基于VR技術和3D打印相結合的機械類課程教學改革探討

［摘 要］ 隨著機械行業的迅猛發展和計算機技術的不斷進步，機械類專業課程的教學方式亟須改革，以適應時代潮流并提升教學效果。以“機械制造裝備設計”課程為研究對象，探討了利用虛擬現實技術（VR）和3D打印技術的結合，對教學模式進行改革的可行性和必要性。具體而言，提出了利用這兩種先進技術的措施，以促進學生對機械結構的直觀理解、加強理論與實踐的融合、教學內容創新等。這些舉措旨在激發學生的學習興趣，拓展教學內容，提高教學質量，從而更好地滿足當下機械設計教育的需求。

［關鍵詞］ VR技術；3D打印；機械制造裝備設計；教學改革

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）31-0089-04 ［收稿日期］ 2023-12-16

引言

在當今快速發展的科技時代，機械行業作為工業化進程中的重要組成部分，正處于日新月異的更新迭代之中。隨著現代科技的發展，虛擬現實技術（VR）和3D打印技術逐漸成為機械產品研發中的利器，為其帶來了前所未有的創新和發展機遇［1-2］。而我國的現代化進程更是離不開工業化，而工業化的核心之一便是機械工程專業學科的不斷發展與進步。在這個背景下，“機械制造裝備設計”這門課程作為機械專業的基礎課程之一，承擔著培養學生掌握機械裝備設計基礎知識、提升技能水平、激發興趣與潛力的重要使命，同時為國家培養了大量具備工程實踐能力的高素質人才，為實現制造強國戰略貢獻了力量［3-5］。

VR技術作為一種創新的技術手段，為用戶提供了一種全新的沉浸式體驗。通過計算機生成的虛擬環境，用戶可以身臨其境地感受到與真實世界幾乎無異的體驗。這種技術不僅可以應用于娛樂和游戲領域，還可以在教育和培訓中發揮重要作用［6-7］。而3D打印技術作為一種革命性的制造技術，可以將設計概念直接轉化為實體模型，為設計師和工程師提供了前所未有的便利和靈活性［8-9］。這種技術不僅可以加快產品開發周期，降低生產成本，還可以促進創新和個性化定制。因此，將VR技術和3D打印技術應用于“機械制造裝備設計”課程的教學中，不僅可以為學生提供更加直觀、生動地學習體驗，激發他們的學習興趣，也可以加強他們的動手能力和創造力。通過與實際操作相結合，學生可以更深入地理解機械結構原理，提高機械裝備設計和制造能力。這種教學模式的創新，不僅有助于提高教學質量，也能夠更好地滿足當今機械類課程教育的需求，培養更多具有實踐能力和創新精神的優秀人才，為機械行業的發展注入新的活力。

一、“機械制造裝備設計”教學現狀

“機械制造裝備設計”是機械專業的重要基礎課程，涵蓋了金屬切削機床的總體設計、機床傳動設計、主要部件設計、組合機床設計、專用刀具設計以及機床夾具設計等多個方面。這些內容構成了學生在機械制造領域必備的核心知識體系。然而，要想真正掌握這門課程，僅靠理論知識是遠遠不夠的，更需要將理論知識與實際工程實踐相結合。

傳統的線下教學模式存在一些不足之處，如課程學時有限、內容繁多，往往難以覆蓋所有細節。課堂上的教學方式單一，通常是教師通過宣講的形式將課本上的知識點灌輸給學生，導致課堂教學顯得枯燥乏味，學生難以理解和消化。即使是在如今廣泛使用多媒體教學形式的情況下，將書本知識轉化成文字、二維圖像等形式來展示，也往往不能很好地讓學生與各種機械結構進行直觀的接觸與觀察，這給學生的理解和學習效果都帶來了挑戰。理論與實踐脫節，傳統的教學模式往往過于側重于理論知識的傳授，而缺乏實踐操作的機會。學生學習了大量的理論知識，但在實際應用中可能無法靈活運用。因此，理論與實踐之間存在一定程度的脫節。教學資源不足，由于機械制造裝備設計涉及大量的設備和工具，一些學?？赡軣o法提供充足的教學資源和實驗設備。這導致學生缺乏實際操作的機會，限制了他們的學習效果。學科交叉不足，機械制造裝備設計涉及多個學科領域的知識，包括機械工程、材料科學、電氣工程等。然而，在教學中可能缺乏學科交叉的教學內容和資源，影響了學生全面理解和應用知識的能力。缺乏實踐機會，教學計劃可能無法為學生提供足夠的實踐機會，例如實習、項目實踐等。這使得學生缺乏與真實工程項目接觸的機會，無法將理論知識與實際工程實踐相結合。

