3D打印技術(shù)在機(jī)械制圖教學(xué)中的創(chuàng)新應(yīng)用

梁時(shí)光 王 楠 武文博

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院 北京 100176）

0 引言

我國已經(jīng)逐步邁入智能化時(shí)代，智能化的生產(chǎn)模式對(duì)專業(yè)技術(shù)人員的要求在不斷的提高，與此同時(shí)也對(duì)職業(yè)教育的教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)提出了更高的要求，因此必須進(jìn)行相應(yīng)的課程改革。

《機(jī)械制圖》課程是培養(yǎng)學(xué)生如何繪制和閱讀工程圖樣的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是工科專業(yè)里一門傳統(tǒng)的經(jīng)典的課程，作為專業(yè)入門級(jí)課程，有著其舉足輕重的地位和作用，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和創(chuàng)新精神有著重要的作用。但是這種傳統(tǒng)課堂在面對(duì)從小生活在信息時(shí)代、網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的學(xué)生來講，它的吸引力不足的現(xiàn)象是越來越嚴(yán)重了，我們開始將3D打印技術(shù)應(yīng)用于這門傳統(tǒng)課程當(dāng)中，以尋求更好的教學(xué)效果。

3D打印技術(shù)是一種快速成型的新技術(shù)，在二十世紀(jì)80年代就已經(jīng)出現(xiàn)了，從開始在實(shí)驗(yàn)室萌芽，到后來開始應(yīng)用在醫(yī)療模型、建筑模型等行業(yè)，現(xiàn)在3D打印技術(shù)開始越來越靠近人們的生活，3D打印機(jī)也越來越平民化。它是以數(shù)字模型為核心，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過一層又一層的多層打印方式，來打印零部件。

將3D打印技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械制圖的教學(xué)中，旨在提升學(xué)生的數(shù)字素養(yǎng)，提升學(xué)生收集信息、編輯數(shù)據(jù)的能力，為學(xué)生拓寬思路，為后續(xù)的專業(yè)課程提供有力的依托和保障，做到既考慮當(dāng)前的教學(xué)活動(dòng)，又注重學(xué)生的未來發(fā)展。

1 機(jī)械制圖課程在傳統(tǒng)教學(xué)模式中存在的問題

目前學(xué)生在傳統(tǒng)課堂中出現(xiàn)的問題是很多的，由于本校專業(yè)總體設(shè)計(jì)，本門課程要求僅在一個(gè)學(xué)期內(nèi)完成，出現(xiàn)了時(shí)間緊、任務(wù)重的難題。就課程內(nèi)容而言，無論是它的投影理論，還是形體關(guān)系都是比較抽象、難于理解的，再加上學(xué)生本身的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)不牢，在傳統(tǒng)教學(xué)模式下很多學(xué)生的學(xué)習(xí)效果很不理想。

1.1 學(xué)生難以建立空間思維

空間思維是一種思維方法，是人對(duì)空間的想象力和創(chuàng)造力，是一種構(gòu)建二維表達(dá)和三維表現(xiàn)之間相互轉(zhuǎn)換的思維能力。有少數(shù)的學(xué)生在看到二維圖形的同時(shí)會(huì)快速建立其與三維立體空間的聯(lián)系，這是一種非常優(yōu)秀的思維能力，但是很多學(xué)生的這種空間思維能力偏弱或者說是有待于教師通過一系列教學(xué)活動(dòng)的展開來激發(fā)。

1.2 學(xué)生課堂參與程度低、積極性不高

在傳統(tǒng)的機(jī)械制圖課堂中，教師會(huì)借助PPT、視頻、教具等手段幫助學(xué)生建立二維圖形與三維立體之間的聯(lián)系，但是基本模式是教師講述、學(xué)生練習(xí)，學(xué)生容易形成對(duì)基本的知識(shí)層面的學(xué)習(xí)模式，這對(duì)于學(xué)習(xí)基礎(chǔ)好、自覺性強(qiáng)一些的學(xué)生當(dāng)然是有利的，但是對(duì)于一些基礎(chǔ)不牢、學(xué)習(xí)興趣需要不斷被新事物激發(fā)的學(xué)生就可能會(huì)出現(xiàn)課堂參與程度低、積極性不高的現(xiàn)象。傳統(tǒng)課堂模式中，圖形和立體的轉(zhuǎn)化一般出現(xiàn)在人們腦海之中然后呈現(xiàn)在紙面上，這需要依靠學(xué)生具有較強(qiáng)的空間思維和表現(xiàn)能力，因而不能充分培養(yǎng)大多數(shù)學(xué)生的創(chuàng)新思維和工程意識(shí)，因此在這次嘗試中我們將空間思維的想象轉(zhuǎn)化為直觀的立體呈現(xiàn)，相信這對(duì)一些學(xué)生的學(xué)習(xí)是有幫助的。

