3D打印技術在機械設計基礎課程教學中的應用

摘 要 機械設計基礎是機械類專業的重要基礎課程之一。傳統教學模式下，該課程教學以灌輸式教學為主，在這種模式下學生被動學習，存在一定的教學滯后性。將3D打印技術引入機械設計基礎課程教學，用實物的方式把抽象的零件模型展示出來，有利于學生掌握零部件的結構，方便進行機械設計基礎課程的理論教學；同時提升課程的趣味性和對學生的吸引力，提高學生學習機械設計基礎課程的積極性，培養學生的創新設計思維和實踐動手能力，有效提高教學質量。

關鍵詞 機械設計基礎；3D打印技術；三維建模；崗課賽證；實踐教學

中圖分類號：G652 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）16-0038-07

0 引言

隨著科技的迅速發展，我國制造業正加快向智能化方向發展，我國的產業向著中高端自主研發的方向邁進。為促進新工科教育的發展、滿足勞動力市場和社會的需求，對機械設計基礎課程應作出相應的調整和改革。

1 3D打印技術和機械設計基礎課程介紹

1.1 3D打印技術

3D打印技術又稱增材制造，是一種快速成型技術。它以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式構造物體。3D打印機內裝有液體或粉末等打印材料，與電腦連接后，通過電腦控制將打印材料一層層疊加，最終將計算機上的藍圖變成實物。這種技術的特點在于其幾乎可以造出任何形狀的物品，且打印過程無需傳統模具，提高了制造的靈活性和效率。

3D打印技術存在多種不同的分類，主要包括材料擠出、光固化、粉末床融合、材料噴射、黏合劑噴射、定向能量沉積和片材層壓等七大主流技術。目前，3D打印技術在珠寶、鞋類、工業設計、建筑、工程和施工（AEC）、汽車、航空航天、醫療、教育等多個領域得到廣泛應用。

1.2 機械設計基礎課程介紹

機械設計基礎課程是機械工程專業的一門重要基礎課程，旨在培養學生對機械設計原理和方法的理解和應用能力。該課程主要內容包括機械設計基本原理、機械零件設計、機械傳動設計、機械結構設計以及機械設計軟件應用等。通過學習該課程，學生可以掌握機械設計的基本理論知識和實踐技能，為后續的專業課程學習和職業發展打下堅實的基礎。

1.3 3D打印技術在機械設計基礎課程改革中的定位

在機械設計基礎課程改革中，3D打印技術占據舉足輕重的地位。它不僅帶來教學工具的創新，更帶來教學模式的革新。通過引入3D打印技術，學生能夠親自動手將理論設計轉化為實體模型，加深對機械設計原理的理解，鍛煉實踐操作能力和創新思維。此外，3D打印技術還可以促進理論教學與實踐教學深度融合，使機械設計基礎課程更加貼近工程實際，有助于培養具有扎實理論基礎和較強實踐能力的機械工程師。

因此，在機械設計基礎課程改革中，3D打印技術不僅帶來教學工具的創新，更帶來教育理念和教學方法的深刻變革。

2 機械設計基礎課程教學現狀分析

本次調查問卷由隨機的100名本科生參與填寫，問卷以客觀選擇題為主，圍繞機械設計基礎課程的基本內容展開，主要調查該課程的學生情況和教學現狀。考慮到被調查對象的身份特點以及其他因素，本次調查采用問卷星小程序發放問卷，總共回收100份調查問卷，資料真實有效。

2.1 學生情況分析

學生對課程了解情況的數據表明，不了解的學生占35%、一般了解的占31%、比較了解的占13%、十分了解的占21%。由此即可看出有一半以上的學生對機械設計基礎課程的了解并不多，甚至是完全不了解。除此之外，調查問卷還包含關于學生對機械設計基礎的興趣調查，24%的學生對這門課程不感興趣，一般感興趣的人數占60%，比較感興趣的人數僅占16%。分析可知，很多學生可能并沒有體會該門課程的樂趣和意義，其中很大一部分原因是對該課程的了解程度不夠。

以上數據顯示，學生對機械設計基礎了解不夠和興趣不高是這門課程教學的不穩定性因素，高校和教師應該重視學生的積極性。如果學生學習的積極性不高，就可能會出現上課玩手機、發呆、走神等情況。

