郭付龍

摘要：針對機(jī)械制圖課程教學(xué)中學(xué)生空間想象能力弱，難以將圖形與實物對照起來的問題，嘗試將3D打印技術(shù)引入到機(jī)械制圖的教學(xué)中去，利用3D打印實物的真實性與直觀性，提升學(xué)生的空間思維能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，實踐證明將3D打印技術(shù)引入到機(jī)械制圖教學(xué)中可以提高學(xué)生的積極性與主動性，提升教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：3D打印;機(jī)械制圖;教學(xué)實踐

1、引言

機(jī)械制圖是工科類專業(yè)一門核心的專業(yè)基礎(chǔ)課程，涉及到的知識既廣泛又抽象，在教學(xué)的過程中要自始至終把物體的投影與物體的形狀緊密聯(lián)系，學(xué)生既要想象物體的形狀，又要思考作圖的投影規(guī)律，同時還要結(jié)合生產(chǎn)實際完成一系列制圖作業(yè)，學(xué)生初學(xué)缺乏空間想象力，很難將二維圖形與實物對照起來，學(xué)生極易產(chǎn)生厭學(xué)情緒，自暴自棄，教學(xué)效果差。筆者通過教學(xué)實踐，嘗試將3D打印技術(shù)引入到機(jī)械制圖的課程的教學(xué)中，探索出一種二維圖形，三維建模，3D打印結(jié)合的教學(xué)方法，通過實踐證明該方法能夠極大提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動性，學(xué)生能夠很快將二維圖形與三維實物映射起來，提升教學(xué)效果。

2、3D打印技術(shù)在機(jī)械制圖教學(xué)中的嘗試

2.1? 3D打印技術(shù)簡介

3D打印技術(shù)是21世紀(jì)制造業(yè)最具影響的技術(shù)之一[1]，是一種CAD模型直接驅(qū)動的快速制造三維實體的技術(shù)。日常生活中使用的普通打印機(jī)可以打印計算機(jī)設(shè)計的平面物品，而所謂的3D打印機(jī)與普通打印機(jī)工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印機(jī)的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機(jī)內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實實在在的原材料，打印機(jī)與計算機(jī)連接后，通過計算機(jī)控制可以把“打印材料”層層疊加起來，最終把計算機(jī)上的藍(lán)圖變成實物[2]。

2.2 3D打印技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械制圖教學(xué)的探索

機(jī)械制圖課程的重點是培養(yǎng)學(xué)生制圖、識圖能力，要求學(xué)生既具備通過觀察三維立體實物的形狀、結(jié)構(gòu)繪制出該物體的平面圖形的能力，又具備通過識讀平面圖形正確還原出實物的三維立體形狀、結(jié)構(gòu)的能力。無論是繪圖還是識圖，三維實物是基礎(chǔ)，要求學(xué)生根據(jù)實物繪制二維圖形，同時根據(jù)二維圖形還原出三維實物，三維實物模型在其中起到“模特”的作用，所以在制圖的教學(xué)中重點是必須有三維實物模型。傳統(tǒng)教學(xué)中的實物模型限于模型的成本較高，模型的種類和數(shù)量有限，不可能反映所有的教學(xué)內(nèi)容，并且更新?lián)Q代的周期較長，很難適應(yīng)新技術(shù)新知識的發(fā)展。而隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，三維建模軟件在很長時間內(nèi)為機(jī)械制圖的教學(xué)提供了很好的輔助工具。不可否認(rèn)三維建模軟件如SolidWorks，Pro/Engineer，UG在目前的制圖教學(xué)中起著不可或缺的作用，但三維建模軟件還是處在虛擬的空間中，教學(xué)過程中學(xué)生不滿足于計算機(jī)的虛擬空間，或則學(xué)生要親自驗證所還原的三維實物是否正確，那么就要親自加工出實物，在制圖的教學(xué)中學(xué)生還沒有學(xué)習(xí)機(jī)械加工的知識，或則模型復(fù)雜機(jī)械加工很難完成，這時3D打印技術(shù)就充分顯示出了其優(yōu)越性。3D打印技術(shù)目前已經(jīng)從實驗室走向應(yīng)用，目前淘寶上一臺3D打印機(jī)低至2000元，大大降低了制作傳統(tǒng)意義上的實物模型的成本。從實物中來到實物中去既是制圖課程的方法又是制圖的目的，而3D打印技術(shù)實現(xiàn)了方法與目的的統(tǒng)一。在授課過程中教師展示實物模型，師生一起分析組合體的類型，實物所包含的特征，討論物體的表達(dá)方法，然后學(xué)生繪出工程圖形，繪制完成工程圖形后，學(xué)生對照實物檢查工程圖形選用的表達(dá)方式是否正確，所有的特征是否表達(dá)完整，尺寸是否標(biāo)注完整等。此時對于傳統(tǒng)意義上的制圖教學(xué)任務(wù)已經(jīng)完成，但是學(xué)生似乎并不滿足于此，學(xué)生要求繪制出實物的三維模型，通過3D打印技術(shù)完成實物的制作。完成實物建模的過程就是學(xué)生識圖的過程，學(xué)生所識的圖就是自己所繪制的工程圖形，自己驗證自己所繪制圖形的正確性。圖1所示是3D打印技術(shù)實現(xiàn)方法與目的統(tǒng)一的途徑。

