淺談3D打印技術在機械類課程教學中的應用

楊三艷+李艷

摘要：通過分析傳統機械類課程教學過程中存在的缺點，探討了在機械類課程教學實踐中利用3D打印技術的過程和方法，并闡述了該教學理念在實踐教學中的作用和成效。

關鍵詞：3D打印技術；機械類課程教學；應用

中圖分類號：G712 文獻標識碼：A 文章編號：1672-5727（2014）10-0166-03

隨著科學技術的不斷發展以及先進技術在生活、科研等方面的廣泛應用，眾多院校紛紛將現代先進技術引入課堂教學之中。廣州市工貿技師學院機械類專業教師在了解3D打印技術原理、總結3D打印技術功能的基礎上，結合機械制造類專業中的機械制圖、機械原理、機械設計等課程內容，大膽地提出將3D打印技術應用在機械類課程教學中的想法，通過一年來的課程教學收到了良好效果。

項目緣起

在傳統機械類課程教學中，教師講解機械零件的結構、形狀、運動等，一般通過諸如掛圖、圖片、實物模型等教具開展教學。而這些教具通常存在一些問題，具體體現在以下三個方面：

第一，固定的、靜態的機械教具（如掛圖、圖片）不能很好地反映機械零件的形狀、結構、機械的運動原理和運動功能等。對于從事機械類專業課程教學的教師來講，最困難的教學內容莫過于讓學生了解機械零件的結構和基本原理，這就要求學生必須具備較好的空間想象力。然而，學生單靠掛圖、圖片等二維平面教具很難想象出零件的形狀、結構以及運動功能。

第二，傳統的機械實物模型成本較高。在傳統的機械制圖、機械原理、機械設計等課程教學過程中，教師通常采用實物模型教具讓學生了解機械零件的結構、機構的組成、運動特點等內容，然而，實體模型教具畢竟有限，不可能反映所有教學內容；同時，為了使學生能充分理解教學內容，教師要專門購買或制作模型，費用成本較高。

第三，傳統式的教學模式無法激發學生的學習興趣。在大量的科學信息技術被引入課堂教學的今天，單靠教師講、學生觀摩實物模型、查看工程圖等方式開展的教學已經很難引發學生的學習積極性，從而導致學生上課玩手機、打游戲、厭學等現象頻頻出現。

第四，傳統機械基礎課程教學課堂任務相對單一，且以大課堂為主，學生設計創新培養不足。在傳統機械基礎課程中，由于強調機械基礎原理的認識，所以課程以知識輸入為主，學生學習后的產出只能以書面形式的制圖、作業為主，形式單一，且千篇一律，學生的設計與創新無法在課堂上體現，與現今推廣的創新教育、個性化教育理念相悖。

機械類課程教學所采取的傳統教學方式存在眾多問題，特別是學生缺乏學習積極性，當學生遇到難以理解的機械結構和機械運動原理問題時就更不愿意學習了。為了解決學生學習積極性差、創造性思維不活躍等問題，學校教師嘗試把學校購置的幾款3D打印機用于實踐教學，收到了良好效果。通過學生自主設計、親手操作、驗證產品合理性等步驟，大大提高了課堂的學習效率以及學生動手、動腦的積極性，進一步激發了學生的創造性思維和靈感。

3D打印技術簡介

3D打印技術是一種以數字模型文件為基礎，運用一定材質的可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。它無需機械加工或任何模具就能直接從計算機圖形數據中生成任意形狀的零件，從而極大地縮短產品的研制周期、提高生產率，降低生產成本。

目前，根據3D打印機使用材質的不同，可以將3D打印技術劃分為高分子聚合反應技術、燒結和融化技術、粉末粘合技術、熔融沉積造型技術、層壓制造技術、氣溶膠打印技術、生物繪圖技術等。

隨著3D打印技術的不斷發展，越來越多的領域已經將3D打印技術應用到了產品設計開發的過程中，目前主要用于航空工業、汽車工業、專業設計（產品設計和建筑設計的模型制造）、醫療外科（量身定做的矯正牙套、假牙、助聽器）等領域。

教學實施過程及應用

為提高學生參與課堂教學的積極性，在利用3D打印技術開展機械類課程教學的過程中，教師一般將全班分成若干小組，一組4～6人，并要求以小組為單位進行3D作品的設計和打印。通過實踐教學摸索，學校機械類教師總結出利用3D打印技術開展機械類課程教學的方法和步驟：

第一步，實物測繪、軟件建模。由于3D打印機是以數字模型文件為基礎的打印工具，因此，學生如要使用3D打印機打印作品，首先要做的事情就是利用機械繪圖軟件繪制出作品模型。對于中級班（初中畢業入讀）學生來講，學生只需要將看到的實物繪制成數字模型即可。而對于高級班（高中畢業入讀）學生來講，還必須進一步掌握機械運動原理以及機械設計。因此，對他們的要求是在繪制實物模型圖的基礎上進行不同造型，以開發他們的想象力和創意思維。讓學生繪制模型和動畫造型，對激發學習動機、掌握繪圖軟件技術起到了很好的作用。

