基于3D打印技術的機械類課程教學改革

王瓊，雷子鑫，楊琳琳，阮朝然，李才令，起源澤，張杰

（云南農業大學 機電工程學院，云南昆明 650201）

我國增材制造技術目前已覆蓋了制造、 醫療、教育、航空航天、軍事等多個領域。3D 打印作為一項快速成型技術，目前雖未大規模在生產生活中使用，但勢必成為制造業中的新興一族。 現階段高校的機械類課程應順應發展趨勢，使傳統與現代結合，滿足新工科發展的要求[1]。

1 機械類課程傳統教學存在的問題

1.1 采用傳統教學方式，導致學生空間思維呈直線形

空間思維想象能力是人們對客觀事物的空間形態進行觀察、認知、分析的抽象思維能力，它是人們生來不具有、 必須經過一定的訓練才能發揮出來的一種思維能力。 機械類課程實踐性很強，教學難度大，要求學生空間思維想象能力高。 高校機電部分教師沒有經過制造業的鍛煉，對機械類課程存在認識偏差，沿用在學校學習的知識和方法，注重理論教學，加之教具、課時等問題，導致課程結束時，大部分學生對一些基礎性、重要性的結構知識，沒能扎扎實實地理解和掌握，即進入下一個學習環節[2]。

1.2 教學方法單一，致使學生空間思維提升緩慢

機械類工程教育與科學教育是不同的，科學教學的最終目的是讓學生掌握人類傳承下來的科學理論、知識體系、科學研究方法；著重培養學生具有創新的意識和思維，能合理運用科學方法去發現問題的能力。工程是對人類改造物質世界的完整全部的實踐活動和過程的總稱[3]；工程教育要求在眾多事物中得到符合本質相對正確的結論，引導學生為了推進人類社會的進步去創造。 機械類課程要求學生在掌握理論的基礎上進行實踐，實踐相對理論來說占很大比例。

（1）課堂教學實施過程中，教學方法的多樣性是啟迪學生空間思維最好的催化劑。在實際教學中常出現以下幾個方面的問題： ①采用圖片、 仿真或教具進行講解，一部分學生對圖片或仿真還是難以接受，不能很好地想象出復雜零件的結構、工作原理等，導致學生易疲勞，思想開小差；②實物模型成本高，一些學校沒有模型，或能看不能拆分，難以展示其內部復雜結構，在一定程度上打擊了學生的積極性；③少部分教師思維仍停留在傳統制圖時代，對新的知識了解不足；④部分高校資金不足，資金要用在急需的環節，部分實物教具不足。

（2）在實施實踐教學過程中，由于資金的不足，機械類實踐教學也難以開展，少數學校只是為了完成教學大綱中規定的任務，而并未切實提升學生實踐能力，導致實踐教學流于形式；機械類學生到生產企業去實習時，由于學生對生產任務、崗位所需的操作技能不熟知，企業也不樂意接受學生到生產一線去跟班實踐，這就阻礙了學生實踐教學活動的開展[4]。

2 3D 打印技術對傳統機械制造領域的影響

3D 打印是屬于增材制造，與傳統的減材制造和等材制造不同，該技術借計算機自動控制、具有無模具、無工裝等特點。3D 打印這一“逐層增加材料”的數字制造技術充分體現出當今科技進步帶來的變革。3D 打印對制造業等行業將產生深遠的影響。從制造周期來講，3D 打印省去了傳統制作過程，使得制作周期大大縮短。 從使用材料來看，3D 打印系統可以實現不同材料的打印，來滿足不同領域的需要。 例如，金屬、石料、高分子材料都可以應用于3D 打印。傳統金屬加工過程中有大量金屬原材料被丟棄，而3D 打印過程中金屬材料浪費量較少，符合企業的降低成本、高效、質優的發展趨勢。

3D 打印與傳統制造對比，浪費原材料相對少，能得到設計者想要的實體模型。 傳統方式制造隨著工件形狀復雜程度的增加，制造成本也隨之增加，而利用3D 打印技術制造形狀復雜的物體，成本不會隨之增加。傳統的減材制造就是將原材通過車床、銑床、刨床、磨床、鉆床等方式，去掉材料的一部分從而達到我們想要的實體模型。

在一些特別復雜的零部件或者異形件的加工上，會出現傳統減材制造加工不出來的現象，所以在傳統的制造中，出現等材制造。鑄造、鍛造等方式都是等材制造，通過一定的方式來改變原材料的形狀，在材料質量不變的情況下獲得所需要的實體模型。

等材制造尤其像注塑、 模具等在實際的生產制造過程中已經變得越來越不可或缺，隨著社會的飛速發展，人們除了對產品性能的需求之外，對產品的外形越來越關注，其在市場中占據了越來越重要的地位。據報道，目前主要的制鞋企業開始用3D 打印鞋類產品。 而3D 打印這一技術能快速適應市場發展的需要，滿足人們對美好生活的追求。

