3D打印在機(jī)械原理課程教改中的應(yīng)用

李永湘 何曉芬 馬秀勤 張寧

摘要：針對(duì)機(jī)械原理課程傳統(tǒng)教學(xué)中存在的重理論輕實(shí)踐問(wèn)題，將3D打印技術(shù)引入機(jī)械原理課程教學(xué)中。研究了3D打印機(jī)械原理課程教具、3D打印用于機(jī)構(gòu)等知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)鞏固、用于課程設(shè)計(jì)和用于機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)比賽等，總結(jié)了3D打印應(yīng)用于機(jī)械原理課程需要注意的幾個(gè)問(wèn)題。通過(guò)3D打印技術(shù)改進(jìn)了教學(xué)方法，提高了實(shí)踐操作時(shí)間，促使機(jī)械原理課程教學(xué)由偏理論輕實(shí)踐逐漸向理論實(shí)踐并重的教學(xué)方式轉(zhuǎn)變，考核方式更傾向于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的實(shí)際能力，提升學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械原理;3D打印;教學(xué)改革;OBE

中圖分類號(hào)：G64? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）05-0214-02

0? 引言

機(jī)械原理課程是機(jī)械類專業(yè)基礎(chǔ)課程，包含機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析、受力分析、運(yùn)動(dòng)分析，凸輪機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)等原理性內(nèi)容，理論課時(shí)占比重。而新工科教育、職業(yè)技能教育和OBE教學(xué)改革的要求是越來(lái)越強(qiáng)調(diào)學(xué)生知識(shí)和能力的全面發(fā)展。要改變?cè)械睦碚撜n時(shí)占比不是一件容易的事情。對(duì)于相同的內(nèi)容，實(shí)踐操作往往比理論講授需要花費(fèi)更多的時(shí)間。3D打印是一種基于數(shù)字模型，利用塑料等可粘合材料，逐層打印構(gòu)造實(shí)物的一種技術(shù)，可有效解決傳統(tǒng)機(jī)加工制造機(jī)械裝置實(shí)物耗時(shí)長(zhǎng)、費(fèi)用高等問(wèn)題，很適合于機(jī)械原理課程的實(shí)踐教學(xué)。為此，本文主要研究了3D打印在機(jī)械原理課程教學(xué)中的幾項(xiàng)具體應(yīng)用和需要注意的問(wèn)題。

1? 3D打印在課程教學(xué)中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

關(guān)于3D打印在課程教學(xué)中的應(yīng)用，有些高校教師對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究和實(shí)踐。例如，毛瑋等研究了3D打印技術(shù)在機(jī)械原理教學(xué)教具制作中的作用[1]。史洪松探討了3D打印在機(jī)械設(shè)計(jì)與原理教學(xué)中的應(yīng)用思路和優(yōu)勢(shì)[2]。王小新等將3D打印應(yīng)用于塑料制品設(shè)計(jì)課的教學(xué)工作中[3]。翟彥飛分析了在機(jī)械專業(yè)課教學(xué)中應(yīng)用3D打印的優(yōu)點(diǎn)[4]。李定玉等探討了力學(xué)課程中3D打印技術(shù)的應(yīng)用[5]。王明振等研究了3D打印技術(shù)在新工科實(shí)驗(yàn)課程中的應(yīng)用[6]。孫文柱等探討了航空儀表設(shè)備課程教學(xué)中3D打印技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐[7]。高延峰等研究了機(jī)器人課程教學(xué)中應(yīng)用3D打印技術(shù)的好處[8]。尹濤研究了機(jī)械專業(yè)課程教學(xué)中3D打印應(yīng)用實(shí)踐[9]。郭美君研究了FDM3D打印運(yùn)用于機(jī)械專業(yè)課程的教學(xué)改革實(shí)踐[10]。王莉霞等研究了機(jī)械制圖課程教學(xué)改革中3D打印技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐[11]。林春宇探討了機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教改中的UG建模和3D打印技術(shù)綜合應(yīng)用[12]。

以上文獻(xiàn)主要研究了3D打印的優(yōu)點(diǎn)和在不同課程教學(xué)中的應(yīng)用，對(duì)機(jī)械專業(yè)課程教學(xué)中的3D打印技術(shù)的應(yīng)用主要局限于教學(xué)教具制作，使用的范圍小，應(yīng)用實(shí)踐也不是很充分。本文將3D打印運(yùn)用于機(jī)械原理課程教學(xué)中多個(gè)方面，促進(jìn)機(jī)械原理課程教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容的改革，提高學(xué)生動(dòng)手操作能力和課程學(xué)習(xí)的獲得感。

