3D打印在機(jī)械原理課程創(chuàng)新中的應(yīng)用

徐文　周麗紅　劉鈺如

摘 要：3D打印技術(shù)在高效工科教學(xué)教研活動(dòng)的應(yīng)用方興未艾，3D打印技術(shù)具有環(huán)保高效、加工靈活、適于設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，將其引入到機(jī)械原理課程教學(xué)中十分便利。研究了3D打印機(jī)械原理課程教具、3D打印用于知識(shí)點(diǎn)的鞏固、3D打印用于課程設(shè)計(jì)和用于機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)比賽等實(shí)踐方法，總結(jié)了3D打印應(yīng)用于機(jī)械原理課程需要主要的幾個(gè)問題。改進(jìn)了教學(xué)方法，改進(jìn)了機(jī)械原理課程的考核評(píng)價(jià)體系，考核方式更加突出學(xué)生應(yīng)用理論知識(shí)解決實(shí)際設(shè)計(jì)問題的能力。

關(guān)鍵詞：機(jī)械原理 3D打印 教學(xué)創(chuàng)新

The Application of 3D Printing in the Innovation of Mechanical Principle Course

Xu Wen Zhou Lihong Liu Yuru

Abstract：The application of 3D printing technology in high-efficiency engineering teaching and research activities is in the ascendant. 3D printing technology has the characteristics of environmental protection， high efficiency， flexible processing， and suitable for design. It is very convenient to introduce 3D into the teaching of mechanical principles. The article researched the practical methods of 3D printing mechanical principle course teaching aids， which is used to consolidate knowledge points. 3D printing is also used in course design and mechanical innovation design competitions. The article summarized the main problems of 3D printing applied to mechanical principle courses. The teaching method has been improved， and the evaluation system of the mechanical principle course has been improved. The evaluation method has highlighted the ability of students to apply theoretical knowledge to solve practical design problems.

Key words：mechanical principle， 3D printing， teaching innovation

1 引言

機(jī)械原理課程作為傳統(tǒng)的機(jī)械類核心專業(yè)課，主要講授機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特征和動(dòng)力學(xué)特征，理論性強(qiáng)，涉及力學(xué)部分抽象，學(xué)生不便于理解，使用3D打印技術(shù)制作相關(guān)教具能有效輔助理論教學(xué)。新工科教育強(qiáng)調(diào)學(xué)生知識(shí)和能力的共進(jìn)發(fā)展，將3D打印技術(shù)引入教學(xué)，在經(jīng)費(fèi)允許的情況下，能夠最大程度地調(diào)動(dòng)學(xué)生動(dòng)手的積極性，鼓勵(lì)學(xué)生課后組成興趣小組，進(jìn)而參加各類機(jī)械創(chuàng)新大賽，這對(duì)于傳統(tǒng)理論教學(xué)是一種有利的補(bǔ)充和創(chuàng)新。3D打印所需設(shè)備相對(duì)簡易，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、費(fèi)用高等問題[1]，適合機(jī)械原理課程的實(shí)踐教學(xué)。本文主要研究了3D打印在機(jī)械原理課程教學(xué)中的具體應(yīng)用和創(chuàng)新實(shí)踐。

2 3D打印技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)已在高校的課程創(chuàng)新實(shí)踐中有所應(yīng)用。翟彥飛根據(jù)教學(xué)實(shí)踐著重分析了3D打印在機(jī)械專業(yè)課教學(xué)創(chuàng)新中應(yīng)用的優(yōu)勢[2]。史洪松針對(duì)3D打印在機(jī)械設(shè)計(jì)課程中的應(yīng)用思路進(jìn)行了探討[3]。毛瑋等人針對(duì)3D打印技術(shù)在機(jī)械原理教具制作中的應(yīng)用進(jìn)行了研究[4]。

各高校都在積極實(shí)踐的基礎(chǔ)上對(duì)3D打印技術(shù)在機(jī)械專業(yè)課程教學(xué)中的創(chuàng)新應(yīng)用進(jìn)行了深入的探討，但對(duì)機(jī)械專業(yè)課程教學(xué)中3D打印教學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐使用范圍小，主要局限于輔助理論課教學(xué)，應(yīng)用實(shí)踐不是很充分。3D打印進(jìn)課堂也需要更多組織形式方面的探討，并非一蹴而就。本文將從機(jī)械原理課程教學(xué)創(chuàng)新的多個(gè)方面論述3D打印的應(yīng)用情況，為促進(jìn)機(jī)械原理課程教學(xué)方法和內(nèi)容的改革提供借鑒。

