生团队合作意识和创新能力，提高解决问题的能力，有一举多得的作用。

（三）加强课内外互动

除了上述教学流程，任课教师可以根据知识点，增加一些趣味性教学内容。比如制作一些相关的VR游戏，让学生在游戏中了解到机械结构和原理，使学生对其产生一定的兴趣，同时能让原本晦涩难懂的知识变得通俗易懂，让枯燥的课堂更加生动。知识与游戏相结合可以提升学习的趣味性和积极性，VR游戏可以增强学生沉浸度和互动度，从而进一步提升学习的积极性和效率。比如，有一个VR游戏，刚开始学生进入一个虚拟的生产车间，需要制造一个成形车刀，而这个刀具的制造方式和过程几乎与现实世界一模一样，唯一不同的是，在虚拟世界中一开始就会给学生一定数额的启动资金，让学生购买生产设备和招聘工人，然后把时间加速到现实中的几十倍，那么理论上来说，现实中需要几天才能完成的工作量，在十几分钟之内就能完成。如果学生能够顺利完成任务，并且通过系统验收，就相当于学生已经了解了车刀制造的整个过程。

结语

将VR技术和3D打印技术相结合应用于机械类课程教学中，可以为学生提供更为直观、生动、丰富的学习体验，提高他们的学习兴趣和效果，也能够提高学生的动手能力和创造能力。这是一种创新的教学方法和手段，能够为机械类课程教学带来新的思路和方法。同时，虚拟现实技术和3D打印技术的应用也能够促进机械类课程教学的转型和升级。传统的机械类课程教学以理论知识和书本知识为主，缺少实践环节，难以满足现代产业对高素质人才的需求。而将VR技术和3D打印技术引入机械类课程教学中，可以将理论与实践相结合，提高教学的实用性和针对性。同时，还能够激发学生的创新思维和实践能力，培养他们解决实际问题的能力，从而更好地适应未来工作和生活的需求，让他们在未来成为优秀的机械工程师。

参考文献

［1］黄仁泽.基于3D打印和VR技术的水轮发电机组教具设计［J］.现代制造技术与装备，2023（10）：39-43.

［2］刘涛，牛国旗，陈辉，等.3D打印结合VR技术在经皮椎弓根穿刺教学中的应用效果［J］.安徽医学，2021（6）：692-695.

［3］张振杰，丁云龙.《机械制造装备设计》课程的研究与实践［J］.中国设备工程，2023（14）：224-226.

［4］朱冬梅，刘国勇.机械制造装备设计中翻转课堂教学方法的应用［J］.中国现代教育装备，2024（7）：118-120+130.

［5］张振杰，丁云龙.《机械制造装备设计》课程的研究与实践［J］.中国设备工程，2023（14）：224-226.

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［7］苗俊田，鹿德台，刘冬冬，等.基于VR技术的特种加工实验教学改革探索［J］.内江科技，2022，43（12）：150-152+135.

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［9］王广原，吴王平，江鹏，等.新工科背景下智能制造专业3D打印技术课程教学改革探索［J］.科技风，2023（34）：112-114.

Discussion on the Teaching Reform of Mechanical Courses based on the Combination of VR and 3D Printing： Taking “Mechanical Manufacturing Equipment Design” as an Example

Abstract： With the rapid development of the mechanical industry and the continuous advancement of computer technology， the teaching methods of mechanical professional courses are in urgent need of reform to adapt to the trend of the times and improve teaching effects. This article takes the “Mechanical Manufacturing Equipment Design” course as the research object， and explores the feasibility and necessity of using the combination of virtual reality technology （VR） and 3D printing technology to reform the teaching model. Specifically， this article proposes measures to utilize these two advanced technologies to promote students’ intuitive understanding of mechanical structures， strengthen the integration of theory and practice， and innovate teaching content. These measures aim to stimulate students’ interest in learning， expand teaching content， and improve teaching quality to better meet the current needs of mechanical design education.

Key words： VR technology; 3D printing; mechanical manufacturing equipment design; teaching reform