2? 3D打印在機(jī)械原理教學(xué)中的應(yīng)用

當(dāng)今高校新工科和OBE教學(xué)改革的一個(gè)重要方面是要改變傳統(tǒng)課堂教學(xué)中的填鴨式教學(xué)模式，提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力。在滿足理論教學(xué)的同時(shí)如何提高學(xué)生實(shí)踐操作時(shí)間和參與機(jī)會(huì)是一個(gè)急需解決的教改難題。3D打印機(jī)操作方便，學(xué)生上手快，與UG、Pro/E、Solidworks等機(jī)械工程應(yīng)用軟件對(duì)接良好。以機(jī)械專業(yè)基礎(chǔ)課程機(jī)械原理為例，3D打印技術(shù)在機(jī)械原理課程教學(xué)中的應(yīng)用主要有：用于機(jī)械原理教具的制作;用于機(jī)構(gòu)等知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)鞏固;用于課程設(shè)計(jì);用于機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)比賽等。3D打印技術(shù)的應(yīng)用，可豐富課程教學(xué)方法，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)機(jī)械原理主要知識(shí)點(diǎn)的理解，提高學(xué)生課程教學(xué)活動(dòng)參與度和動(dòng)手能力。

2.1 3D打印機(jī)械原理課程教具

機(jī)械原理課程中的理論知識(shí)很多，原理性內(nèi)容深?yuàn)W而抽象，抽象的原理性內(nèi)容教學(xué)很容易使學(xué)生在課堂上犯困，學(xué)生的接受程度難以跟上教師的教學(xué)節(jié)奏。3D打印機(jī)械原理教具，可以彌補(bǔ)學(xué)校專業(yè)課教具不足，有效解決機(jī)械原理課程教學(xué)的抽象問(wèn)題。教師在講解理論知識(shí)的同時(shí)，可通過(guò)3D打印的實(shí)物模型演示給學(xué)生看，可有效提高教學(xué)效果。學(xué)生通過(guò)觀看和接觸3D打印的凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、連桿滑塊機(jī)構(gòu)等直觀認(rèn)識(shí)不同機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，增強(qiáng)對(duì)不同機(jī)構(gòu)工作原理的認(rèn)識(shí)。3D打印機(jī)械原理課程教具，可改變傳統(tǒng)機(jī)械原理課堂教學(xué)格局，充分發(fā)揮理論教學(xué)、案例教學(xué)、啟發(fā)式教學(xué)等多種方式相結(jié)合的混合式教學(xué)的長(zhǎng)處。

2.2 3D打印用于機(jī)構(gòu)等知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)鞏固

機(jī)械原理課程的教學(xué)內(nèi)容很豐富，課后作業(yè)是學(xué)生鞏固課堂所學(xué)知識(shí)的一種非常有效的方法。傳統(tǒng)的作業(yè)形式都是以計(jì)算題、問(wèn)答題、分析題等的文字型作業(yè)，形式單一。借助3D打印技術(shù)，我們可以將課后作業(yè)的形式變得多樣化，例如可以將作業(yè)布置成制作連桿機(jī)構(gòu)模型等等。我們學(xué)校工程實(shí)訓(xùn)中心有30多臺(tái)3D打印機(jī)，學(xué)生可以在課后利用3D打印機(jī)制作出機(jī)構(gòu)模型實(shí)物。這就不僅僅是需要學(xué)生動(dòng)腦，還需要學(xué)生動(dòng)手操作。從而可以進(jìn)一步優(yōu)化和調(diào)整機(jī)械原理課程理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的比重，使機(jī)械原理這門專業(yè)課教學(xué)更能發(fā)揮出其應(yīng)用性，可促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣。

2.3 3D打印用于課程設(shè)計(jì)

機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)。根據(jù)教學(xué)安排，每個(gè)機(jī)制專業(yè)班級(jí)在上完機(jī)械原理理論課程后有兩周時(shí)間用于機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)。兩周時(shí)間不是很長(zhǎng)。在此期間，學(xué)生需要完成機(jī)械裝置的原理分析、理論計(jì)算、畫圖和制作模型。雖然每個(gè)組一般會(huì)有4～6名同學(xué)，但在兩周內(nèi)完成所有的工作還是存在一定困難，尤其是所設(shè)計(jì)的機(jī)械裝置比較復(fù)雜的情況。這些工作中，制作模型的過(guò)程是很耗費(fèi)時(shí)間。如果采用鋼材進(jìn)行機(jī)加工，不僅時(shí)間長(zhǎng)，而且其中涉及的安全問(wèn)題也是任課教師需要時(shí)刻關(guān)注的。而采用3D打印技術(shù)加工實(shí)物模型，時(shí)間上與機(jī)加工稍長(zhǎng)，但是3D打印非常安全，學(xué)生也容易掌握3D打印機(jī)的操作，相對(duì)來(lái)說(shuō)，給學(xué)生培訓(xùn)3D打印機(jī)操作的時(shí)間比培訓(xùn)數(shù)控機(jī)床操作的時(shí)間要短很多，這樣，3D打印總的時(shí)間更少，也更安全。3D打印有利于機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)的圓滿完成。

