基于3D打印的應用型本科高校機械原理課程改革與實踐

雷蔓，張衛華，何曉芬

（貴州工程應用技術學院機械工程學院，貴州畢節551700）

基于3D打印的應用型本科高校機械原理課程改革與實踐

雷蔓，張衛華，何曉芬

（貴州工程應用技術學院機械工程學院，貴州畢節551700）

在學校向應用型本科高校轉型的大背景下，對機械類技術基礎課《機械原理》課程內容做了一些改革嘗試，把機械原理課程內容整合為連桿機構設計模塊、凸輪機構設計模塊、齒輪機構設計模塊、機構效率分析模塊、機構動力學分析模塊、機構受力分析模塊六大模塊，融入了NX運動仿真和3D打印的知識，從學生對機器的設計、比賽獲獎和學習興趣方面來看，課程的改革取得了一定的成果。

課程改革；3D打印；機械原理；應用型人才

應用型本科教育是以培養知識、能力和素質全面協調發展，面向生產、建設、管理、服務一線的高級應用型人才為目標定位的高等教育，貴州工程應用技術學院是貴州省首個向應用型本科人才培養轉型的本科高校，向應用型本科教育轉型，對于學校的工科專業來說，課程改革勢在必行。

在提升國家創新能力，大眾創業、萬眾創新的大背景下，機械原理課程作為一門機械類專業的創新類技術基礎課，其改革的方向必須有助于提高學生的機械創新設計能力，有助于提高學生的學習興趣和學習效率。

1 設計與建模仿真能力的培養

貴州工程應用技術學院的機械原理課程是在理論力學、機械CAD、材料力學、機械制造工藝學等課程的基礎上開設的。學生已經具備了機械原理課程所需分析、設計的基礎知識，并且具備了使用UG NX 8.0或其它設計軟件初步建模的能力。

（1）課程教學內容的改革。以郭衛東編寫《機械原理》為參考教材，圍繞三大設計（連桿機構設計、凸輪機構設計、齒輪機構設計）和三大分析（機構效率分析、機構動力學分析、機構受力分析），把機械原理課程內容整合為六大模塊，即連桿機構設計模塊、凸輪機構設計模塊、齒輪機構設計模塊、機構效率分析模塊、機構動力學分析模塊、機構受力分析模塊。

創新設計不是閉門造車，創新是在大量已有感性和理性知識的基礎上與實際問題結合的產物。機械原理課程改革，要以大量日常生活生產中的機器、機構為案例，擴展學生的見識、夯實學生的三大設計模塊基礎，三大分析模塊服務于三大設計模塊，為學生機械創新設計打下堅實的基礎。

（2）設計能力的培養與建模能力的提升。在機械原理課程中，傳統的作業、考勤、期末考試的考核形式不能有效培養和提升學生機械創新設計能力，考核方式必須改革。

機械原理課程在考核形式方面的改革應該以解決實際問題為導向，以能否解決實際問題、解決實際問題的程度作為考核評判標準。通過給出實際問題，讓學生根據機械原理所學的知識解決實際問題，帶著問題學習，能夠使學生的機械創新設計能力得到有效的鍛煉。

在連桿設計模塊，給出的問題是第七屆全國大學生機械創新設計大賽主題的內容，讓學生設計一種能載貨爬樓的機器。在老師的指導下，學生通過研究人的爬樓過程和連桿機構設計的相關知識，設計了新型爬樓機器，獲得了第七屆全國大學生機械創新設計大賽全國二等獎，培養了學生的創新設計能力。

在凸輪機構設計模塊，給出了采茶機用的相對難建模的余弦從動件圓柱凸輪的建模這一問題。學生學完凸輪機構設計模塊的知識后，運用自己已有的建模基礎，在教師的指導下完成了圓柱凸輪的建模，建模能力得到提升。

