3D打印技術及其對機械教學的應用

林桂平

【摘 要】3D打印技術在長期實踐應用過程中，已經變得越來越成熟，為機械教學改革提供了全新路徑，能夠借助打印出的3D實物，更加直觀地滿足學生了解各種三維零件設計特點的需求，在方便教師教講解抽象知識、激發學生學習興趣、提高課堂教學效率等方面發揮著重要作用。文章簡要介紹了3D打印技術，立足于中職機械教學現狀，對3D打印技術的有效應用進行了探討分析，以提供教學指導和借鑒。

【關鍵詞】3D打印技術 機械教學 教學現狀 有效應用

機械教學對學生空間思維能力有著較高要求，而傳統教學模式下大多都是以二維投影視圖方式，將三維零件圖形呈現給學生，學生無法更加直觀、清楚地了解到零件構造，學習效率較慢，不利于教學活動的高效開展。將3D打印技術應用到機械教學中去，可以有效改善這些問題，能夠打印出真實的3D零部件，便于學生觀察和分析，了解其結構特點，感悟復雜抽象的機械知識，進而其思維能力、設計能力、實踐能力都能夠得到提升。基于3D打印技術所體現出的多方面優勢，應實現其在機械教學中的有效應用，提高教學水平和教學質量。

一、3 D打印技術簡要介紹

3D打印即是快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。3D打印技術分為三維設計、切片處理和完成打印三個環節，首先應先根據打印需求設計3D模型，可借助3D軟件實現，也可用三維掃描儀完成，然后按照固定維度的坐標軸將設計完成后的3D模型切片形成多個剖面，最后進行逐層打印，以立體實物形式將打印成果呈現出來[1]。利用3D打印技術可以打印出機器人、各種模型、日常生活用品等真實的3D物體，在工業制造、模具制造、零部件制造等方面得到了廣泛應用，并且逐漸被引入到中職機械教學領域中，在提高教學質量和教學效率方面發揮著重要作用。

二、中職機械教學現狀

對于中職機械設計與制作教學來講，要求學生通過繪制圖紙并動手實踐的方式，將所學抽象知識轉化為真實的零件，才能達到最終教學目標，在這過程中，對學生思維能力、空間能力、創新能力、動手能力都有著較高要求。但是，就當前機械教學實際情況來看，一般都是依托二維投影視圖，引導學生通過空間想象將其轉化為零件圖和裝備圖，然后再完成零件制作。很多學生在最初學習階段，并不具備較強的空間想象能力，再加上機械知識抽象化特點以及零件結構復雜性特點，都使得機械教學難度較大，學生在了解、感知、認識三維零件時比較困難，不利于教學活動的順利開展及教學目標的實現。

傳統中職機械教學模式下，為幫助學生更好地認識機械零件，老師會在課堂上展示實體模型，或者借助手工教具開展教學，而模型和教具的制作基本由老師完成，學生沒有真正參與其中，課堂上缺乏學習興趣，不利于調動其學習積極性和主動性，動手能力、創新能力都得不到鍛煉。并且教師在準備模型和教具時，會耗費大量時間和精力，也會影響教學效率。另外，多媒體教學設備的應用，雖然能夠以可視化和立體化形式將零件呈現出來供學生觀察，但是學生無法直接借助零件，不具備真實感，也難以實現理想的教學效果，還會占用大量課堂時間，課堂教學效率較低。

在開展機械教學時，很多學生受平面思維的影響，其空間想象能力較弱，沒有運用立體思維思考問題。并且在機械設計和制作實際操作中，基于零件功能和結構的復雜化，僅僅依靠空間想象是無法將零件圖形有效組合在一起的。為改善這種教學現狀，應將先進技術引入到機械教學中去，創新教學方法，加快教學改革，引導學生建立立體空間思維，擺脫平面思維的束縛，進而才能實現理想的機械教學效果，提高教學效率和教學質量，而3D打印技術的應用，可以滿足當下機械教學改革需求，已經引起了廣泛關注和重視。