2.2 教學方式分析

當前，在機械設計基礎教學過程中存在教學模式單調的問題。根據調查，學生平時上的課大多是理論課與實踐課相結合的，占62%，但理論課單獨占比高達31%，這并不利于學生對知識點的掌握和實踐能力的提升。根據調查數據可以得出，大部分的機械設計基礎課雖然是以理論課與實踐課相結合的教學模式呈現，但根據學生對這門課程的了解和興趣可以看出，理論與實踐教學的結合似乎并沒有找到比較合適的方法，使得兩者之間并不能很好地契合。加上原本學生對機械設計基礎的了解不深、興趣不高，機械設計基礎課程的一些機械機構與原理方面的理論知識點多，相對來說會比較枯燥乏味、難以吸收；缺乏動手實驗和實際操作，難以達到實踐要求，從而導致教學效果不好和教學效率不高。

2.3 成績評定分析

教學評估體系不健全，教師的教學缺少硬性的評價指標，對于學生的成績缺少科學客觀的評價分析措施，不利于教學質量的提升。課程評定方式調查結果如圖1所示，平時成績+小組合作設計打印成品并匯報的評定方式占比達到了28%，僅次于平時成績+期末考試成績的方式，可以根據這個評定方式對課程教學作出相應的調整和改善，對教學方式進行優化。

根據所調研的結果分析，機械設計基礎課程的評價方式大致存在兩個方面的問題：1）班級人數較多，教師難以對每位學生的具體表現進行相應評價；

2）在結課時，每位學生期末課程設計的作品成績一般由教師根據方案設計的合理性、裝配圖和零件圖的質量、平時成績三個方面進行綜合打分，但是學生在設計過程中存在的創新性思維不屬于成績加分項[1]。為此，針對這一現象進行調查，探索新的符合學生需求的評定方式或者根據評定方式對課程教學進行調整和修改。

3 基于3D打印技術的機械設計基礎教學設計

3.1 利用3D打印機打印實物的具體成型過程

1）通過建模軟件對想要打印的物品形狀進行建模，或者直接對實物進行掃描和信息采集；

2）將建成的三維模型在計算機軟件上進行切片，也就是將模型分區成逐層的截面；

3）啟動打印機，利用打印材料進行打印，通過層層疊加形成三維的立體模型。

其中一體成型是3D打印技術區別于其他機械類加工技術所具有的獨特特征，它沒有現代化生產中的零部件加工、組裝等環節，只需對二維切片的逐層截面進行打印，便能實現產品的固結成型制造[2]。

3.2 課程理論教學結合3D打印實踐

若沒有三維零件圖形或者實際物件的配合，教師在課堂上進行機械課程教學，尤其是三維立體圖形的教學，對大部分的學生來說很難理解透徹。大多數學生對機械設計基礎的學習還停留在理論知識當中，對知識點掌握得不完整。因此，相關高校教師在教學過程中應注重理論聯系實際，對原有的課程設計框架進行重新設計和調整，新的課程設計框架如圖2所示。

首先，必須改變傳統的課本理論式授課方式，不再停留在教材內容的表面，而是增設獨立的多媒體機械設計基礎課室，配備課堂電腦和3D打印機等必要設備和資源，在課堂上利用多媒體設備對零件模型、結構圖進行有效的演示，既能方便學生看到零件實體的三維模型，還能幫助學生在腦海里構造模型的三維形狀，使所有學生更加容易理解課堂學習的內容，對課堂知識進行有效吸收。同時，還可以運用化工仿真的CAI素材及三維化工仿真，通過三維動畫幫助學生全方位地觀察設備和零部件的外觀和內部結構，讓學生更加清晰地觀看課本上難以理解的圖紙，做到理論與實踐結合[3]。

其次，在機械設計基礎教學中，教師要將理論聯系實際，結合生活，使用SolidWorks等三維軟件為學生布置與課程學習相關的設計任務，讓學生在課堂上或者課程結束后進行機械運動設計、機械傳動設計、機械動力設計、機械零部件設計等，以此激發學生的學習興趣，指引學生明確學習的目標。教師可以利用項目教學的方式布置課后作業，根據學生的基礎水平和認知能力讓學生通過自主設計機構、練習題自測對所學的知識進行鞏固和加深，促進學生更好地理解、掌握課本理論知識和三維實體結構原理。學生先把自己在SolidWorks三維建模軟件中所繪制的實體模型文件輸入3D打印機，再通過3D打印機對實物進行打印。相比于學校用資金購買教學模型，雖然購買3D打印設備和三維建模軟件的成本有所增加，但是這個教學過程可以滿足當前社會培養人才的要求，由學生自主打印出所建模型能夠提高學生的學習效率，更進一步提高學生的自主動手能力和設計創新能力。