3D 打印技術的出現，帶給人類前所未有的視覺沖擊，最廉價的線材3D 打印機的價格10年之內從幾萬元降到上1 千多元，同時打印速度成倍數加快。3D 打印改變了人們的生產模式，并且優化了人類的生產結構和工作環境。隨著科學技術的不斷進步，3D 打印技術必將在今后的個性化生產活動中得到廣泛的應用[5]。

因此，3D 打印技術作為傳統制造業的一種補充，與傳統制造業相互促進，提升制造業生產發展水平。

3 基于3D 打印技術的機械類課程教學改革

3.1 創新機械類課程授課理念

高校人才培養方案是根據不同專業的培養目標所制定的實施人才培養活動的具體方案。 高校要綜合考慮培養具有技能性、應用性的人才要求，動態編制新的方案或修訂培養方案，在課程體系的設計上要針對社會對機械專業人才的需求，面向行業、企業和現實社會生活，既要注重傳統基礎理論的夯實和前沿專業科技的發展，又要注重學科與課程的系統性和專業課程的教學實踐性[6]。 對于授課環節的改革，現階段的授課內容仍然是傳統的教與學的關系，教師按照教學計劃完成教學內容，而學生被動接受，缺少學生自主探究學習的過程，大大降低了學生自主創新的積極性，導致部分學生在課堂上活躍度較低，往往不能按教師要求完成教學目標。設計創新性實驗課堂尤為重要，創新性實驗是一種對學生綜合能力要求更高的實驗。 與傳統的實驗相比，創新性的實驗介于科學實驗與基礎教學實驗之間，這就要求學生不僅僅要掌握一些基本的機械類課程專業知識，還應該掌握一些跨學科的內容[7]。最后是考核的形式，教師往往布置統一的教學作業，這樣做的弊端在于無法準確衡量學生的設計建模能力，也不能保證考核的公平性，應擯棄傳統的考核方式，本著調動學生學習興趣和動手能力的目標，結合實際生產工作設計相應的考核要求。課堂上可根據教學計劃攜帶相應的實體機械零件，教師可指定部分學生進行逆向建模，或者學生可根據自己的喜好對有關零部件的某部位進行建模，進行打分評定，最后將其成績細化到期末考核中[8]。

3.2 引入3D 打印技術進課堂，拓展學生空間思維

3D 打印技術經過20 多年的發展、 其精度和其靠性已經相當成熟，尤其是金屬3D 打印不亞于傳統制造水平。但在大學本科機械類課程學習中，學習的側重點仍在于二維工程制圖學習。 涉及三維的建模課程如SolidWorks 等設計課程，雖然在一定程度上能夠提升學生學習三維建模的興趣，但因開課學時較少，導致學生只學習到基礎的知識。

在教學過程中將三維實體建模與二維工程圖結合起來，培養學生具有創意思維、創新精神、創業意識和創新創業能力的人才新機制，就是將3D 打印技術引入機械類教學，使其與傳統的機械類課程教學緊密地結合，在課堂教學中，采用啟發式等教學方法，激發學生的學習興趣，讓學生真正做到“心-腦-手”協調、同時調動，進而在課堂上產生主動學習的欲望、主動探索的求知欲，拓展學生空間思維能力。讓全體學生都在思考一個問題，如何用適合自己的方法，高效、快捷地完成教師布置的課堂設計任務。

教學中引入“產品主任設計師”模式與創新能力的培養[3]，讓學生組成項目設計小組，由主任設計師分配任務，這樣可以培養學生應用能力和分析解決問題的能力，完成項目設計。 并可開展設計作品鑒評，推出大家認為設計好的產品作品，進行3D 打印，并將打印實體模型保存積累起來，彌補教具的不足[9]。 這樣做的目的不僅可以增加學生學習興趣，在下次授課中，學生會更加專門學習，并能觸類旁通，已有的知識與技能更加扎實。 3D 打印的部件如圖1與圖2所示。

圖1 3D 打印的油泵部件

圖2 3D 打印的軸承與油泵

3.3 課堂實踐互動，調動學生的學習積極性

課堂實踐，作為機械類課程在讀學生實踐必不可少的一個重要環節，應為學生提供更多機會接觸所學習領域的最新動態與內容，但因各種原因，學生自主到相關行業實習的機會較少，往往只能從有限的渠道了解本專業內容。 授課教師應提供相應的多樣化的學習窗口，增加學生學習的不同平臺，讓學生體會到實體機械構造中蘊含的專業知識。因此，可在學期的實習活動中安排進行不同機械機構的設計與創新，增加3D 打印三維實體模型的實踐體驗環節，而這一切都將有利于提升學生的興趣及培養他們的創新思維，讓學生學習效率更加高效，達到教學目的。

4 結語

3D 打印技術對傳統制造業的工藝改進和新材料的應用，實現學科交叉融合，調動學生的學習熱情和積極性，讓學生更加注重基礎機械知識的學習，讓新興的技術更好地服務于機械類學科的學習，提升了學生創意思維、創新精神、創業意識和創新創業的能力，使學生做到優勢互補，保持內心的積極與熱情，打下扎實的專業基礎。