3D 打印技術在高職機械制圖教學中的應用

趙 丹，周金盛

（河北科技工程職業技術大學，河北 邢臺 054000）

引言

3D 打印技術，又叫增材制造技術，狹義的增材制造是以激光、電子束等為熱源與CAD/CAM 結合分層成型；廣義的增材制造是以材料累積為特征，以直接制造零件為目標的大范疇技術群[1-3]，它是基于材料堆積法的一項全新的制造技術。

當前已有不少高職院校開設了與3D 打印相關的課程，并在教學上進行了積極的探索[4-6]。利用3D打印技術可以將書本中的專業模型轉化成三維實體，具有形象化、直觀化、可定制化等優點，根據不同教學內容的要求，可非常方便地設計所需要的3D 打印模型來輔助差異化的教學任務。3D 打印技術給高職教育機械制圖課程的教學手段和課堂設計提供了改革創新的思路。

1 當前機械制圖教學中存在的問題

1）在實際教學過程中，通常對機械制圖的理論知識比較看重，將知識灌輸給學生，同時由于機械制圖課程的特點，學生普遍具有畏難情緒，缺乏學習的積極性。

2）高職學生普遍動手能力強，擅長實操，但是學生的知識儲備相對薄弱，注意力有所欠缺。當下的機械制圖教學模式為邊講課、邊練習，練習即為實踐的一部分，可提高大部分學生的積極性。由于機械制圖課程要求學生具有良好的空間想象力，但仍有部分學生對三維立體圖形沒有準確的感知和想象能力，因此在課堂中不主動參與練習，聽課效果不佳。

3）機械制圖課教學過程中理論與實踐相分離，理論知識單獨講解，全部理論知識授課結束后再進行識圖實踐，導致學生在學習過程中對零件模型的立體認知不夠，學習效果欠佳。

本文將3D 打印技術同高職機械制圖課程教學相結合，基于BOPPPS 教學模式開展了教學課程設計探索，理論知識教學與3D 打印實踐并重，對于充分調動學生的上課積極性與提升教學效果有顯著促進作用。

2 教學課程設計探索

2.1 課程設計流程

以組合體三視圖——軸承座的畫法為例進行課程設計的介紹。當下的教學模式為由教師通過edrawing 軟件演示軸承座的三維模型，通過不同角度旋轉給學生觀察軸承座各個部分形體之間的連接關系，由學生畫出主視圖、俯視圖和左視圖。由于教師演示的局限性以及學生三維感知能力的欠缺，學生對肋板與圓筒之間的位置關系理解不到位，因此此處錯誤率較高。

將3D 打印技術引入到制圖課堂，由三維立體模型的演示轉變為學生動手將此模型打印出來，學生從觀察模型轉變為觀察實物，一方面提升了學習的興趣，學生親自打印實物增強了主人翁的意識，另一方面學生對該模型的產生過程有了深入的觀察。3D 打印方式為熔融沉積法，一層一層堆積，由下至上，打印過程中學生即可看到打印完肋板再打印圓筒時它們之間的連接形式，然后畫三視圖時學生可直接觀察實物，360°無死角觀察每個基本體之間的連接方式；與教師演示相比，每個學生都可根據自己的情況觀察各自不清楚的部分，彌補各自三維立體想象能力的薄弱點，對于組合體三視圖的學習效果達成有極大促進作用。基于BOPPPS 教學模式的課程設計如表1 所示。

表1 基于BOPPPS 教學模式的課程設計

2.2 3D 打印實操介紹

教師指導學生操作FDM熔融沉積成型法打印機進行3D 打印實際操作。考慮到學生為一年級學生，還未學習三維建模軟件，因此提前將通過CURA 軟件處理好的軸承座的STL 文件給學生，并介紹熔融沉積3D 打印機的用法步驟，包括從拷貝文件到打印機開始工作之前的各種參數設置，讓學生掌握FDM型3D打印機的操作使用。FDM型3D 打印機的操作界面及裝料過程如圖1 所示。

圖1 FDM 型3D 打印機的操作界面及裝料過程

將全班學生分為若干組，每組學生以3～4 名為宜，每組操作一臺打印機，教師先演示完整的步驟，從加載文件到開始打印直至打印完畢后取件觀察，然后讓學生自己動手操作，學生普遍對3D 打印機的工作原理充滿好奇心，從開始打印到軸承座打印完成，學生可以近距離觀察該組合體的產生過程，對各部分基本立體的連接關系有直接深入的認識。打印完畢后，每組同學分配一個軸承座模型，觀察打印出來的組合體，從不同角度多方位觀察，再畫三視圖，于當下的投影演示教學模式下，學生的積極性和繪圖正確率都得到極大的提升。3D 打印出的軸承座模型如圖2 所示。

圖2 3D 打印的軸承座模型

3 結語

機械制圖作為機械類專業的重要專業基礎課，教師需要及時發現教學中存在的問題，結合當代高職學生的特點探索最合適的教學方式。3D 打印技術作為一門新興技術，與課程合理融合后在增加課堂趣味性方面有獨到作用，本文對于3D 打印技術在高職機械制圖教學中的應用進行了積極探索，利用BOPPPS 教學模式對融合教學進行了設計，提升了學生的參與感與上課興趣，對于提高機械制圖課程的教學效果起到了積極的促進作用。