圖1 學生設計的爬樓機器及圓柱凸輪建模

在齒輪機構設計模塊，給出了水力抽水機用的增速齒輪的設計要求，學生設計并用FDM3D打印機打印了該齒輪，學生的綜合創新能力得到了鍛煉。

圖2 學生設計及3D打印的齒輪

（3）機構運動仿真能力的培養。能動的機構比圖紙更能展示其特性，能動的機構更能吸引學生的眼球，學生自己完成機構的運動仿真更能感受學習的樂趣。機構運動仿真軟件有ADAMS、NX中的運動仿真模塊等，由于NX中的運動仿真模塊容易上手，操作相對簡單，在機械原理課程的改革中加入了NX運動仿真模塊的內容。

通過上述內容可以看出，機械原理課程內容的整合及以解決實際問題為導向的考核方式改革，能夠提升學生的機械創新設計能力。

2 基于3D打印的“創客”式創新能力培養

目前學院有FDM 3D打印機（熔融沉積成型3D打印機）和SLA 3D打印機（立體光固化成型打印機），對于3D打印機，學生很有興趣，并且以打印出自己設計的作品為榮。

機械原理課程的改革，加入了3D打印的內容。3D打印的內容不需要很多，讓學生掌握所使用的3D打印機的原理，3D打印機的使用步驟即可。學生學習三大設計模塊過程中，對于書上的知識點或作業要求所涉及的機構，可以設計建模完成后通過3D打印機打印出來，進一步驗證機構特性。這樣有助于提高學生學習機械原理的興趣，提升學習效率。

在講到平面四連桿機構作圖設計時，哪怕是用了多媒體、動畫、黑板上演示等手段，都還是有學生沒有理解“鋼化反轉法”的精髓——用反轉的方法找到圓上三個點求圓心，甚至有的學生還懷疑鋼化反轉法的正確性。學生經過平面四連桿機構建模、3D打印、裝配、實際演示等階段的訓練后，對平面四連桿機構演化形式、急回角和急回特性、壓力角、死點位置等有了很好的理解和掌握，對于作圖法設計平面四連桿機構的原理有了更深認識。

創客是努力把各種創意轉變為現實的人，把“創客”思維運用在機械原理課程內容的改革中，讓學生體驗學有所用、學有所值的樂趣，提升學生的學習興趣。在講解三大設計模塊時，要求學生完成四連桿機構、凸輪機構、齒輪機構、蝸輪蝸桿機構、輪系等機構的設計、運動仿真并用3D打印及打印出來，極大提高了學生的學習興趣。

3 突出應用型人才的內涵

機械類應用型人才的定位就是要能夠服務于生產一線，應用型本科高校機械原理課程內容的改革要滿足企業生產一線對人才知識結構的需求。

具體在機械原理課程內容的改革上，刪除了用解析法分析和設計平面連桿機構的內容，用解析法設計凸輪廓線的內容，精煉連桿機構設計模塊、凸輪機構設計模塊、齒輪機構設計模塊、機構效率分析模塊、機構動力學分析模塊、機構受力分析模塊六大模塊的內容，以豐富的案例支撐教學內容，讓學生見多后方能識廣，更好地服務于生產一線。

4 結語

把機械原理課程整合為六大模塊，加入了NX運動仿真模塊和3D打印的內容，融入“創客”思想，使學生在機械原理這門課程上就能感受學有所用，設計即見結果的成就感，提升學生學習興趣和學習效率。

［1］姚智華，易勇，陳豐，等.應用型本科院校機械原理課程改革與實踐［J］.安徽工業大學學報（社會科學版），2013，30（1）：98-99+101.

［2］郭衛東.機械原理（第二版）［M］.北京：科學出版社，2013.

［3］王芳，王瑞芳，平學成等.基于虛擬樣機技術的機械原理課程改革與實踐［J］.中國輕工教育，2017，（1）：60-62.

雷蔓(1985-)，男，貴州黔西人，碩士，助教，主要研究方向：3D打印及數控加工技術。