3D打印技術在高職機械類學生培養中的應用研究

盧香利

摘 要：在機械制造、文化藝術、醫學研究、教育教學等領域，3D 打印技術因其制作周期短、使用方便快捷等優點而得到了廣泛應用。本文立足于3D打印技術的發展現狀，以豐富課堂教學、深化教學實踐、提升學生創新能力為出發點，從高職高專機械類專業教學的特點和問題出發，對機械類專業學生培養中應用3D打印技術進行了探討。

關鍵詞：3D打印 高職機械 學生培養 創新

3D打印技術又稱快速成型技術、增材制造技術，其制作周期短，使用方便快捷，目前已廣泛應用于航空航天、先進制造、醫療等領域，是一項在工業技術發展和創新人才培養方面具有舉足輕重地位的先進制造技術，是一項極具發展前景的先進制造技術。高職機械類專業雖然對口傳統制造行業，但隨著智能制造的發展，社會對機械類專業人才的要求越來越高。如何將3D打印技術應用到教學過程中，通過教學改革全面融入學生培養、專業教學、提升學生專業核心競爭力等方面，是當前迫切需要解決的問題[1]。

1 3D打印技術的概述

3D打印技術起源于20世紀80年代末和90年代初，是由三維CAD模型直接驅動，利用各種不同形態的金屬、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、液態等各種形態材料生成物體。3D打印技術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（SLS）、三維打印成型（3DP）、分層實體制造（LOM）等。通過3D打印技術得到實物模型，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（增材制造技術），與傳統的機械制造技術（也稱減材制造技術）相比，主要有以下幾個特點：

1）個性化設計與制作。通過三維建模軟件，用戶可以通過3D打印設備，根據自己的需要，設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）縮短產品的研發和生產周期。傳統的零部件生產，不僅生產成本高，而且耗時長，還涉及毛坯鍛造、鑄造、零件機械加工、組裝拼接等多個復雜的步驟。3D打印技術的出現，使工藝得到了極大的簡化，整個產品的研發、生產周期也大大縮短了[2]。

2 機械類專業學生培養的特點

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

除了具備專業的理論知識和動手操作能力外，高職培養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、應用于生產實際的創新實踐能力。對于機械類專業的學生來說，要完成創新實踐作品，僅僅在專業軟件中完成作品的三維結構設計是遠遠不夠的，還需要將三維CAD模型轉化為具體的實物模型。要得到實物模型，傳統的生產模式就是通過車、銑、刨、磨、鉆等各種機械加工設備將零部件單獨加工出來，再進行裝配。這個過程中既需要準備機床、原材料、刀具、夾具等硬件設施，同時對學生的設備操作能力要求也相當高，同時還會存在一定的安全隱患。學生能完成整個項目創新實踐的可能性較低，這就大大降低了學生進行創新實踐的動力[4]。

機械類專業培養學生急需解決的問題是如何解決教學難題、促進學生興趣、提供創新實踐資源，而3D打印技術則提供了機械類專業深化教學改革的途徑。

3 3D打印技術深化機械類專業教學改革

3.1 3D打印技術豐富了課堂教學

為了滿足教學需求，教師可以根據教學內容或教材構建相應的教具三維模型，3D打印技術的出現，可快速將這些三維模型實物化。教學過程中，根據需要展示這些經過3D打印得到的教具，學生可以近距離觀察或組裝這些教具模型。這種過程學習比原始的理論灌輸教學成果更顯著。如在《機械原理》的教學過程中，如果有各種典型零件、傳動方式的模型，可便于學生理解機械原理、結構及其使用。但實際情況是，大部分職業院校并無此條件，一方面是傳統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中項目化教學的推行，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內容相匹配的實物模型。在無實物模型的情況下學習，學生學習過程的難度也大大增加。解決教學模具難題，可引入3D打印技術，教師將課程教學過程中所需的各種模型進行三維建模，再利用可實現個性化教具制作的3D打印設備進行3D打印。以3D打印作為工具，傳統的理論教學結合3D打印成型，制造出與課程配套相應的模型、教具，使教學資源庫的內容更加豐富和立體化[5]。學生還能通過3D打印技術協助教師制作教具，在設計、制作、裝配、原理分析等各個環節都能讓學生全程參與，通過此過程，學生的參與度和學習興趣進一步提升。

