盧亞萍+楊慶文+楊華+胡金成

摘 要 本文在查閱大量文獻(xiàn)和調(diào)研的基礎(chǔ)上，在傳統(tǒng)機(jī)械類(lèi)教學(xué)架構(gòu)和3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)上，分析機(jī)械類(lèi)教學(xué)中如何更好的應(yīng)用3D打印技術(shù)。

關(guān)鍵詞 3D打印 機(jī)械 教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

機(jī)械制造業(yè)是當(dāng)前世界快速發(fā)展的一大產(chǎn)業(yè)，機(jī)械行業(yè)先進(jìn)制造技術(shù)正快速取代傳統(tǒng)的制造技術(shù)。當(dāng)前我國(guó)已進(jìn)入全球制造業(yè)大國(guó)行列，但機(jī)械行業(yè)技術(shù)技能人才的缺乏已嚴(yán)重制約了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。機(jī)械類(lèi)人才教育問(wèn)題需要進(jìn)一步提高，在傳統(tǒng)教學(xué)方法的基礎(chǔ)上，嘗試使用3D打印技術(shù)于課堂，培養(yǎng)創(chuàng)新型、實(shí)踐型機(jī)械人才。

1 3D打印技術(shù)概況

“3D打印”是通俗的叫法，學(xué)術(shù)名稱(chēng)為快速成型（Rapid Prototyping，RP）技術(shù)，是一種不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾具和機(jī)床就可以打造出任意形狀，根據(jù)零件或物體的三維模型數(shù)據(jù)通過(guò)成型設(shè)備以材料累加的方式制成實(shí)物模型的技術(shù)。相較傳統(tǒng)制造業(yè)，3D打印突破了設(shè)計(jì)和制造的局限性，可同時(shí)生產(chǎn)多個(gè)設(shè)計(jì)迭代，且無(wú)需昂貴生產(chǎn)模具，通過(guò)3D打印建模，小型設(shè)計(jì)和工程公司可以直接驗(yàn)證創(chuàng)意，在設(shè)計(jì)初期改正原型錯(cuò)誤、提升其質(zhì)量、避免損失；3D打印的意義在于可能會(huì)導(dǎo)致一種新的高智能數(shù)字制造裝備產(chǎn)業(yè)的形成。

2 3D打印技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用

3D打印在教育領(lǐng)域的應(yīng)用主要分為兩種，一種是開(kāi)設(shè)3D打印相關(guān)的課程，讓學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握3D打印的基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，設(shè)計(jì)產(chǎn)品，快速實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新理念，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的需求，實(shí)現(xiàn)虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的鏈接，提高學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新能力。另一種是在教學(xué)中運(yùn)用3D打印，為學(xué)習(xí)者創(chuàng)造學(xué)習(xí)環(huán)境。

2012年12月，國(guó)外開(kāi)始將3D打印機(jī)用于教育，以滿(mǎn)足師生快速制造完善的模具的體驗(yàn)。3D打印不像普通的打印機(jī)一樣，它需要特殊的材料，長(zhǎng)時(shí)間積累的經(jīng)驗(yàn)和專(zhuān)門(mén)的培訓(xùn)，為打印做準(zhǔn)備。3D打印的東西不應(yīng)該僅僅是學(xué)校的展品，應(yīng)該是能激發(fā)學(xué)生的想象力和創(chuàng)新的能力。

近兩年來(lái)，很多學(xué)校開(kāi)始購(gòu)買(mǎi)3D打印機(jī)作為教學(xué)設(shè)備。2014年12月，山東工藝美院舉辦3D打印成果展，包括了數(shù)字藝術(shù)、動(dòng)漫、陶瓷設(shè)計(jì)等作品。北京航空航天大學(xué)與中航工業(yè)集團(tuán)合作，用3D打印生產(chǎn)飛機(jī)鈦合金大型主承力結(jié)構(gòu)件，3D打印技術(shù)在我國(guó)航空領(lǐng)域開(kāi)始應(yīng)用。西安交通大學(xué)將3D打印技術(shù)應(yīng)用在醫(yī)療方面，制作了部分骨骼產(chǎn)品，并投入使用。