3.3 項目化教學實踐

基于SolidWorks軟件的3D打印實踐教學中，可以采用項目化教學，選用典型的機電產品裝置，如輸送機、離合器、聯軸器、減速器等，這些典型的機電產品裝置包含齒輪、帶輪、鏈輪、軸承等常用的傳動零件。其中，減速器設計中的重要部分是對齒輪和當中其他傳動件、連接件、軸、軸承、聯軸器以及箱體等零件的設計[4]。機械設計基礎的理論知識結合一級減速器、SolidWorks三維軟件輔助教學，使機械設計基礎的理論知識更加簡單明了、通俗易懂。一級減速器如圖3所示。在三維軟件的使用和3D打印實物的基礎上更能夠激發學生的學習興趣，設計一級減速器不僅能夠讓學生一步步地學習機械設計基礎的理論知識，還可以讓學生在一級減速器的學習過程中加入自己的想法設計出更高一級的減速器，甚至可以根據學生的設計思維產生新的機械產品。

4 機械設計基礎課程教學優化

4.1 改革教學模式

改革機械設計基礎課程的教學模式應從教學思路出發，不能僅僅局限于生硬的課堂理論知識授課，需要重視培養學生的實踐動手能力和設計創新能力，對非重點內容進行精簡，主要是將課程理論與實踐結合[5]。教師要有自己的授課風格，盡可能地以學生感興趣的方式教學，改變原有的一成不變的講授課堂知識的方式，多從學生平常生活中所接觸的事物中選擇一些學生愿意接受的話題靈活運用在課堂上進行授課，既能使課堂氛圍活躍，又能使學生高效地吸收課堂知識。

例如，一級減速器傳動內容方面的項目化教學中，不能僅限于對理論知識的教學，理論學習是較為枯燥乏味的，可以結合SolidWorks三維建模軟件，利用草圖塊做運動的仿真模擬，使學生清晰地得知傳動的方法和過程，以及設計是否符合實際要求，再根據計算驗證得出結果，最后對建模進行3D打印，將打印出的一級減速器零部件進行組合裝配，既能讓學生掌握理論內容，又能夠提高學生的動手能力。此外，傳動性能參數的理論學習、數學公式推導等可以采用新穎的方式代入學生感興趣的話題進行運算。

主要教學內容如下。

1）傳動方案：按照一級減速器設計任務書中的設計條件，確定減速器的工作原理和技術要求，確定傳動方案（學習機械設計基礎的運動分析、軸或桿或齒輪等的傳動、設計、連接件等的基礎理論知識）。

2）傳動系統及性能參數：學習輸入軸、輸出軸、原動機等的傳動裝置的設計，一級減速器確定總傳動比、分配總傳動比等關于傳動的知識。一級減速器中性能參數的計算主要包括轉速、轉矩和功率等動力參數方面的計算。

3）選擇傳動的類型并制訂整體布局的方案：根據一級減速器的傳動比大小、空間裝置、結構要求、工藝性能等選擇機械傳動的類型，制訂從原動機到工作機構間的傳動系統的整體布局，繪制傳動系統示意圖，如圖4所示。在繪制帶式輸送機傳動系統時，它的齒輪嚙合可以使用SolidWorks軟件輔助繪制，并嘗試打印，實施齒輪嚙合并運動。這里的齒輪嚙合、軸的位置空間占比都運用到機械設計基礎中的齒輪的幾何計算、校核計算、公差計算等理論知識。

4）繪制傳動部件和總體的裝配圖：學生通過前面的步驟對一級減速器有了大致的構思，接下來就是繪制零件圖，零件圖如圖5所示。再用SolidWorks軟件繪制從零部件到工程圖再到總體的裝配圖，裝配草圖是部件安裝、調試等工作的重要依據，在此過程中，可以邊畫草圖、邊計算、邊修改，如圖6所示。

5）打印：完成三維建模，打印出一級減速器并根據實物雛形對其精度進行修改，實物圖如圖7所示。

4.2 完善考核評價方式

設立期末考核環節的主要目的是幫助學生更清楚地看到自己一個學期的學習成果以及與其他學生之間的差距，及時找到不足之處，鞏固所積累的知識，提升創新能力[6]。目前，考核主要通過閉卷考試的方式進行，這種考核方式只能對學生的理論學習起到檢測作用，對學生的實踐能力檢測則無能為力。況且部分學生平時上課不認真，考前“臨時抱佛腳”，靠死記硬背應付考試，不僅沒有掌握課程的基礎知識，而且容易帶壞學風。因此，應該改變原有的評價方式，不能只通過閉卷考試評定學生的學習成果，而是應該采用全面的考核方式促進學生實踐能力的提升，除了平時成績，還應該加入隨堂測試和實踐成績，比賽證書等也可以納入考核評價指標體系，從而更好地對學生的能力進行全面的評定，考核評價方式和考核評價內容如表1所示。多種評價更能讓學生真切地了解自身的學習情況。試卷成績是檢驗學生學習成果的方式之一，與平時成績結合，構成學生的整體成績，這個成績能夠基本反映學生的學習情況，有助于教師基于了解到的學生整體情況作出調整和優化，有利于教學質量的整體提高。

