盧帥　李瑞華　栗偉周

摘要：通過分析傳統(tǒng)工程圖學(xué)課程教學(xué)過程中存在的問題基礎(chǔ)上，結(jié)合課堂教學(xué)和科研實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，研究了3D打印技術(shù)與工程圖學(xué)課程教學(xué)的結(jié)合過程和方法。實(shí)踐表明，通過3D打印實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的加入，提高了學(xué)生的空間思維能力、工程圖的識(shí)圖繪圖能力與創(chuàng)新能力。該教學(xué)模式極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得了良好效果。關(guān)鍵詞：3D打印；工程圖學(xué)；教學(xué)模式中圖分類號(hào)：G642.0

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-9324（2018）20-0160-02 一、引言工程圖學(xué)是工科類專業(yè)的一門重要技術(shù)基礎(chǔ)課，涉及的理論知識(shí)既廣泛又抽象。雖然計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)已廣泛應(yīng)用于高校教學(xué)過程中，但多媒體教學(xué)手段屬于平面效應(yīng)，缺乏直觀的立體感，教學(xué)中容易使學(xué)生產(chǎn)生視覺疲勞，影響學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣。3D打印技術(shù)作為一種新興技術(shù)，目前已在醫(yī)學(xué)、航空航天、機(jī)電工程、建筑設(shè)計(jì)、藝術(shù)設(shè)計(jì)等不同學(xué)科領(lǐng)域應(yīng)用于輔助教學(xué)。3D打印將教學(xué)內(nèi)容中的某些抽象概念或科學(xué)過程進(jìn)行可視化展現(xiàn)，對(duì)激發(fā)學(xué)生直觀形象思維、調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性方面具有極大的促進(jìn)作用，能使學(xué)生獲得更多的認(rèn)知體驗(yàn)，有效提高教學(xué)質(zhì)量和課堂效率。二、當(dāng)前工程圖學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀工程圖學(xué)擔(dān)負(fù)著培養(yǎng)學(xué)生的空間想象和抽象思維能力以及制圖能力的教學(xué)重任，圖樣是從事設(shè)計(jì)、制造等工程行業(yè)必備的技術(shù)語(yǔ)言。在傳統(tǒng)工程圖學(xué)課程教學(xué)過程中，教師講解零部件的結(jié)構(gòu)形狀、裝配關(guān)系時(shí)，一般是通過如PPT、教學(xué)模型、掛圖等形式開展教學(xué)。但這種方式通常存在一些問題，體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。1.掛圖、圖片等靜態(tài)的教學(xué)工具不能很好地反映零部件的結(jié)構(gòu)形狀，零件之間的裝配關(guān)系。在工程圖學(xué)的教學(xué)過程中，對(duì)學(xué)生空間想象能力的要求是較高的，如果單靠掛圖、圖片等形式展開教學(xué)，學(xué)生很難想象出零部件的形狀結(jié)構(gòu)以及零件之間的組合關(guān)系。2.傳統(tǒng)的實(shí)體教學(xué)模型展示效率不高。在工程圖學(xué)課程的教學(xué)過程中，教師往往采用實(shí)物模型讓學(xué)生了解零部件的形狀位置以及結(jié)構(gòu)組成等內(nèi)容。然而這些實(shí)體模型的種類和數(shù)量很有限，不可能反映所有教學(xué)內(nèi)容，課堂的展示效率不高。同時(shí)這些教學(xué)模型采購(gòu)成本較高，需要花費(fèi)很大的人力、物力、財(cái)力。3.無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。傳統(tǒng)的教學(xué)方法多以教師為主體，學(xué)生很少參與其中。在教室空間中只有教師一個(gè)人的聲音，由于視聽疲勞學(xué)生大都很難45分鐘都集中精力，進(jìn)而很難引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。雖然多媒體教學(xué)手段在工程圖學(xué)的教學(xué)中發(fā)揮著重要作用，但部分老師還是采取“填鴨式”的教學(xué)方法，教學(xué)方式枯燥乏味且形式單一，無法做到啟發(fā)學(xué)生深層次的思考，達(dá)不到培養(yǎng)學(xué)生空間思維和創(chuàng)新能力的目的。