融入3D打印技術的機械三維CAD課程教學改革初探

摘 要：“興趣是最好的老師”，如何調動學生課堂上的學習興趣與主觀能動性一直是教學改革的焦點之一。本文探討了將3D打印技術融入到機械三維CAD課程的教學實踐之中，通過3D打印形成實物提高課程趣味性以激發學生的學習積極性，從而增強學生自主CAD設計并打印作品的主觀能動性，提高學生機械CAD（UG）三維造型能力。進而，形成以3D打印技術為載體驅動的機械三維CAD課程教學改革實施辦法。

關鍵詞：機械三維CAD 3D打印技術 教學改革 興趣 主觀能動性

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（c）-0107-02

3D打印，以經過智能化處理后的3D數值模型為基礎，通過逐層增加材料的方式來構造任意復雜的3D實體形狀[1]。時至今日，3D打印技術已在制造業中不可或缺并正在快速改變傳統的生產生活方式。三維數字模型文件是3D打印的基礎，而高職課程《機械三維CAD》課程的學習則是利用造型軟件進行數字模型文件的創建。眾所周知，教學活動中所呈現普遍性矛盾就是想方設法培養學生對所學課程的興趣[2]。由此，可將3D打印技術融入到機械三維CAD課程的教學改革之中，通過3D打印使三維數字文件實物化、具象化，實現產品（或模型）“即創作即得到”，從而極大地提高學生的學習興趣。從現實的教學效果來看，在涉及利用三維軟件進行模型創建以及自主創新設計時，學生們往往缺乏積極性與主觀能動性，而3D打印卻為我們提供了一個低成本高效率的實物成型技術平臺。在國外，3D打印已是一種時尚[3-4]，而國內也有為數不少的院校已組建3D打印實訓室。

本文探討了將3D打印技術融入到《機械三維CAD》課程的教學改革，希望藉此培養學生的興趣，激發學生學習的主觀能動性，從而改善學習效果。

1 3D打印技術概述

3D打印是一種以數字模型文件為基礎，運用不同形態的金屬、塑料或樹脂等材料，通過逐層堆積成型的方式來構造實物[1]。打印所需的模型文件可通過各種三維軟件進行數字建模，或逆向工程得到實物的掃描信息。模型文件導入機器后，需要進行模型的分層處理，一般是借助切片軟件對模型數據進行逐層分切，獲取每層的截面信息。切片軟件一般由3D打印機設備廠商提供。當數字模型文件創建成功后導入至切片軟件中，根據打印需求設置打印參數，之后切片軟件將自動進行切片，即模型微分過程。而3D打印成型則是積分過程，由每一層產品實體特征累積而成。

目前應用較為廣泛的3D打印為FDM成型工藝。FDM工藝是將待成形件的三維數字模型沿Z軸進行分層切片，然后利用PLA或ABS等材料經打印設備熔融后成型模型的每一層并依次疊加，最終堆積形成產品。我校新成立的3D打印實訓室正是FDM技術成型設備。

2 《機械三維CAD》課程的教學現狀

《機械三維CAD》課程是我校機制專業與數控專業培養方案的核心基礎課。通過前期教學發現同學們在利用UG建模時出現如下問題[1]。

（1）學生對于常見的拉伸、回轉等命令能夠正確使用，但在涉及到具體模型的創建時，其靈活應用能力較為欠缺。

（2）能夠完成老師布置的課堂作業，但利用課外時間進行自主學習的較少，缺乏主動學習的積極性。

（3）缺乏主觀能動性，沒有自主進行三維模型創意設計的意識。學生興趣欠缺，對于相對復雜的產品造型有畏難情緒，不肯動手動腦。

針對上述問題，歸根結底，應在教學過程中想方設法解決學生學習積極性不高的問題。例如，學生可以自己選擇自己感興趣的主題來設計作品并進行產品打印實現實物再現，以提高他們的學習興趣。

3 融入3D打印的《機械三維CAD》課程教學具體實踐

傳統的《機械三維CAD》課程是通過老師的講解來完成的，但學生在學習過程中感受不到造型設計的快樂，畢竟圖形始終是抽象不可見的。3D打印的出現，使得學生的設計作品可以一種低成本、快捷的方式得以實現，是將圖紙轉變為產品實物的最佳載體。學生在將自己的設計作品逐步變成現實的過程中得到了極大的成就感，如此則激發了學生的學習興趣。

明確告知大家最終的課程成績評價體系：對于作品造型完整且打印得到實物產品的同學，成績更優，而如有巧妙構思的造型設計則給予適當獎分。這樣，能夠最大程度地激發學生的創作熱情與源動力。

現以某次課堂教學任務為例進行機械三維CAD與3D打印成型的課堂教學實踐活動。在學生完成了常見的實體拉伸及簡單的曲面造型等命令的學習后，即可進行融入3D打印的造型設計實戰學習。老師需要布置設計作品題目的范圍：（1）再現重慶工程職業技術學院官方微信卡通虛擬代言人—工小程形象；（2）日常生活用品，具體不限。二者選其一。設計作品需用3D打印機打印實現并準備答辯PPT，講解自己的設計緣由、思路以及實現途徑。學生可根據自己的興趣自由選題，充分發揮設計者的創新力，最終每個同學在學期末都要提交自己獨立完成的設計作品。

圖1為3名同學就我校“工小程”形象進行造型的圖片?？梢钥吹?，在細節部分，如：眼睛、嘴巴與手指的造型各有不同，顯示出同學們的自主創新能力，體現了學生在學習過程中主觀能動性的發揮。圖2（a）為同學創建的水壺的三維數字文件，圖2（b）為水壺實物的3D打印過程，圖2（c）為多名同學3D打印呈現的水壺、臺燈等生活用品實物圖。實踐證明，同學們對于能夠進行實物成型的UG造型學習產生了濃厚興趣，學生在完成自己學習任務的過程中，自覺進行了各種不同生活用品的造型，熟練掌握了造型方法，提高了造型技能；并且，在相互的交流過程中也提高了自己的創新意識，這種自覺行為的學習起到了事半功倍的效果。

4 結語

通過實施以3D打印為載體驅動的機械三維CAD課程教學模式改革，大大提高了學生的學習積極性與主觀能動性，轉變了目前以教為主到以學為主的學習模式，真正做到了使學生主動學習。學生的學習不再只是繪制抽象的數字模型，使沉悶乏味的課堂變成了創意無限的工作室。教學改革的成果不僅能提高學生的各方面能力，而且培養了高職學生的自主學習行為。學生在主動參與、善于思考的過程中提高了動手能力和創新創意設計能力，也必將成為對社會有用的技術技能型優秀人才。

參考文獻

[1] 林雪冬，孫建，葉京川.基于3D打印培養高職生創新能力的探索與實踐[J].科技資訊，2017，15（25）：142-143.

[2] 王睿鵬，耿桂宏，張書杰，等.結合3D打印技術的機械三維CAD課程教學改革探索[J].電腦知識與技術，2016， 12（11X）：147-148.

[3] Steve Wilkinson，Nick Cope.Chapter 10-3D Printing and Sustainable Product Development [Z].Green Information Technology，2015：161，183.

[4] Christian Weller，Robin Kleer，Frank T Piller.Economic implications of 3D printing：Market structure models in light of additive manufacturing revisited[J].International Journal of Production Economics，2015，164（1）：43-56.