二、VR技術、3D打印在“機械制造裝備設計”教學中的應用

將虛擬現實技術和3D打印技術相結合應用于機械類課程教學中，可以為學生提供更為直觀、生動、豐富的學習體驗，提高他們的學習興趣和效果，也能夠提高學生的動手能力和創造能力。

（一）VR技術的應用

在進行復雜抽象的教學內容時，如機械制造裝備設計中的一些機械結構，由于學生空間想象力不夠，并且接觸機械設備經驗不足，無法在腦海中構建出具體的三維模型，可以通過虛擬現實技術，制作虛擬機械實驗。利用虛擬現實技術，可以將機械實驗制作成虛擬實驗，讓學生通過VR設備進行體驗，比如機械零件的裝配和運轉模擬，機械原理的運動過程模擬等。通過虛擬實驗，學生可以更加直觀地了解機械原理和結構，加深對機械知識的理解和認識。此外，還可以通過虛擬現實技術，制作虛擬操作界面。利用虛擬現實技術，可以將機械操作界面制作成虛擬界面，讓學生通過VR設備進行體驗，比如機床操作界面、數控系統操作界面等。這種方法可以讓學生更好地理解機械操作和控制，提高學生的實際操作能力。

（二）3D打印技術的應用

通過課堂上引入3D打印技術開展綜合性教學項目來培養學生發現問題、解決問題的能力?？梢酝ㄟ^3D打印技術，制作真實的機械模型。使用3D打印技術，可以將機械部件和結構制作成真實的模型，讓學生通過觸摸和組裝進行體驗。這種方法可以幫助學生更加深入地了解機械結構和原理，也能夠提高學生的動手能力和創造能力。學生可以通過自己的動手實踐，更好地理解機械結構和原理。

（三）VR技術與3D打印技術相結合

將VR技術和3D打印技術相結合，設計虛擬機械實驗。通過虛擬現實技術制作虛擬機械實驗，并使用3D打印技術將虛擬實驗中的部件制作成真實的模型，讓學生進行組裝和操作。這種方法可以將虛擬實驗和真實操作結合起來，使學生更好地理解機械原理和實際操作，也可以提高學生的學習興趣和效果，增強了學生的動手能力和創造能力。除此之外，VR技術和3D打印相結合還可針對特定的機械結構來創新、改革課程的教學內容，改變傳統教學內容及方式一成不變、毫無新意的現狀，改變枯燥的教學模式，提升學生的學習興趣，增強學生的學習能動性，大幅提升教學效果。

三、VR技術與3D打印技術相結合的“機械制造裝備設計”教學改革的具體措施

為了提高學生的學習興趣，培養學生的動手能力和合作精神。任課教師可以引入VR技術，在教學過程中使用VR技術，為學生提供逼真的虛擬環境，使學生能夠在虛擬場景中進行實踐操作，并體驗不同制造裝備的動態表現和工作原理。

（一）教學方式改革

學生在虛擬環境中了解各種裝備基礎原理之后，授課教師將3D打印技術納入教學內容中，讓學生了解3D打印的基本原理和應用，同時讓學生能夠使用3D設計軟件進行模型設計，并通過3D打印機將設計的模型打印出來，真正做到把抽象的概念和設計帶到現實生活中，給枯燥無味的課程增添樂趣。除此之外，教師應該鼓勵學生參與課外實踐項目，如設計和制造自己的機械裝備模型，并利用VR技術和3D打印技術進行模型的優化和制造，培養學生的實踐能力和創新能力。

根據VR技術和3D打印技術相結合的教學改革需要，授課教師也應該改變評價體系，更注重對學生的實踐能力和創新能力的考核，同時開展學生對于教學改革的反饋和評估，而不是以考試成績來評定學生的成績，從而不斷改進教學方法和內容。

（二）教學示例

以成形車刀為例：成形車刀是一種專用刀具，一般需要根據工件的輪廓形狀進行專門的設計和制造，主要用在臥式車床、轉塔車床、自動車床上加工內、外回轉成形表面。

1.教師為學生提供相關的基礎教學和指導，在課堂上教授他們如何使用VR設備和3D打印機，以及相應的設計軟件。在學生有了一定的基礎知識儲備之后，可以使用VR設備，用VR技術模擬線下名師教學場景，在虛擬教師的帶領下讓學生穿越到成形車刀的制作場景當中，學生能夠沉浸式地感受到車刀的制造過程，還原真實工廠的流水線工作。此外，在虛擬系統中，對學生進行一對一教學，進行教學、互動、問答，能避免時間上的浪費，讓學生在有限的學時中學到更多的知識。在學生進行理論學習的基礎上，使用VR設備模擬知識的真實場景，創建模擬的成形車刀制造環境和使用環境，使學生能夠身臨其境地進行實際操作和實驗，學生可以通過虛擬現實技術模擬機械設備的組裝、操作和維護，提高他們的實踐能力。