1.3 學(xué)生對(duì)于難點(diǎn)的理解不到位

傳統(tǒng)模式下，學(xué)生對(duì)于課程中部分重點(diǎn)難點(diǎn)的理解是有困難的，比如截交線的畫法經(jīng)常會(huì)讓學(xué)生感到束手無策。例如圖1所示的正六棱柱的截交線問題，通過基本體的學(xué)習(xí)，學(xué)生基本能夠繪制出正六棱柱的左視圖，但是對(duì)于其截交線的畫法通常會(huì)想的不太透徹，過去在遇到此類問題時(shí)，筆者會(huì)讓學(xué)生徒手繪制軸測(cè)圖來解決，但是部分學(xué)生對(duì)軸測(cè)圖這部分知識(shí)掌握得不夠好，所以一系列的連鎖反應(yīng)導(dǎo)致學(xué)生的思路在這里會(huì)出現(xiàn)斷路現(xiàn)象，甚至影響之后的組合體三視圖、剖視圖、零件圖等內(nèi)容的學(xué)習(xí)，很多學(xué)生甚至?xí)霈F(xiàn)放棄學(xué)習(xí)這門課的現(xiàn)象。按照學(xué)生學(xué)習(xí)需求打印出3D模型可以幫助學(xué)生建立空間思維，解決實(shí)際問題。

圖1：正六棱柱的截交線問題

圖2：學(xué)生打印的實(shí)物模型

基于以上的幾點(diǎn)常見的難題，我們將3D打印技術(shù)引入到機(jī)械制圖課程的教學(xué)中來。

2 基于3D打印技術(shù)的機(jī)械制圖課程改革

在課程中引入3D打印這部分內(nèi)容時(shí)，要給學(xué)生充分的自主性和靈活性，這樣可以發(fā)揮學(xué)生主動(dòng)創(chuàng)新、自主學(xué)習(xí)的意識(shí)。

2.1 結(jié)合工程設(shè)計(jì)表達(dá)競(jìng)賽創(chuàng)設(shè)3D打印興趣小組

3D打印興趣小組建立的初期是借助競(jìng)賽的力量創(chuàng)辦的，近年來我校學(xué)生一直參加北京市工程設(shè)計(jì)表達(dá)競(jìng)賽，競(jìng)賽的目的是檢驗(yàn)選手繪制和閱讀工程圖的能力、設(shè)計(jì)表達(dá)能力以及徒手繪圖和計(jì)算機(jī)繪圖的能力，比賽的內(nèi)容也是本門課程需要學(xué)生掌握和運(yùn)用的精髓，參加比賽的過程對(duì)于學(xué)生來講是一種梳理知識(shí)和運(yùn)用技能的過程。3D打印興趣小組的建立讓這部分學(xué)生能夠運(yùn)用自己所學(xué)知識(shí)、利用零散的時(shí)間來進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并且可以利用3D打印技術(shù)有效的幫助正在學(xué)習(xí)機(jī)械制圖課程中的低年級(jí)學(xué)生來解決重點(diǎn)難點(diǎn)問題。高年級(jí)的學(xué)生在興趣小組中是主導(dǎo)力量，在課堂中，教師也會(huì)招募一些有興趣有能力的低年級(jí)學(xué)生來參加興趣小組，實(shí)現(xiàn)老帶新、傳幫帶，讓學(xué)生有更多的自由發(fā)揮的空間，讓課外興趣小組成為課堂之外有效的延伸。

