3D打印技術(shù)在高職機械類學(xué)生培養(yǎng)中的應(yīng)用研究

盧香利

摘 要：在機械制造、文化藝術(shù)、醫(yī)學(xué)研究、教育教學(xué)等領(lǐng)域，3D 打印技術(shù)因其制作周期短、使用方便快捷等優(yōu)點而得到了廣泛應(yīng)用。本文立足于3D打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，以豐富課堂教學(xué)、深化教學(xué)實踐、提升學(xué)生創(chuàng)新能力為出發(fā)點，從高職高專機械類專業(yè)教學(xué)的特點和問題出發(fā)，對機械類專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)中應(yīng)用3D打印技術(shù)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：3D打印 高職機械 學(xué)生培養(yǎng) 創(chuàng)新

3D打印技術(shù)又稱快速成型技術(shù)、增材制造技術(shù)，其制作周期短，使用方便快捷，目前已廣泛應(yīng)用于航空航天、先進(jìn)制造、醫(yī)療等領(lǐng)域，是一項在工業(yè)技術(shù)發(fā)展和創(chuàng)新人才培養(yǎng)方面具有舉足輕重地位的先進(jìn)制造技術(shù)，是一項極具發(fā)展前景的先進(jìn)制造技術(shù)。高職機械類專業(yè)雖然對口傳統(tǒng)制造行業(yè)，但隨著智能制造的發(fā)展，社會對機械類專業(yè)人才的要求越來越高。如何將3D打印技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)過程中，通過教學(xué)改革全面融入學(xué)生培養(yǎng)、專業(yè)教學(xué)、提升學(xué)生專業(yè)核心競爭力等方面，是當(dāng)前迫切需要解決的問題[1]。

1 3D打印技術(shù)的概述

3D打印技術(shù)起源于20世紀(jì)80年代末和90年代初，是由三維CAD模型直接驅(qū)動，利用各種不同形態(tài)的金屬、光敏樹脂、塑料、砂等材料，通過層層堆疊的方式，利用粉末狀、絲狀、液態(tài)等各種形態(tài)材料生成物體。3D打印技術(shù)的成型工藝方法有很多，主要包括熔融沉積成型（FDM）、光固化成型（SLA）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、三維打印成型（3DP）、分層實體制造（LOM）等。通過3D打印技術(shù)得到實物模型，一般主要包括三維建模、模型切片、3D打印、模型后處理四個步驟。

3D打印技術(shù)（增材制造技術(shù)），與傳統(tǒng)的機械制造技術(shù)（也稱減材制造技術(shù)）相比，主要有以下幾個特點：

1）個性化設(shè)計與制作。通過三維建模軟件，用戶可以通過3D打印設(shè)備，根據(jù)自己的需要，設(shè)計出自己需要的三維模型，并快速制作出自己需要的模型實物。

2）縮短產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)周期。傳統(tǒng)的零部件生產(chǎn)，不僅生產(chǎn)成本高，而且耗時長，還涉及毛坯鍛造、鑄造、零件機械加工、組裝拼接等多個復(fù)雜的步驟。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，使工藝得到了極大的簡化，整個產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)周期也大大縮短了[2]。

2 機械類專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)的特點

機械類專業(yè)是傳統(tǒng)專業(yè)，但隨著智能制造的發(fā)展，對高職機械類學(xué)生的培養(yǎng)提出了更高的要求。機械類專業(yè)要求學(xué)生學(xué)習(xí)的專業(yè)課程涉及內(nèi)容廣泛，且有很多課程中包括抽象的、理解困難的知識內(nèi)容，如《機械原理》、《機床夾具設(shè)計》等專業(yè)課程在教學(xué)過程中，會遇到一些抽象的概念或者復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)，即使教師利用圖片、仿真動畫等多媒體方式進(jìn)行輔助教學(xué)，學(xué)生學(xué)習(xí)效果依然不理想。主要由以下兩方面原因：一是直觀性不強，機械專業(yè)中涉及到的這些復(fù)雜的概念、零件形狀結(jié)構(gòu)、工作原理等通常與學(xué)生的日常生活聯(lián)系不夠緊密，學(xué)生未見過實物，也沒有相應(yīng)的直觀感受；二是這些教學(xué)方式難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，與多媒體資源相比，學(xué)生更傾向于對實物產(chǎn)生興趣，更愿意自己動手進(jìn)行實踐[3]。