針對(duì)上述問題，本人在個(gè)人教學(xué)體會(huì)和吸取他人相關(guān)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，面向培養(yǎng)理論知識(shí)和實(shí)踐應(yīng)用綜合型人才的目標(biāo)，探索將3D打印技術(shù)應(yīng)用到工程圖學(xué)的課程教學(xué)中，對(duì)工程圖學(xué)課程的教學(xué)模式和方法進(jìn)行改革實(shí)踐和探討。三、3D打印應(yīng)用于工程圖學(xué)教學(xué)中的可行性3D打印技術(shù)是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)的快速成型技術(shù)，3D打印能使學(xué)生直觀的感受立體的空間結(jié)構(gòu)和位置關(guān)系，3D打印模型相對(duì)于傳統(tǒng)教學(xué)手段有很明顯的優(yōu)點(diǎn)。1.3D打印模型建立方式靈活多樣，主流的設(shè)計(jì)軟件如：Solidworks、Pro/E、CATIA、UG、Inventor等都可以方便地建立模型，不管模型復(fù)雜程度如何都可以通過3D打印機(jī)快速打印成型。2.3D打印模型制造周期短且相對(duì)靈活、簡(jiǎn)便，其大小、形狀、結(jié)構(gòu)均可自由控制，極大地提高課堂上的展示效率，而傳統(tǒng)模型一旦采購(gòu)?fù)瓿?，很難再改變其形狀和結(jié)構(gòu)。3.目前FDM型普通3D打印機(jī)的耗材主要是工程塑料，比如ABS、PLA等，價(jià)格在每千克幾十元至上百元不等，相對(duì)于傳統(tǒng)教學(xué)模型成本低很多。因此，將3D打印技術(shù)引入到工程圖學(xué)課程教學(xué)中，不僅可以豐富教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過制作零部件實(shí)體，拆卸裝配3D打印零部件來加強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)物的認(rèn)識(shí)，提高識(shí)圖和工程制圖的能力，更激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維，鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力。其次由于FDM型桌面3D打印機(jī)不占空間、攜帶方便，而且制造耗時(shí)短，所以將3D打印技術(shù)引入到工程圖學(xué)的課程教學(xué)環(huán)節(jié)中具有重要意義。四、3D打印技術(shù)在工程圖學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用探索目前“工程圖學(xué)”課程的教學(xué)可分為兩個(gè)階段，第一階段為畫法幾何與工程制圖基礎(chǔ)的教學(xué)，通常開設(shè)在第一學(xué)期，第二階段為計(jì)算機(jī)輔助繪圖的教學(xué)，通常開設(shè)在第二學(xué)期或第三學(xué)期。本文提出理論課程和實(shí)踐課程混合開設(shè)，通過將3D打印技術(shù)的引入來提高不同階段的授課效果。1.針對(duì)第一階段的畫法幾何與工程制圖基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)，在投影基礎(chǔ)與基本體及表面交線部分，授課重點(diǎn)與難點(diǎn)在基本體的截切與相貫部分。特別是對(duì)于立體與立體的相貫線，學(xué)生往往想象不出結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的相貫形狀。為此，本研究通過先將一些典型的基本體相貫結(jié)構(gòu)模型建立出來，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際條件，使3—4個(gè)學(xué)生為一組，以小組為單位讓學(xué)生把模型利用3D打印機(jī)打印成型，將典型結(jié)構(gòu)的實(shí)體呈現(xiàn)在學(xué)生面前。這樣，就能使每個(gè)學(xué)生清楚地觀察、深入地學(xué)習(xí)，學(xué)生作圖也就簡(jiǎn)單明了了。在工程制圖基礎(chǔ)部分，涉及組合體、零件圖、裝配體等諸多知識(shí)，對(duì)學(xué)生空間思維能力有很高要求，課程難度較大，很容易打消學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。為改變現(xiàn)狀，結(jié)合新修訂的培養(yǎng)方案，本課程探索與后續(xù)設(shè)計(jì)類相關(guān)課程的有效結(jié)合，因此引入減速箱、五軸機(jī)械臂等創(chuàng)新性、趣味性3D打印實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。