學(xué)生通過參加比賽、參加興趣小組可以學(xué)到很多的知識(shí)和技能，但是老師們會(huì)發(fā)現(xiàn)無論是學(xué)習(xí)繪制計(jì)算機(jī)二維圖還是三維圖，最關(guān)鍵最核心的都是學(xué)好機(jī)械制圖的基本理論。學(xué)生們學(xué)習(xí)軟件的能力往往強(qiáng)于他們學(xué)習(xí)機(jī)械制圖基本理論的能力，所以在興趣小組的任務(wù)安排中要注重對(duì)學(xué)生基礎(chǔ)理論的指導(dǎo)，軟件方面的知識(shí)可以安排學(xué)生們自主學(xué)習(xí)。

2.2 為學(xué)生進(jìn)行3D打印做準(zhǔn)備，在課堂上引入三維軟件

在課堂之外設(shè)立興趣小組的同時(shí)，在課堂中也要適時(shí)的引入三維建模的知識(shí)，一方面幫助學(xué)生在遇到重點(diǎn)難點(diǎn)問題時(shí)建立空間思維，另一方面會(huì)有效的激發(fā)學(xué)生們學(xué)習(xí)的積極性，因?yàn)楝F(xiàn)在大部分學(xué)生接觸電腦、軟件的時(shí)間較多，因而在學(xué)習(xí)繪圖軟件上他們有天然的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而就轉(zhuǎn)變了他們對(duì)這門傳統(tǒng)課程的看法，有效的轉(zhuǎn)化了一些學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)的抵觸情緒，當(dāng)學(xué)生們發(fā)現(xiàn)這門課沒有那么枯燥乏味，離他們的生活并沒有那么遙遠(yuǎn)時(shí)，就自然而然對(duì)課程的學(xué)習(xí)產(chǎn)生興趣了，也會(huì)發(fā)揮其自主學(xué)習(xí)的能力了。

例如圖3是在課堂教學(xué)中運(yùn)用三維造型軟件繪制的三通實(shí)體，在學(xué)習(xí)剖視圖畫法時(shí)，教師在軟件設(shè)計(jì)環(huán)境中可以旋轉(zhuǎn)、剖切實(shí)體，或利用內(nèi)窺功能讓學(xué)生弄清楚三通的內(nèi)部形狀特征，尤其能夠清楚的了解內(nèi)外相貫線的形成，因?yàn)橄嘭灳€對(duì)于很多學(xué)生來講一直都是難點(diǎn)。另外在學(xué)習(xí)裝配圖內(nèi)容時(shí)可以利用軟件中爆炸圖功能，直觀的講解裝配體裝配的過程，如圖4所示合成器裝配體的爆炸視圖，能夠加深學(xué)生對(duì)各種立體、零件、裝配體空間結(jié)構(gòu)及組成的理解。在課堂中運(yùn)用這些素材，對(duì)學(xué)生來講非常具有視覺沖擊性，能夠吸引學(xué)生的關(guān)注，進(jìn)而提高教學(xué)效果，并引發(fā)學(xué)生的自我探究式學(xué)習(xí)，當(dāng)學(xué)生擁有了學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力時(shí)，就會(huì)獲得意想不到的效果。

圖3：三通在內(nèi)窺功能界面中

圖4：合成器裝配體的爆炸視圖

學(xué)生通過參加3D打印興趣小組可以將課上所學(xué)的三通實(shí)體先在軟件中建模，之后打印出來的，整個(gè)過程只需要老師做一下規(guī)劃和建議，老師僅僅起到了導(dǎo)向和監(jiān)督的作用，學(xué)生們真正開始了自主學(xué)習(xí)、自主探究。這樣既鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)操能力，又讓學(xué)生獲得了一種自信心的正向積累。

2.3 建立“深度學(xué)習(xí)”模式

當(dāng)前，我國已經(jīng)逐步邁進(jìn)智能化時(shí)代，智能化時(shí)代生產(chǎn)模式在進(jìn)行深刻的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的變革，職業(yè)教育教學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)體系也必須做出相應(yīng)的改變。在這樣的時(shí)代背景下我們不得不思考，作為教師我們應(yīng)該做出怎樣的轉(zhuǎn)變，才能適應(yīng)不斷發(fā)展、不斷革新的新形勢(shì)，教育教學(xué)不可能只是刻板的知識(shí)的傳遞，它需要教師調(diào)動(dòng)資源來不斷充實(shí)課程內(nèi)容，開拓創(chuàng)新來豐富課程形式，并且充滿愛心和耐心來引導(dǎo)學(xué)生完成課程任務(wù)，要摒棄過去簡(jiǎn)單的教師講、學(xué)生聽、課后練的傳統(tǒng)教學(xué)模式。要?jiǎng)?chuàng)設(shè)環(huán)境培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維、批判性思維、合作能力和探究能力，建立“深度學(xué)習(xí)”這一模式。