除了具備專業(yè)的理論知識和動手操作能力外，高職培養(yǎng)的人才要具備市場競爭力，還需要具備能將所需知識融會貫通、應(yīng)用于生產(chǎn)實際的創(chuàng)新實踐能力。對于機械類專業(yè)的學(xué)生來說，要完成創(chuàng)新實踐作品，僅僅在專業(yè)軟件中完成作品的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要將三維CAD模型轉(zhuǎn)化為具體的實物模型。要得到實物模型，傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式就是通過車、銑、刨、磨、鉆等各種機械加工設(shè)備將零部件單獨加工出來，再進(jìn)行裝配。這個過程中既需要準(zhǔn)備機床、原材料、刀具、夾具等硬件設(shè)施，同時對學(xué)生的設(shè)備操作能力要求也相當(dāng)高，同時還會存在一定的安全隱患。學(xué)生能完成整個項目創(chuàng)新實踐的可能性較低，這就大大降低了學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實踐的動力[4]。

機械類專業(yè)培養(yǎng)學(xué)生急需解決的問題是如何解決教學(xué)難題、促進(jìn)學(xué)生興趣、提供創(chuàng)新實踐資源，而3D打印技術(shù)則提供了機械類專業(yè)深化教學(xué)改革的途徑。

3 3D打印技術(shù)深化機械類專業(yè)教學(xué)改革

3.1 3D打印技術(shù)豐富了課堂教學(xué)

為了滿足教學(xué)需求，教師可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容或教材構(gòu)建相應(yīng)的教具三維模型，3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，可快速將這些三維模型實物化。教學(xué)過程中，根據(jù)需要展示這些經(jīng)過3D打印得到的教具，學(xué)生可以近距離觀察或組裝這些教具模型。這種過程學(xué)習(xí)比原始的理論灌輸教學(xué)成果更顯著。如在《機械原理》的教學(xué)過程中，如果有各種典型零件、傳動方式的模型，可便于學(xué)生理解機械原理、結(jié)構(gòu)及其使用。但實際情況是，大部分職業(yè)院校并無此條件，一方面是傳統(tǒng)機械的實物模型成本較高，另一方面，更重要的是隨著實際教學(xué)中項目化教學(xué)的推行，課程所需的模型也越來越個性化，市面上很難采購到與實際教學(xué)內(nèi)容相匹配的實物模型。在無實物模型的情況下學(xué)習(xí)，學(xué)生學(xué)習(xí)過程的難度也大大增加。解決教學(xué)模具難題，可引入3D打印技術(shù)，教師將課程教學(xué)過程中所需的各種模型進(jìn)行三維建模，再利用可實現(xiàn)個性化教具制作的3D打印設(shè)備進(jìn)行3D打印。以3D打印作為工具，傳統(tǒng)的理論教學(xué)結(jié)合3D打印成型，制造出與課程配套相應(yīng)的模型、教具，使教學(xué)資源庫的內(nèi)容更加豐富和立體化[5]。學(xué)生還能通過3D打印技術(shù)協(xié)助教師制作教具，在設(shè)計、制作、裝配、原理分析等各個環(huán)節(jié)都能讓學(xué)生全程參與，通過此過程，學(xué)生的參與度和學(xué)習(xí)興趣進(jìn)一步提升。