2.4 3D打印用于機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)比賽

應(yīng)用型大學(xué)本科生培養(yǎng)的一個(gè)重要方面是培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力。學(xué)生在校期間除了學(xué)好課堂上的理論知識(shí)外，還需要能將專業(yè)知識(shí)運(yùn)用于實(shí)際，解決實(shí)際問(wèn)題。每年舉辦的全國(guó)大學(xué)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)比賽就是一個(gè)很好的活動(dòng)，能讓學(xué)生有運(yùn)用知識(shí)、提高操作能力的實(shí)踐機(jī)會(huì)。機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)比賽是需要比賽選手做出實(shí)物出來(lái)的。而在機(jī)床設(shè)備等不是很充分，加工能力不是很足的情況下，3D打印可以從一定程度上彌補(bǔ)這種缺陷，幫助學(xué)生將實(shí)物作品打印出來(lái)。通過(guò)3D打印的實(shí)物模型同樣具有較好的強(qiáng)度，完全能展示出作品各項(xiàng)功能。不僅機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)比賽，其它類型的一些比賽也可以通過(guò)3D打印技術(shù)制作出比賽作品，3D打印較好地支持了學(xué)生的各項(xiàng)創(chuàng)新能力訓(xùn)練。

3? 機(jī)械原理教學(xué)中使用3D打印需注意的問(wèn)題

在機(jī)械原理課程教學(xué)中通過(guò)使用3D打印技術(shù)，改進(jìn)了教學(xué)方法，提高了實(shí)踐操作時(shí)間，促使機(jī)械原理課程教學(xué)由偏理論輕實(shí)踐逐漸向理論實(shí)踐并重的教學(xué)方式轉(zhuǎn)變。進(jìn)一步完善了機(jī)械原理課程的考核評(píng)價(jià)體系，考核方式更加傾向于解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)的實(shí)際能力，提升學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)，考核內(nèi)容更全面，考核方式更科學(xué)，知識(shí)與能力的考核并重。在機(jī)械原理教學(xué)中使用3D需注意以下幾個(gè)問(wèn)題：

①使用3D打印需要具備基本的硬件條件和軟件條件，學(xué)校需要有一定數(shù)量的3D打印機(jī)和3D打印材料，學(xué)生需要掌握至少一種三維建模軟件，例如Solidworks、UG、Pro/E等等。教師需要將3D打印機(jī)的使用操作步驟傳授給學(xué)生，好讓學(xué)生能夠自主使用3D打印機(jī)打印作品。

②單個(gè)打印的模型不宜太復(fù)雜，尺寸不宜過(guò)大。每臺(tái)3D打印機(jī)的打印能力是有限的。教師布置給學(xué)生的作業(yè)，或?qū)W生自己設(shè)計(jì)的作品，在使用3D打印機(jī)打印的時(shí)候，總長(zhǎng)、總寬、總高等尺寸不能超過(guò)3D打印機(jī)的尺寸界線。若作品尺寸過(guò)大，應(yīng)該將作品各部分分拆進(jìn)行打印。

③教師需要對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組管理。由于3D打印機(jī)的數(shù)量有限，3D打印模型是需要耗費(fèi)時(shí)間的，因此，很難做到一個(gè)學(xué)生一臺(tái)3D打印機(jī)，把學(xué)生進(jìn)行分組就很有必要。每組需要設(shè)1名組長(zhǎng)進(jìn)行管理。每組可以合作一個(gè)作品或幾個(gè)作品，這樣可以保證每組的學(xué)生都能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)物制作作業(yè)。學(xué)生在實(shí)物制作過(guò)程還能相互交流，相互促進(jìn)，增長(zhǎng)知識(shí)和能力。

4? 總結(jié)

針對(duì)機(jī)械原理課程傳統(tǒng)教學(xué)中存在的重理論輕實(shí)踐問(wèn)題，結(jié)合OBE教學(xué)改革和新工科建設(shè)要求，將3D打印技術(shù)引入機(jī)械原理課程教學(xué)中。研究了3D打印機(jī)械原理課程教具、3D打印用于機(jī)構(gòu)等知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)鞏固、3D打印用于課程設(shè)計(jì)和3D打印用于機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)比賽等，改進(jìn)了教學(xué)方法，提高了實(shí)踐操作時(shí)間，促使機(jī)械原理課程教學(xué)由偏理論輕實(shí)踐逐漸向理論實(shí)踐并重的教學(xué)方式轉(zhuǎn)變。完善了機(jī)械原理課程的考核評(píng)價(jià)體系，考核方式更加傾向于解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)的實(shí)際能力，提升學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)，考核內(nèi)容更全面，考核方式更科學(xué)，知識(shí)與能力并重。

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