3 3D打印在機(jī)械原理教學(xué)中的應(yīng)用

高校新工科教學(xué)改革一個(gè)重要的方面是要改變傳統(tǒng)課堂教學(xué)中“老師講，學(xué)生聽”這種被動(dòng)輸入式的教學(xué)模式，提倡翻轉(zhuǎn)課堂，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，提高學(xué)生動(dòng)手能力。在理論課程教學(xué)的基礎(chǔ)上保證學(xué)生參與實(shí)踐操作的時(shí)間是一個(gè)教改難題。3D打印設(shè)備操作方便，教師教學(xué)和學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐上手都很快，與機(jī)械專業(yè)建模軟件對(duì)接良好，可以很好解決傳統(tǒng)輔助教學(xué)設(shè)備資源不充分、操作安全風(fēng)險(xiǎn)大、不易銜接課堂等問題。本文將3D打印技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械原理課程教學(xué)主要表現(xiàn)為以下三個(gè)方面：用于教具的制作;用于課程設(shè)計(jì);用于機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)比賽。

3.1 3D打印制作課程教具

機(jī)械原理作為機(jī)械專業(yè)基礎(chǔ)核心課，其理論知識(shí)多而繁復(fù)，原理內(nèi)容較深?yuàn)W且抽象，抽象的原理性內(nèi)容教學(xué)很容易使學(xué)生在課堂上注意力不集中，上課質(zhì)量因此受到影響，嚴(yán)重影響教師授課效率，學(xué)生接受程度也難以跟上教師的教學(xué)節(jié)奏。機(jī)械原理傳統(tǒng)教學(xué)也會(huì)有很多教輔手段的應(yīng)用，齒輪嚙合傳動(dòng)、桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)等大量內(nèi)容都會(huì)涉及到教具的使用。但是傳統(tǒng)教輔教具要么采購成本過于昂貴，要么加工不便利、花費(fèi)高，造成教輔資源嚴(yán)重不足的現(xiàn)象，而3D打印機(jī)械原理教具，可解決機(jī)械原理課程教具不足的問題。3D打印機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)備操作簡易靈活易上手，可以做到隨用隨打，利于老師突發(fā)靈感，打印更加適應(yīng)理論教學(xué)的教具。學(xué)生通過觀看和接觸3D打印各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具象化地認(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)死氣沉沉的氣氛，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂，刺激學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力，誘導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考，甚至引導(dǎo)課堂。

3.2 3D打印用于知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)鞏固

機(jī)械原理課程的教學(xué)內(nèi)容較多，課后練習(xí)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、問答題、分析題等紙面練習(xí)，形式單一枯燥。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，例如通過打印實(shí)物印證設(shè)計(jì)的計(jì)算過程;通過打印實(shí)物印證較抽象的知識(shí)點(diǎn)的理解等。我們學(xué)校工程實(shí)訓(xùn)中心有20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。這對(duì)于鞏固學(xué)生課堂所學(xué)，激勵(lì)學(xué)生參與更多更豐富的課外實(shí)踐活動(dòng)都起到了積極作用。通過創(chuàng)新實(shí)踐，學(xué)生組成了一些興趣小組，學(xué)習(xí)熱情較之前有了很大提升。

3.3 3D打印用于課程設(shè)計(jì)

機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)是與機(jī)原理論課緊密相連的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)。我院傳統(tǒng)的機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一種沖床的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，從電機(jī)出發(fā)，學(xué)生要依次設(shè)計(jì)定軸輪系、六桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)，歷時(shí)一周到兩周的課程設(shè)計(jì)，學(xué)生要完成機(jī)構(gòu)尺寸計(jì)算、畫圖，工作量不飽滿。完成既定設(shè)計(jì)的模型制作將使設(shè)計(jì)過程完整起來，但傳統(tǒng)的機(jī)加方式對(duì)于學(xué)生而言安全隱患大，而手工制作模型對(duì)于學(xué)生的動(dòng)手能力又要求過高，這些問題都加大了實(shí)驗(yàn)室老師組織課程設(shè)計(jì)的難度。使用3D打印技術(shù)有效克服了上述困難，學(xué)生上手快，興趣大，我系甚至嘗試了學(xué)生自擬設(shè)計(jì)題目的做法，充分鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)，教學(xué)反饋良好，學(xué)生普遍反應(yīng)課程設(shè)計(jì)變得生動(dòng)了。實(shí)踐證明，3D打印有利于機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)更好地完成。