學生的平時成績可以從課堂積極性方面考查，除了對學生簽到率的統計，還可以讓學生自愿當小老師講課，提前與教師溝通，將上一節課教師所講的基礎知識的章節給其他學生進行對應復習講解。教師需要多給機會讓學生上臺鍛煉，把這作為平時成績的加分項，既可以鍛煉學生的膽量，還可以提升學生的實踐能力和綜合素養，讓學生既能夠學習到理論知識，又能夠在實踐中鍛煉自己。如果學生只依賴期末臨時復習，在課堂中不參與實踐任務，就算是期末考試滿分也依然無法通過考核。同時，還可以加入學生技能競賽的成績等級作為評分標準之一，把競賽評判的標準融入教學考核能夠提升學生的專業技能技術，提高學生的新工科素養。

4.3 崗課賽證融通

為了滿足國家對“雙證”技術型人才的需求，進一步深化人才培養模式的改革，提升本科教育的適應性，各大高校應該推進崗課賽證的融通，崗課賽證的內涵如圖8所示。以基于3D打印技術的機械設計基礎課程建設為例，展開這種新模式的探索，關鍵在于對專業課程教學標準和基礎知識結構體系的設計。

在崗課對接的機械設計基礎教學活動中，可以通過加深校企合作的方式進行有效的崗課融通教學。比如校企之間達成協議，學生到企業進行一段時間的崗位技能實習，也可以定期讓企業員工到學校給學生展示3D打印成品，由企業給學校供給資源，學校給企業供應技術。

在課證融合方面，對于一些企業的招聘來說，擁有相應的技能證書是應聘成功的重要因素之一。然而對于機械專業的學生來說，多種證書的考取離不開機械設計基礎理論的學習以及對SolidWorks和其他軟件的掌握，因此，機械設計基礎課程教學需要重視引導學生理解考取證書的積極影響。

在賽課融通方面，通過賽課融通的方式發揮機械設計創新比賽、三維建模比賽、3D打印比賽等競賽對學生專業技術能力學習的促進作用，針對多數學生對于實踐技術的運用進行比賽內容設計。教師可以根據學生的學習情況和比賽要求制定有效的方法進行相應的教學，因材施教，培訓學生的競賽技能。

在崗課賽證的創新式教學模式下，學校將重新定義機械設計基礎課程人才培養目標：德、智、體、美、勞全面發展，掌握扎實的理論知識和機械制圖、工程材料學、三維建模、計算機基礎、3D打印技術等技能知識。以崗課賽證的方式進行校企合作，實現教學資源的轉化與提煉，是一種創新的校企合作，可以實現校企雙贏。

5 結束語

機械設計基礎是機類、近機類、準機類等專業的一門基礎類課程，要求學生掌握機構的傳動系統、傳動原理、零件的設計和分析的基本知識和理論內容，著重培養學生的動手能力和創新思維。根據調查，機械設計基礎課程的傳統教育教學方式中存在一些問題：教學模式單一、教具缺乏、學生興趣不高、評定方式不完善等。本文采用3D打印技術與SolidWorks三維軟件相結合的方法，提出新的教學模式——崗課賽證，提高課程教學質量與學生學習效果，培養學生的創新設計思維、動手能力、專業崗位能力、職業素養等。

6 參考文獻

[1] 劉磊，劉愛輝.淺談機械設計基礎課程設計的教學模式[J].教育現代化，2018，5（39）：222-223，235.

[2] 房鑫卿.3D打印技術的發展歷程及應用前景[J].輕工科技，2019，35（5）：77-78.

[3] 唐小勇，李青云，劉洪博，等.基于工程教育模式下的化工機械設備課程設計教學改革與實踐[J].廣東化工，2021，48（1）：193-194.

[4] 胡建，李碧波.一級圓柱齒輪減速器仿真設計[J].湖南人文科技學院學報，2014（6）：140-142.

[5] 王育娟，賈龍超.機械設計基礎課程教學改革的實踐與思考[J].農機使用與維修，2023（3）：131-133.

[6] 韓麗杰.機械設計基礎課程的教學改革研究與實踐[J].黑龍江科學，2020，11（9）：86-87.

*項目來源：2023年度廣東省本科高校教學質量與教學改革工程建設項目“3D打印技術在機械設計基礎教學中的探索與實踐”；2022年度嶺南師范學院教育教學改革項目。

作者簡介：陳小軍，博士，副教授。