通過設(shè)計(jì)一組幾個(gè)零件構(gòu)成的裝配體裝置并做出實(shí)體，通過實(shí)踐得出結(jié)論，讓學(xué)生更深入的理解部件的表達(dá)方法和相關(guān)技術(shù)要求，將所學(xué)知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中。3D打印將抽象概念和設(shè)計(jì)引入現(xiàn)實(shí)世界，可以使學(xué)生在空間思維方面實(shí)現(xiàn)從抽象的立體結(jié)構(gòu)向零部件實(shí)體轉(zhuǎn)變；在分析和解決問題方面實(shí)現(xiàn)從形體分析法到構(gòu)型分析法提高到零件結(jié)構(gòu)分析方法的轉(zhuǎn)變。2.針對(duì)第二階段的計(jì)算機(jī)輔助繪圖的學(xué)習(xí)，以往就是教師臺(tái)上講，學(xué)生臺(tái)下練。但學(xué)生對(duì)繪圖軟件的使用能力參差不齊，教師也不可能兼顧學(xué)生的各自差異情況，只能按統(tǒng)一的進(jìn)度、標(biāo)準(zhǔn)講授。不同專業(yè)的學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的目的和意義認(rèn)識(shí)不一致，特別是非機(jī)類專業(yè)的學(xué)生認(rèn)為繪圖軟件的學(xué)習(xí)沒有必要，學(xué)習(xí)積極性不高。因此，本研究通過如：建筑模型、簡(jiǎn)單實(shí)用機(jī)械類機(jī)構(gòu)裝置、藝術(shù)類模型、時(shí)尚飾品類模型等3D打印趣味性實(shí)驗(yàn)，讓不同專業(yè)的學(xué)生在認(rèn)真學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)輔助繪圖軟件的同時(shí)，又充分享受3D打印的樂趣，提高學(xué)習(xí)的積極性和參與性，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的成就感，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)。五、結(jié)語(yǔ)實(shí)踐證明，將3D打印技術(shù)引入到工程圖學(xué)的課程教學(xué)中，有利于培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的能力，能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性。課程的開設(shè)開闊了大學(xué)生的視野，提高了學(xué)生分析問題解決問題的能力，鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力和綜合創(chuàng)新能力，為學(xué)生后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)以及將來投入到相關(guān)內(nèi)容的工作崗位中奠定了堅(jiān)實(shí)的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。該教學(xué)模式經(jīng)過一個(gè)學(xué)年的嘗試，學(xué)生成績(jī)合格率較以往提高15%左右，取得了理想的教學(xué)效果。參考文獻(xiàn)：[1]吳亞輝，張英琦.多層次開放型先進(jìn)制造技術(shù)訓(xùn)練模式的探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2014，（5）：196-199.[2]王克欣，張紅哲，梁延德，唐勇超.工程訓(xùn)練中心中設(shè)置“3D打印技術(shù)”實(shí)訓(xùn)課程的研究[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2015，（4）：138-140.[3]宮霞霞，孫付春.基于應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)的機(jī)械制圖教學(xué)改革探討[J].教育與教學(xué)研究，2012，（5）：73-75.[4]兀旦暉，趙晨飛.3D打印技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].課程教育研究，2013，（7）：185-186.[5]高奇，曾紅，張德強(qiáng).高校機(jī)械類實(shí)驗(yàn)課程的微課設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2016，（3）：61-63.[6]于玉真，董小雷，李志斌，劉彤暉.實(shí)踐環(huán)節(jié)在機(jī)械制圖類課程教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].教育教學(xué)論壇，2013，（33）：20-21.[7]高奇，曾紅.基于快速制造技術(shù)的大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2014，（10）：4-6.