3.4 3D打印用于機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)比賽

機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)比賽是我院積極開展創(chuàng)新教學(xué)的重要任務(wù)，老師與學(xué)生都十分重視和珍惜比賽機(jī)會(huì)。每年舉辦的各類機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)比賽能讓學(xué)生有運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，提高設(shè)計(jì)和操作能力的實(shí)踐機(jī)會(huì)，其中挑戰(zhàn)杯比賽尤其引起學(xué)院的重視。在應(yīng)用3D打印技術(shù)之前，我系學(xué)生參加競賽，需要做出實(shí)物的部分都會(huì)遇到耗材成本高，設(shè)計(jì)思路更改及優(yōu)化不好進(jìn)行等問題，嚴(yán)重影響了學(xué)生參加比賽的積極性，有時(shí)還會(huì)打亂參賽的節(jié)奏，導(dǎo)致比賽獲獎(jiǎng)率低。帶隊(duì)老師經(jīng)驗(yàn)要求高、老師參與度不高等問題也制約了參賽任務(wù)的完成。將3D打印技術(shù)應(yīng)用于參賽項(xiàng)目實(shí)物制作之后，教師指導(dǎo)學(xué)生難度大大降低，學(xué)生也能根據(jù)比賽需要及時(shí)做出相應(yīng)實(shí)物，制作大大降低、優(yōu)化更改設(shè)計(jì)的時(shí)間成本也大大降低，學(xué)生參賽獲獎(jiǎng)情況大大改善。3D打印技術(shù)很好地支持了學(xué)生的創(chuàng)新能力訓(xùn)練，學(xué)生掌握創(chuàng)新實(shí)踐方法的能力得到了提高，創(chuàng)新意識(shí)有力增強(qiáng)。

4 3D打印應(yīng)用于機(jī)械原理教學(xué)需注意的問題

3D打印技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械原理課程教學(xué)，使學(xué)生有機(jī)會(huì)通過動(dòng)手動(dòng)腦，將課堂所學(xué)理論知識(shí)轉(zhuǎn)化成看得見的設(shè)計(jì)，學(xué)生進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)和實(shí)踐的能力得到了增強(qiáng)，對(duì)理論知識(shí)的理解由于實(shí)踐的支撐也更加深刻。3D打印技術(shù)的應(yīng)用促進(jìn)了機(jī)械原理課程教學(xué)由重理論輕實(shí)踐逐漸向?qū)W以致用的教學(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。但在機(jī)械原理教學(xué)過程中應(yīng)用3D打印技術(shù)也應(yīng)注意以下問題。

1.使用3D打印需要相應(yīng)的硬件設(shè)備和軟件條件，需要集中采購，學(xué)生需要掌握一種三維建模軟件，需要前置課程的支持。教師與學(xué)生需要掌握簡單的設(shè)備調(diào)試和維護(hù)技巧。打印耗材需要以學(xué)期使用量為單位進(jìn)行采購。

2. 桌面級(jí)打印機(jī)工作幅面不大，打印模型尺寸不宜過大。打印機(jī)對(duì)打印作品結(jié)構(gòu)有要求：不宜打印需要過多支撐的結(jié)構(gòu);不宜打印過于薄的機(jī)構(gòu);不宜打印過于復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3. 由于3D打印機(jī)數(shù)量有限，打印模型亦需要一定的時(shí)間，很難做到一人一機(jī)，因此教師在組織實(shí)踐教學(xué)的過程中要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組管理。每組成員合理分配打印時(shí)間，通過組織和小組內(nèi)調(diào)度，可以保證每組學(xué)生按時(shí)完成實(shí)物制作任務(wù)。小組成員在實(shí)物制作過程中亦可以相互交流。

5 總結(jié)

由于新工科對(duì)創(chuàng)新實(shí)踐的要求，將3D打印技術(shù)引入引入機(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打印用于知識(shí)點(diǎn)的鞏固、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)向知行合一的方式轉(zhuǎn)變。改進(jìn)了機(jī)械原理課程的考核評(píng)價(jià)體系，考核方式更加突出學(xué)生應(yīng)用理論知識(shí)解決實(shí)際設(shè)計(jì)問題的能力。

2019年度院級(jí)教研課題《3D打印技術(shù)在機(jī)械原理創(chuàng)新教學(xué)中的應(yīng)用》（2019CYYBJY019）。

參考文獻(xiàn)：

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