我國學(xué)者郭華教授認(rèn)為，所謂“深度學(xué)習(xí)”，就是指在教師引領(lǐng)下，學(xué)生圍繞著具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題，全身心積極參與、體驗(yàn)成功、獲得發(fā)展的有意義的學(xué)習(xí)過程。當(dāng)然，在3D打印技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械制圖課程的過程中，選擇有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題、制定學(xué)習(xí)目標(biāo)、設(shè)計(jì)科學(xué)的學(xué)習(xí)活動(dòng)和開展持續(xù)性學(xué)習(xí)的評(píng)價(jià)顯得尤為重要。這種課程模式要求在教學(xué)過程中，教師學(xué)生共同合作建立一系列的數(shù)字素材，必要時(shí)可以用3D打印設(shè)備打印出來輔助教學(xué)活動(dòng)，將機(jī)械制圖的教學(xué)形成一套可以不斷充實(shí)、不斷完善的可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)體系。

2.4 建立多元化的教學(xué)考核評(píng)價(jià)體系

教學(xué)考核評(píng)價(jià)制度的制定是教學(xué)過程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，這樣會(huì)使得教學(xué)活動(dòng)形成一個(gè)完整閉合的正向系統(tǒng)，會(huì)不斷激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。教學(xué)考核評(píng)價(jià)制度應(yīng)該體現(xiàn)多元化特征，結(jié)合過程性評(píng)價(jià)和結(jié)果評(píng)價(jià)兩種方式，并設(shè)置多項(xiàng)考核內(nèi)容和指標(biāo)，全面考核學(xué)生的綜合能力，期末考核內(nèi)容主要由學(xué)習(xí)過程評(píng)價(jià)（30%）、項(xiàng)目實(shí)踐（20%）和理論考試（50%）3個(gè)方面所構(gòu)成。

其中，考核體系的設(shè)置要遵循以下幾個(gè)原則：

（1）保證基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)的比例。設(shè)置期末考試成績(jī)占總成績(jī)比例為50%，這樣仍然強(qiáng)調(diào)了考核基礎(chǔ)知識(shí)的重要性，學(xué)生不能因?yàn)橄矚g項(xiàng)目實(shí)踐環(huán)節(jié)而荒廢了對(duì)機(jī)械制圖基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)，越是進(jìn)行到有難度的問題中，就會(huì)發(fā)現(xiàn)機(jī)械制圖基礎(chǔ)知識(shí)的重要性。

（2）項(xiàng)目實(shí)踐考核設(shè)置環(huán)節(jié)分析。首先要進(jìn)行三維建模的合理性分析，因?yàn)榻５姆椒赡懿恢挂环N，要試圖幫助學(xué)生找到相對(duì)合理的方法；其次評(píng)價(jià)實(shí)物的打印效果，同樣的建模在不同機(jī)器上打印出來的效果基本上不會(huì)差太多，唯一有差別的地方，就是機(jī)器噴絲的方式不太一樣，有的打印機(jī)在打印層之間可進(jìn)行更平滑的過渡，實(shí)物打印效果也更加美觀，當(dāng)然隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步打印效果會(huì)不斷優(yōu)化；再有要鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)揮想象，做出具有獨(dú)創(chuàng)性的作品，這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神尤為重要；最后通過學(xué)生的匯報(bào)考察學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力及溝通能力。學(xué)生在進(jìn)行團(tuán)隊(duì)協(xié)作的過程中會(huì)學(xué)到很多超出知識(shí)層面的問題，這對(duì)學(xué)生今后的發(fā)展是相當(dāng)重要的。

3 教學(xué)反思

3.1 秉持“深度學(xué)習(xí)”理念，不斷給傳統(tǒng)課堂注入活力

在這種深度學(xué)習(xí)模式下，學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解會(huì)比較深刻，尤其是解決了真實(shí)的問題，這對(duì)學(xué)生來講是一個(gè)激勵(lì)，學(xué)生的學(xué)習(xí)投入程度、思維參與層次和個(gè)體認(rèn)知體驗(yàn)會(huì)不斷加強(qiáng)。學(xué)生可以發(fā)揮想象自由發(fā)揮，有些是與課程無關(guān)的，但是這帶給學(xué)生很大的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力，也給傳統(tǒng)課堂不斷注入活力。