3.2 3D打印技術深化了教學實踐

實踐教學在高職教學中占有舉足輕重的地位，在傳統的《機床夾具設計》的教學實踐部分中，通常要求學生設計滿足加工需求的夾具結構，隨著三維建模軟件在學校的普及，可以要求學生在軟件中設計出夾具的詳細結構，甚至可以利用動畫仿真對夾具結構進行初步的運動分析。但是設計的夾具結構是否合理，最終能否使用，是否有些地方需要改進呢？僅從三維軟件中無法得到答案。通過3D打印技術，可以快速將三維模型轉化為實物，學生通過對打印的實物進行結構驗證，進一步加強了對理論知識的理解和應用。且學生在模型3D打印完成，進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，學生能及時將理論學習、設計和項目成果建立直接的聯系，直接將設計轉化為作品，并能夠隨時調整和改進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打印技術提升學生創新實踐能力

目前國內高職工科學生的創新實踐能力普遍不高，而創新實踐能力是學生未來發展的一個重要影響因素。國家近年來大力倡導創新教育，并相繼出臺了《國務院關于大力推進大眾創業萬眾創新若干政策措施的意見》、《關于進一步支持大學生創新創業的指導意見》等文件，鼓勵大學生進行創新創業，同時開展廣泛的創客教育，培養學生的創新能力及動手實踐能力。3D打印技術以其低成本、高效、靈活性成為創新教育的重要載體，為創新教育開辟了一條新的道路。通過3D打印技術，學生可快速將創新思路轉化為實物進行驗證，并能根據驗證結果進行不斷完善。3D打印過程需要學生動手進行三維模型設計、操作3D打印設備、應用各種工具進行模型處理，并反復進行調整與改進，以獲得最優化的模型，同時學生在整個過程中提升了數字化、信息化應用水平。學生以3D打印技術為工具，完成創新項目實踐并參加“互聯網+”大學生創新創業大賽、黃炎培職業教育創新創業大賽、工業設計大賽、大學生機械創新設計大賽等機械類相關的競賽[7]。

在掌握專業課程理論知識的基礎上，借助3D打印技術，通過創新項目的實踐，能夠激發學生的創新思維及創造力，提高學生的團隊協作意識、動手實踐能力與解決問題的能力，最終學生的創新實踐能力得到培養和鍛煉。

5 結束語

教師可在培養高職高專機械類學生和專業教學過程中，應用3D打印技術制作個性化教學模型，使復雜、抽象的知識可視化，從而幫助學生更快地領悟；學生可將設計理論運用3D打印技術進行實物驗證，使教學實踐內容更加深入；同時，學生們可以增強創新意識和創新能力，利用3D打印技術開展創新創業實踐活動。如何利用3D打印技術使課堂的教學內容更加趨向多樣化和實用化，使學生能夠將學到的知識進一步轉變為社會實踐，是我們進一步思考和展望的方向[8]。

本文系湖南機電職業技術學院 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專業課程體系研究》（編號：YJB202213）的研究成果。

參考文獻：

[1]楊璐銓，趙玉剛.3D 打印技術在機械學科教學中的應用研究[J]. 天津職業聯合學報.2020（5）：41-44.

[2]董曉倩.利用3D打印技術深化高職課堂教學改革的途徑研究[J]. 電腦知識與技術.2021（7）：92-93，105.

[3]郭嵐，王紅霞.3D打印技術在職校機械類課程改革中的應用及發展研究[J].現代職業教育.2021（37）：170-171.

[4]郭文霞，張海川.工程訓練開設3D打印技術實訓課程的探索與實踐[J].中國現代教育裝備.2019（15）：49-51，56.

[5]李永湘，何曉芬，馬秀勤，張寧.3D打印在機械原理課程教改中的應用[J].內燃機與配件.2021（05）：214-215.

[6]柳翊，郭玉波，石磊，林海燕，金文中，賈利曉.3D打印技術在材料成型及控制工程專業實踐教學中的應用探索.輕工科技.2021，37（08）：137-138.

[7]安芬菊，張靜，吳敬權.基于學科競賽的 3D 打印實踐教學模式的研究[J].中國設備工程.2022（18）：262-264.

[8]班嵐，張超，遲歡，張衛，徐江燕.3D打印技術在高校教改中的現狀與未來[J].大眾標準化.2021（05）：48-50.