第二步，打印3D模型。將繪制好的數字模型文件輸入到3D打印機中，進行3D模型的打印。由于所有的3D測繪全由學生自己完成，因此，在精度上可能不夠規范，會產生格式轉換后的三維數據不準確的問題，如方向反轉、產生縫隙、壁厚增加、多余幾何形狀、重復的面片等情況，而恰恰是這些問題為學生繪圖水平的提升提供了很好的機會。針對這些特殊情況的出現，教師不僅可以根據打印過程中出現的問題為學生進行詳細的分析和講解，同時，通過各種問題的出現，可進一步向學生強調繪圖要精確的作用和意義。

第三步，胚模修整。由于3D技術、材質、機型的不同，打印出來的3D胚模也有很大差異。為了節約成本，用于學生打印練習的3D打印機一般成本較低，使用的材質也為塑膠線條，打印出來的胚模在外觀方面和精確度方面還不夠好，需要對胚模進行修整，為接下來的零件裝配做準備。

第四步，零件裝配。打印出來的簡單零件一般不需要裝配，但是對于一些復雜零件（一般由多個零件體組成）仍需要進行裝配。該步驟不僅可以鍛煉學生的動手拆裝能力，還大大地鍛煉和提高了學生對機械原理、機械設計等方面的理解能力和想象能力。endprint

第五步，成品展示。隨著學生在3D打印作品中制作水平和技術方面的提升，教師會通過讓學生制作單個規則面零件體、單個不規則面零件體、多個規則面零件體、多個不規則面零件體等步驟讓學生逐漸熟悉和掌握繪圖和打印，在作品的展示方面，教師在評比時也有不同，對于簡單的零件體，教師通過測量精確度來進行評價；而對于開放性的自由命題的組合零件體，教師則會通過評比零件體的功能和做工的難易程度來評分，這無疑可給熱愛和有志于研究3D打印技術的學生充分的激勵和信心。

項目作用及成效

通過一年來的教學實踐，本校教師總結了3D打印技術在機械類課程教學中的作用和成效：

第一，提升了學生學習積極性。對于任何知識的學習，實踐動手操作遠比純理論講述更容易被學習者接受。由于技校多數學生是對理論學習具有排斥心理的“理論學習的失敗者”，如果每天再讓其在教室里學習理論，則難以激發其學習興趣。通過3D打印技術在實踐中的應用，不僅能夠讓學生親身感受到實踐動手的激情，同時也能激發他們潛藏已久的學習興趣，并從職業學校學生擅長的實踐領域體驗到“學習的成功感”，從而激發其學習動機。

第二，激發了學生的創意靈感。通過要求學生根據所學的機械制圖和機械設計等知識對作品自行設計（如學生自行設計的會變形的機器人、會跳的小青蛙、多彩的手機外殼等），并利用3D打印機對設計作品進行打印，有效地開發了學生的想象力，激發了學生的創意靈感，從而有助于培養創新型人才。

第三，增強了教學的實效性。在傳統機械制圖或機械基礎課程中，教師在講解組合體或介紹四桿機構等內容時，都是拿著一個模型給全班四五十人講解，然后模型在每個學生手里傳看一遍，再由教師引導學生進行理論課的學習。而現在通過3D打印機可以讓高年級的學生動手制作模型，并同時實現了低年級學生人手一個模型，并可以對模型進行測量、繪制、分析機構的特點，大大提高了教學的效率。同時，對于機械專業高級班和技師班的學生，在進行傳統的模具或夾具設計類課程時，有些學校只是讓學生“紙上談兵”，即僅僅讓學生在圖紙上進行設計；辦學條件稍好的學校，會讓學生自己加工出來，但在機床上用鋼材加工成本較高，特別是當有些設計不合理時，所造成的浪費更大。我院首先讓學生用3D打印機打印其設計的模具或夾具，在驗證是否可行之后，再用精密機床進行加工，從而大大發揮了教學的有效性。

第四，節約了大量的教學成本。在傳統的機械類課程教學中，很多教師都利用實物教具來進行教學，而一個實物教具價格都在百元以上，數量少，價格高，滿足不了所有學生的需要。自從引進購買3D打印機之后，學院機械專業的基礎課程不需要大批量購買教具，大部分教具是由高級班學生利用3D打印機打印而成的。自助打印的一個塑料制圖模型大概成本為幾毛錢，在大大節約教具成本的同時，也提高了學生的動手能力。

第五，促進了學生間的研討與合作。由于3D打印機的引入，機械基礎課可通過任務驅動的形式進行開展，通過布置目標要求等開放性的設計任務，學生可以小組的形式，通過合作與研討，逐步在工作中掌握相關的機械基礎要求，從而達到學生間的相互學習與促進，比只靠聽和看的學習方法，學習效率提升達40%以上，此外，學生的合作意識也能得到培養。

第六，學生的提問意愿大幅提升，教師的工作重點從講好課轉移到解決疑問上。3D打印機的引入，大幅提升了學生的學習意愿，教師可不再為如何講而發愁，因為學生在制作屬于自己的學業成果過程中，個人成就感大幅提升，課堂從被動學習變為主動學習，教師可以把精力更多地有針對性地放在學生身上，給不同的學生提供“一對一”的專業指導，解決了學生學習效率差異而導致部分學生跟不上進度的問題。

隨著3D打印技術的不斷發展以及其在實踐教學過程中的深入應用，相信它能夠為現代技能型人才的培養發揮更大的作用。

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（責任編輯：王璐）endprint