3.2 3D打印技術(shù)深化了教學(xué)實踐

實踐教學(xué)在高職教學(xué)中占有舉足輕重的地位，在傳統(tǒng)的《機床夾具設(shè)計》的教學(xué)實踐部分中，通常要求學(xué)生設(shè)計滿足加工需求的夾具結(jié)構(gòu)，隨著三維建模軟件在學(xué)校的普及，可以要求學(xué)生在軟件中設(shè)計出夾具的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，甚至可以利用動畫仿真對夾具結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步的運動分析。但是設(shè)計的夾具結(jié)構(gòu)是否合理，最終能否使用，是否有些地方需要改進(jìn)呢？僅從三維軟件中無法得到答案。通過3D打印技術(shù)，可以快速將三維模型轉(zhuǎn)化為實物，學(xué)生通過對打印的實物進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗證，進(jìn)一步加強了對理論知識的理解和應(yīng)用。且學(xué)生在模型3D打印完成，進(jìn)行模型裝配的過程中，又可以加深對公差配合、機械裝配等方面知識的實踐。基于3D打印機的快速成型能力，學(xué)生能及時將理論學(xué)習(xí)、設(shè)計和項目成果建立直接的聯(lián)系，直接將設(shè)計轉(zhuǎn)化為作品，并能夠隨時調(diào)整和改進(jìn)過程中的局限和不足之處，在知識和技能，理論和實踐之間架起來橋梁[6]。

4 3D打印技術(shù)提升學(xué)生創(chuàng)新實踐能力

目前國內(nèi)高職工科學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力普遍不高，而創(chuàng)新實踐能力是學(xué)生未來發(fā)展的一個重要影響因素。國家近年來大力倡導(dǎo)創(chuàng)新教育，并相繼出臺了《國務(wù)院關(guān)于大力推進(jìn)大眾創(chuàng)業(yè)萬眾創(chuàng)新若干政策措施的意見》、《關(guān)于進(jìn)一步支持大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的指導(dǎo)意見》等文件，鼓勵大學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，同時開展廣泛的創(chuàng)客教育，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力及動手實踐能力。3D打印技術(shù)以其低成本、高效、靈活性成為創(chuàng)新教育的重要載體，為創(chuàng)新教育開辟了一條新的道路。通過3D打印技術(shù)，學(xué)生可快速將創(chuàng)新思路轉(zhuǎn)化為實物進(jìn)行驗證，并能根據(jù)驗證結(jié)果進(jìn)行不斷完善。3D打印過程需要學(xué)生動手進(jìn)行三維模型設(shè)計、操作3D打印設(shè)備、應(yīng)用各種工具進(jìn)行模型處理，并反復(fù)進(jìn)行調(diào)整與改進(jìn)，以獲得最優(yōu)化的模型，同時學(xué)生在整個過程中提升了數(shù)字化、信息化應(yīng)用水平。學(xué)生以3D打印技術(shù)為工具，完成創(chuàng)新項目實踐并參加“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、黃炎培職業(yè)教育創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、工業(yè)設(shè)計大賽、大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽等機械類相關(guān)的競賽[7]。

在掌握專業(yè)課程理論知識的基礎(chǔ)上，借助3D打印技術(shù)，通過創(chuàng)新項目的實踐，能夠激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維及創(chuàng)造力，提高學(xué)生的團隊協(xié)作意識、動手實踐能力與解決問題的能力，最終學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力得到培養(yǎng)和鍛煉。

5 結(jié)束語

教師可在培養(yǎng)高職高專機械類學(xué)生和專業(yè)教學(xué)過程中，應(yīng)用3D打印技術(shù)制作個性化教學(xué)模型，使復(fù)雜、抽象的知識可視化，從而幫助學(xué)生更快地領(lǐng)悟；學(xué)生可將設(shè)計理論運用3D打印技術(shù)進(jìn)行實物驗證，使教學(xué)實踐內(nèi)容更加深入；同時，學(xué)生們可以增強創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，利用3D打印技術(shù)開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐活動。如何利用3D打印技術(shù)使課堂的教學(xué)內(nèi)容更加趨向多樣化和實用化，使學(xué)生能夠?qū)W(xué)到的知識進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)樯鐣嵺`，是我們進(jìn)一步思考和展望的方向[8]。

本文系湖南機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2022 年度院級一般資助課題《基于“崗課賽證”融通的增材制造技術(shù)專業(yè)課程體系研究》（編號：YJB202213）的研究成果。

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