3 3D打印技術(shù)在機(jī)械類(lèi)教學(xué)中的應(yīng)用研究

3D打印技術(shù)應(yīng)用在機(jī)械類(lèi)教學(xué)中，可以大力改革教學(xué)方法和手段，創(chuàng)造條件使學(xué)生較早地參與崗位實(shí)踐和創(chuàng)新活動(dòng)，引導(dǎo)和增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力和發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，提高教學(xué)質(zhì)量。

3.1 3D打印技術(shù)在機(jī)械類(lèi)教學(xué)中的推廣應(yīng)用價(jià)值

3.1.1營(yíng)造真實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境

在常規(guī)的多媒體教學(xué)中，老師運(yùn)用圖片、動(dòng)畫(huà)、視頻、音頻等為學(xué)生營(yíng)造信息化教學(xué)環(huán)境。與傳統(tǒng)的教學(xué)環(huán)境相比，給予學(xué)生更好的視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)刺激。但是學(xué)生看到的都是平面的，缺少更為形象、直觀(guān)的真實(shí)物體的感知。3D打印支持的教學(xué)環(huán)境，能夠改善傳統(tǒng)教學(xué)單一的學(xué)習(xí)環(huán)境，提供真實(shí)形象的教學(xué)環(huán)境。3D打印技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械制造領(lǐng)域，如利用3D打印技術(shù)制造的飛機(jī)螺旋槳等。3D打印技術(shù)應(yīng)用在機(jī)械類(lèi)教學(xué)中，可為師生提供3D打印的逼真的船體結(jié)構(gòu)、復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)等，真實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境使抽象的學(xué)習(xí)變得具體化、形象化，提高了學(xué)生的理解能力和教學(xué)效果。

3.1.2提高學(xué)生的創(chuàng)新能力

3D打印技術(shù)又稱(chēng)快速成型技術(shù)，不需要其它機(jī)械或模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形（數(shù)字模型）快速打印成真實(shí)的三維模型，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率、使學(xué)生更容易掌握和理解。學(xué)生利用3D打印技術(shù)，可以開(kāi)拓眼界，啟發(fā)思維，自由創(chuàng)作，對(duì)于專(zhuān)業(yè)課的學(xué)習(xí)也會(huì)更加感興趣。開(kāi)設(shè)3D打印基礎(chǔ)課，讓每個(gè)機(jī)械類(lèi)學(xué)生掌握3D打印技術(shù)的基本技能。再根據(jù)不同的專(zhuān)業(yè)，為學(xué)生提供恰當(dāng)?shù)?D學(xué)習(xí)環(huán)境。3D打印使學(xué)生自己的設(shè)計(jì)理念變?yōu)檎鎸?shí)的模型成為可能，一方面通過(guò)真實(shí)的模型，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的不足，降低設(shè)計(jì)出錯(cuò)的概率，便于進(jìn)行修改。另一方面學(xué)生的設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)，吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的成就感，激發(fā)學(xué)習(xí)的熱情。學(xué)習(xí)者變?yōu)橹R(shí)的主動(dòng)建構(gòu)者，促進(jìn)課程改革，有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)新性。

3.1.3增強(qiáng)學(xué)生的參與度與協(xié)作能力

3D打印營(yíng)造的教學(xué)環(huán)境，為學(xué)生的探究協(xié)作學(xué)習(xí)提供了很好的條件。利用3D打印的教學(xué)模型，可以使機(jī)床結(jié)構(gòu)、機(jī)械制圖、機(jī)械制造、機(jī)械原理等課上，學(xué)生難以對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、原理、功能可以有清晰的認(rèn)知，也可以在老師的引導(dǎo)下，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)基本知識(shí)的基礎(chǔ)上，分組利用3D打印技術(shù)自己制作結(jié)構(gòu)件。這樣通過(guò)探索、發(fā)現(xiàn)、想象、實(shí)踐等環(huán)節(jié)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，從傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué)變?yōu)樽灾魈骄繉?shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。學(xué)生在主動(dòng)參與、協(xié)作探究的過(guò)程中，不僅能獲得知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)知識(shí)有更深層次的理解，也能激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，培養(yǎng)學(xué)生協(xié)作能力，使學(xué)生進(jìn)行更有意義的學(xué)習(xí)。