3.2 課堂不能本末倒置，不能用技術(shù)的學(xué)習(xí)取代知識(shí)的學(xué)習(xí)

現(xiàn)在的學(xué)生從小就接觸手機(jī)電腦，他們從網(wǎng)絡(luò)上獲取信息的能力很強(qiáng)，有的學(xué)生很快就能將繪圖軟件命令學(xué)會(huì)，并且樂于學(xué)習(xí)軟件方面的知識(shí)，但是在整體教學(xué)過程中一定不能本末倒置，不能用軟件技術(shù)的學(xué)習(xí)取代制圖基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)軟件只不過是手段、方法，這門課程的首要目的是要讓學(xué)生建立空間思維。學(xué)生學(xué)習(xí)軟件的時(shí)間盡量安排在課后，課上要給學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)留有足夠的時(shí)間。學(xué)生進(jìn)行3D打印的難度不宜過大，這樣會(huì)占用過多時(shí)間和精力，有能力的同學(xué)可以鼓勵(lì)其自學(xué)。

3.3 高職學(xué)生同樣要關(guān)注科技動(dòng)態(tài)

課程學(xué)習(xí)的過程中會(huì)發(fā)現(xiàn)有些學(xué)生因?yàn)橐郧俺醺咧袑W(xué)習(xí)經(jīng)歷中的挫敗，會(huì)有一些自我否定的情緒或行為，因此在學(xué)習(xí)過程中一定要鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)自己重新審視、重新定位，過去的失敗不代表一切，鼓勵(lì)學(xué)生在目前工業(yè)4.0智能化網(wǎng)絡(luò)化不斷升級(jí)的過程中，一定要緊跟時(shí)代脈搏，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)已將我國制造業(yè)引入了智能化時(shí)代，學(xué)好技術(shù)，著眼于未來，抓住現(xiàn)在才是最關(guān)鍵。

3.4 關(guān)注學(xué)生的方法能力、社會(huì)能力和專業(yè)能力的培養(yǎng)

我們把能力歸為三大類：專業(yè)能力、方法能力和社會(huì)能力。我們以前常見的思維是一直強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生專業(yè)能力的培養(yǎng)，但是經(jīng)過一段時(shí)間的教學(xué)之后我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，對(duì)學(xué)生方法能力和社會(huì)能力的培養(yǎng)要優(yōu)先于專業(yè)能力的培養(yǎng)。方法能力在學(xué)生的就業(yè)尤其是未來發(fā)展中起著關(guān)鍵性作用，它包括分析能力、解決問題能力、判斷能力、抽象能力等多個(gè)維度；社會(huì)能力涉及團(tuán)隊(duì)意識(shí)、寬容度、合作能力、解決沖突、責(zé)任、反饋，以及對(duì)自身和他人負(fù)責(zé)的意識(shí)。單純的注重專業(yè)能力不利于對(duì)學(xué)生核心能力的培養(yǎng)，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械制圖教學(xué)中，用任務(wù)引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，也是對(duì)學(xué)生方法能力、社會(huì)能力和專業(yè)能力的綜合培養(yǎng)。如果學(xué)生擁有了方法能力、社會(huì)能力，那么在今后的學(xué)習(xí)和工作中都會(huì)擁有主動(dòng)權(quán)。在社會(huì)快速轉(zhuǎn)變的背景下，專業(yè)知識(shí)的統(tǒng)治地位逐漸讓位給更重要、更基本的能力，學(xué)生必須具有很強(qiáng)的行動(dòng)能力，才能夠在當(dāng)今變化迅速的勞動(dòng)力市場(chǎng)中生存。

4 結(jié)語

學(xué)生空間思維和工程意識(shí)的提升不是一蹴而就的，是一個(gè)持續(xù)的、連貫的、層層遞進(jìn)的過程，這需要教師不斷優(yōu)化課程的教學(xué)設(shè)計(jì)、開展教學(xué)實(shí)踐并不斷進(jìn)行反思和總結(jié)。相信通過不斷的努力，學(xué)生的綜合能力會(huì)得到不斷的提高。