2.在教學實驗室中配備3D打印機，并提供相應的設計軟件，讓學生利用3D打印技術快速將想法轉化成現實，讓學生能夠將自己設計的成形車刀模型進行打印和制造。學生可以通過這種方式實際參與到成形車刀制造的過程中，讓他們切實體會到機械制造的過程，從而提高他們的設計和創新能力。

教師可以布置小組合作任務，設計虛擬實驗和3D打印技術相結合的小組作業。以成形車刀為例，首先，學生可以在虛擬環境中進行確定刀體結構、選擇前角和后角、截形設計、成形車刀的樣板設計等四個環節。然后繪制三維模型，利用3D打印技術將小組設計的車刀制造出來，如圖1所示。從設計到生產，通過實際操作來增強對機械制造裝備設計的理解和掌握。利用虛擬現實和3D打印技術完成具體的機械制造裝備設計任務。利用這兩種技術，學生可以在早期就發現問題和缺點，對學習或研究過程中存在的問題進行糾正，還能及時得到教師的指導和幫助。同時，學生可以通過虛擬現實技術和3D打印技術，將課堂所學應用于實踐，將自己在課堂上學到的知識運用于實際生活中。此外，還可以培養學生團隊合作意識和創新能力，提高解決問題的能力，有一舉多得的作用。

（三）加強課內外互動

除了上述教學流程，任課教師可以根據知識點，增加一些趣味性教學內容。比如制作一些相關的VR游戲，讓學生在游戲中了解到機械結構和原理，使學生對其產生一定的興趣，同時能讓原本晦澀難懂的知識變得通俗易懂，讓枯燥的課堂更加生動。知識與游戲相結合可以提升學習的趣味性和積極性，VR游戲可以增強學生沉浸度和互動度，從而進一步提升學習的積極性和效率。比如，有一個VR游戲，剛開始學生進入一個虛擬的生產車間，需要制造一個成形車刀，而這個刀具的制造方式和過程幾乎與現實世界一模一樣，唯一不同的是，在虛擬世界中一開始就會給學生一定數額的啟動資金，讓學生購買生產設備和招聘工人，然后把時間加速到現實中的幾十倍，那么理論上來說，現實中需要幾天才能完成的工作量，在十幾分鐘之內就能完成。如果學生能夠順利完成任務，并且通過系統驗收，就相當于學生已經了解了車刀制造的整個過程。

結語

將VR技術和3D打印技術相結合應用于機械類課程教學中，可以為學生提供更為直觀、生動、豐富的學習體驗，提高他們的學習興趣和效果，也能夠提高學生的動手能力和創造能力。這是一種創新的教學方法和手段，能夠為機械類課程教學帶來新的思路和方法。同時，虛擬現實技術和3D打印技術的應用也能夠促進機械類課程教學的轉型和升級。傳統的機械類課程教學以理論知識和書本知識為主，缺少實踐環節，難以滿足現代產業對高素質人才的需求。而將VR技術和3D打印技術引入機械類課程教學中，可以將理論與實踐相結合，提高教學的實用性和針對性。同時，還能夠激發學生的創新思維和實踐能力，培養他們解決實際問題的能力，從而更好地適應未來工作和生活的需求，讓他們在未來成為優秀的機械工程師。

參考文獻

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Discussion on the Teaching Reform of Mechanical Courses based on the Combination of VR and 3D Printing： Taking “Mechanical Manufacturing Equipment Design” as an Example

Abstract： With the rapid development of the mechanical industry and the continuous advancement of computer technology， the teaching methods of mechanical professional courses are in urgent need of reform to adapt to the trend of the times and improve teaching effects. This article takes the “Mechanical Manufacturing Equipment Design” course as the research object， and explores the feasibility and necessity of using the combination of virtual reality technology （VR） and 3D printing technology to reform the teaching model. Specifically， this article proposes measures to utilize these two advanced technologies to promote students’ intuitive understanding of mechanical structures， strengthen the integration of theory and practice， and innovate teaching content. These measures aim to stimulate students’ interest in learning， expand teaching content， and improve teaching quality to better meet the current needs of mechanical design education.

Key words： VR technology; 3D printing; mechanical manufacturing equipment design; teaching reform