三、3D打印技術在機械教學中的有效應用

在中職機械教學中引入3D打印技術，可以有效改善傳統教學模式的弊端，對提高學生專業素養、促進學生全面發展具有重要意義，實際應用時可從以下幾方面考慮。

1.制作課堂教具

中職機械專業具有較強的實踐性，無論是圖紙設計還是零件制作，都需要學生積極參與其中，自己動手完成相關學習任務。在這過程中，往往會用到大量教具，比如刀具模型、閥門模型等，并且隨著教學內容的不斷更新，模型種類也變得越來越多樣化，借助3D打印技術，老師能夠根據教材內容制作相應的教具，以滿足實際教學需求。一方面，老師可自行制作教具，在課前利用3D打印機將教具模型制作好，在課堂上結合二維圖片、多媒體教學手段、實物模型展示等多種教學方法，講解抽象、復雜的機械知識，以更加直觀、簡單的方式將其呈現出來，便于學生理解和掌握[3]。另一方面，可讓學生參與到3D實物模型制作中去，引導學生以小組形式自主完成模型設計和模型制作，使學生能夠真切感受到零件的結構特點，加深學生對所學知識的理解，并讓學生自行設定3D打印機模型程序，制作出自己所想的教具模型，以此來激發其學習興趣，有利于高效課堂的構建。

2.實現機械設計可視化

中職機械專業的學生，在完成階段性學習后，通常需要自行設計作品，對學習成果進行檢驗，而作品設計一般都是在二維軟件和三維軟件中完成的，無法直觀的將零件結構呈現出來，可視化效果較差，很容易出現參數、角度、尺寸誤差問題，影響了作品最終設計質量。運用3D打印技術可以將相對復雜的零部件，切實呈現在學生面前，使學生有更直觀的感受，具有較強的可視化，零件組成結構及特點一目了然，學生可對參數、角度、尺寸進等進行嚴格把控，避免出現較大誤差，可以在最大程度上確保作品設計質量。比如在設計閥門時，借助3D打印機打印出閥門零件后，再進行實物組裝，將其與液壓或者氣動設備組合到一起，既能夠更加直觀的了解到閥門設計效果，還可以分析檢測液壓或者氣動系統的運行情況，當發現閥門不滿足實際運行需求時，能夠在第一時間調整設計方案，對閥門進行改進。3D打印技術不僅能夠以可視化形式完成機械設計，將其迅速轉化為實物，而且在對實物產品進行測試和修改時也更加方便，可大大節省機械實物制作實踐，提高機械教學效率[4]。

3.培養學生動手能力和創新能力

傳統中職機械教學模式存在實踐教學力度不足問題，實踐部分基本由老師演示、學生觀看方式為主，無法充分吸引學生注意力，開小差現象比較常見，并且還會扼殺學生的動手能力，也不利于其創新創造能力的形成，運用3D打印技術可以有效改善這一問題，對提高學生動手能力和創新能力意義重大。學生通過簡單培訓，便可以掌握3D打印機的正確使用方法，能夠根據自己所想自行設計并打印實物模型，制作個性化的教學模型，并對其進行測試和修改。無論是在老師指導下，還是學生分組合作，都可以全程參與到機械零件制作中去，其動手能力便會得到增強。并且，還可以提高學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，培養其創新思維，設計并制作出具有創新性的作品。比如，利用3D打印技術，學生可通過實際操作，清楚了解到一個圓柱體被另一個圓柱體貫穿后相貫線的形狀，并打印出來，既可以增強自身動手能力，又能夠通過觀察發現問題，并通過思考將其有效解決，在實踐中得出結論并不斷提升自我，促進學生的全面發展。

四、結束語

在中職機械教學中應用3D打印技術，可以改善傳統教學模式的不足，在提高教學效率、教學質量等方面作用顯著，同時還可以提高學生的綜合素質與能力，培養更多的高素質機械專業人才。實際教學過程中，應充分認識到3D打印技術的教學優勢，從經濟性方面考慮，既要確保3D打印機性能和質量，又要盡可能的降低教學成本，科學配置教學設備，為教學活動的順利開展提供基礎保障。并且，機械專業教師和學生應學習并掌握3D打印機技術，有效解決所遇到的技術問題，才能更好的將其應用到教學中去，實現更加理想的教學效果。

參考文獻

[1]付昱，蒿麗萍，侯麗媛，等.3D打印技術及其對機械教學的啟迪[J].內蒙古電大學刊，2015，（1）：101-104.

[2]董啟迪.探討3D打印在中職機械制圖教學中的應用[J].新課程（下），2016，（5）：62-62.

[3]楊義準.3D打印技術及其對機械教學的應用[J].科學中國人，2016，（5）：46-46.

[4]朱鵬.3D打印技術與機械制圖教學結合創新應用的研究[J].當代教育實踐與教學研究，2017，（10）：181-182.