2.3 3D打印技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械制圖教學(xué)的實踐

將3D打印技術(shù)引入到機(jī)械制圖的教學(xué)中分為兩個階段。第一階段純粹將3D打印作品帶入到課堂教學(xué)中，課前教師根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容，自行設(shè)計實物模型，如典型的軸類、盤蓋類、箱體類，課前將這些模型利用3D打印機(jī)打印出來，帶到課堂上，學(xué)生分組，將實物模型發(fā)給大家，小組討論分析表達(dá)方法，確定工程圖繪制方案，最終每人繪制一份工程圖紙。然后小組成員再根據(jù)實物模型糾錯，修改，完善。該階段學(xué)生親自觀察3D打印實物模型，由于實物模型具有真實性、直觀性，學(xué)生很容易將抽象的二維圖形與實物映射對應(yīng)，將抽象的知識直觀化能極大激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高其學(xué)習(xí)的積極性與主動性。第二階段實現(xiàn)實物模型的制作，該階段就得益于3D打印機(jī)價格低廉與操作簡單。使用3D打印機(jī)前要學(xué)會使用三維CAD軟件，這就觸發(fā)了學(xué)生主動學(xué)習(xí)與探索學(xué)習(xí)的熱情與動力，三維CAD軟件建模的過程就是學(xué)生識圖的過程，學(xué)生識讀自己繪制的工程圖的過程同樣是檢查與提升的過程。根據(jù)實物模型繪制工程圖，再根據(jù)工程圖繪制三維模型實現(xiàn)了繪圖與識圖的統(tǒng)一。學(xué)生根據(jù)繪制好的三維模型導(dǎo)出STL文件，對STL文件切片后導(dǎo)入到3D打印機(jī)打印出實物模型，完成實物的制作。第二階段學(xué)生通過親自制作實物模型，很容易理解圖紙在生產(chǎn)制造中的地位與作用，從而促進(jìn)第一階段繪圖能力的提升，培養(yǎng)了學(xué)生認(rèn)真踏實的學(xué)習(xí)態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致工作作風(fēng)。第二階段實現(xiàn)了制圖的到實物中去。3D打印技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械制圖教學(xué)的實踐，實現(xiàn)了方法與目的的統(tǒng)一。

3、結(jié)論

實踐證明，將3D打印技術(shù)引入到機(jī)械制圖的課程教學(xué)中，將制圖課從實物中來回歸到到實物中去，實現(xiàn)了方法與目的的統(tǒng)一。3D打印實物能極大激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，通過觀察實物模型，其真實性與直觀性能很好的培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動性。另外，將3D打印新技術(shù)引入到課堂中能到激發(fā)學(xué)生求知欲望，開闊其視野，同學(xué)們親手制作實物模型，鍛煉了學(xué)生動手能力與綜合應(yīng)用能力，培養(yǎng)其認(rèn)真踏實的學(xué)習(xí)態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致工作作風(fēng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱鵬.3D打印技術(shù)與機(jī)械制圖教學(xué)結(jié)合創(chuàng)新應(yīng)用的研究[J].當(dāng)代教育實踐與教學(xué)研究，2017（10）：182+181.

[2]盧帥，李瑞華，栗偉周.3D打印在工程圖學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].教育教學(xué)論壇，2018（20）：160-161.