3.1.4滿(mǎn)足學(xué)生要求，學(xué)習(xí)科技新技能

對(duì)于科技的發(fā)展，未來(lái)3D打印技術(shù)也將像計(jì)算機(jī)技術(shù)一樣普及，所以開(kāi)設(shè)3D打印技術(shù)的課程、建立3D打印實(shí)訓(xùn)室，使學(xué)生學(xué)習(xí)掌握新科學(xué)技能，亟需實(shí)現(xiàn)。

3.2 3D打印技術(shù)在機(jī)械類(lèi)教學(xué)中的應(yīng)用思路

3D打印技術(shù)在航空航天、機(jī)械制造、醫(yī)療等方面取得了顯著成績(jī)。蚌埠市各高校也開(kāi)始將3D打印技術(shù)開(kāi)設(shè)課程，蚌埠學(xué)院開(kāi)設(shè)了《快速成型與逆向工程》，安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)將3D打印用于課堂產(chǎn)品設(shè)計(jì)的模型展示，安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院將3D打印用于模具制造專(zhuān)業(yè)課程中并組織學(xué)生參加3D打印的比賽。隨著3D技術(shù)在高等職業(yè)教育中的應(yīng)用，學(xué)校更應(yīng)加快步伐。

3.2.1利用3D打印技術(shù)對(duì)機(jī)械制圖教學(xué)——從平面制圖轉(zhuǎn)向三維建模

在傳統(tǒng)的機(jī)械制圖課程中，粗略地說(shuō)可以分為以下幾個(gè)部分：制圖基礎(chǔ)知識(shí)、三視圖基礎(chǔ)、機(jī)件的表達(dá)方式、零件圖和裝配圖。學(xué)習(xí)的主要目標(biāo)是學(xué)生在領(lǐng)悟機(jī)械制圖國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，學(xué)會(huì)識(shí)圖和繪圖。教學(xué)過(guò)程是將制圖標(biāo)準(zhǔn)等理論學(xué)習(xí)與計(jì)算機(jī)輔助制圖的操作訓(xùn)練結(jié)合起來(lái)，而計(jì)算機(jī)輔助制圖通常廣泛采用的AutoCAD的二維制圖手段。

機(jī)械類(lèi)學(xué)科教育中機(jī)械制圖教學(xué)是一門(mén)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程，對(duì)學(xué)生的機(jī)械素質(zhì)和專(zhuān)業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)很重要。將SolidWorks納入學(xué)習(xí)范圍，通過(guò)三維建模軟件的學(xué)習(xí)，輸出SolidWorks零件或裝配體文檔為STL文件時(shí)，用這種格式輸入3D打印機(jī)直接快速成型實(shí)體模型，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械的興趣。

3.2.2利用3D打印技術(shù)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)—從設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向?qū)嵨?/p>

傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)中，我們僅按照書(shū)本知識(shí)介紹。利用3D打印技術(shù)，可以將一些復(fù)雜的機(jī)械機(jī)構(gòu)通過(guò)3D打印的形式展示給學(xué)生，使他們有更清楚的感官認(rèn)識(shí)。3D打印突破了設(shè)計(jì)和制造的局限性，學(xué)生也可以將自己的機(jī)械設(shè)計(jì)，通過(guò)3D打印建模，可以直接驗(yàn)證創(chuàng)意，在設(shè)計(jì)初期改正原型錯(cuò)誤、提升其質(zhì)量、避免損失，使設(shè)計(jì)向?qū)嵨镛D(zhuǎn)化。

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