楊璐銓，趙玉剛

(天津市勞動經(jīng)濟學(xué)校，天津 300380；天津市機電工藝學(xué)院，天津 300350)

隨著3D技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，不僅可以幫助學(xué)生培養(yǎng)創(chuàng)新思維，還可以開發(fā)學(xué)生的自主想象力，激發(fā)學(xué)生對機械學(xué)科學(xué)習(xí)的興趣，引領(lǐng)學(xué)生積極探索機械專業(yè)課程的基本原理。教師在教學(xué)過程中，應(yīng)結(jié)合3D技術(shù)的應(yīng)用特點，將其充分融入到機械學(xué)科教學(xué)中，促進機械教學(xué)高效的完成教學(xué)目標。

一、3D打印機介紹

(一)原理：

3D打印機作為一種新型的打印機，和以往的打印機不同，其工作原料并非為墨水打印，而是利用各種材料，例如食品、建筑等方面的材料進行打印。其原理為基于數(shù)字模型的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對可粘結(jié)物的逐層打印，然后還原成數(shù)字模型。打印機堆疊方式也各有差異，且原理也各不相同。

(二)特點：

數(shù)字制造：在CAD軟件的輔助下，3D打印技術(shù)可以使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)數(shù)字化，將數(shù)字信息傳遞到機器設(shè)備中，從而制成不同的零部件。

快速制造：3D打印技術(shù)在打印過程中，不需要其他的工具來固定零件，也不需要機械操作人員干預(yù)打印操作，打印過程均為一體化操作，打印產(chǎn)品可以滿足消費者不同的個性化需求。

直接制造：產(chǎn)品在打印期間，都是通過數(shù)字化信息展現(xiàn)出來，與電腦軟件數(shù)據(jù)進行連接，打印材料逐層堆積，這樣減少了機械制造與組裝拼接，確保了產(chǎn)品精度，產(chǎn)品效率有所提升。

二、機械學(xué)科教學(xué)中3D打印技術(shù)應(yīng)用的實際意義

(一)提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性

在機械學(xué)科教學(xué)中，應(yīng)用3D 打印技術(shù)能夠為學(xué)生創(chuàng)造出更寬廣的實踐與創(chuàng)新的空間。學(xué)生借助3D 打印技術(shù)，自行操作實踐，有利于學(xué)生在實踐中充分展開想象，并將其轉(zhuǎn)化成現(xiàn)實。在傳統(tǒng)的機械學(xué)科教學(xué)中，受到固有的教育思維禁錮，學(xué)生對于機械學(xué)科的學(xué)習(xí)普遍存在畏難情緒。專業(yè)教師在課堂教學(xué)中單純的講解機械理論知識，很難提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。然而，使用3D打印技術(shù)，進行機械學(xué)科的授課，就可以幫助學(xué)生獲得專業(yè)的靈感，將理論教學(xué)與實踐相互結(jié)合，將理論知識充分融入到實踐當中，讓學(xué)生充分體會到實驗教學(xué)所帶來的成就感，學(xué)生對機械學(xué)科教學(xué)將更加感興趣。

(二)鼓勵學(xué)生不斷創(chuàng)新

隨著3D打印技術(shù)的普及，專業(yè)教師在機械教學(xué)中只要給學(xué)生提供一些必要的機械圖紙與設(shè)計原理即可。這樣能夠讓學(xué)生進行自行研究，不斷創(chuàng)新，頭腦風(fēng)暴，最終能夠?qū)D紙變?yōu)楝F(xiàn)實，將空間想象轉(zhuǎn)化為實際作品。學(xué)生還可以借助圖紙信息與任務(wù)要求，設(shè)計原理等，設(shè)計出教學(xué)所需的輔助教具、機器人等。利用3D打印技術(shù)進行機械教學(xué)，不僅可以豐富學(xué)生的想象力，培養(yǎng)學(xué)生靈感，還可以鼓勵學(xué)生自主創(chuàng)新，引領(lǐng)學(xué)生積極探索，深入到機械教學(xué)中，從而培養(yǎng)出優(yōu)秀的機械類人才。

(三)提高教學(xué)實效性

在機械原理及制圖課教學(xué)過程中，教師為了提高教學(xué)效率，只使用一個模型進行來講解機械原理，學(xué)生只能被動接受這一模型來理解機械理論。目前，利用3D打印技術(shù)，學(xué)生可以自行制造模型，通過對模型構(gòu)造及主要特點進行分析，繪制出模型圖形信息。同時對模型樣本進行測量，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣的同時還可以提高教學(xué)效率，做到教學(xué)相長。在機械學(xué)科教學(xué)中使用3D打印技術(shù)，改變了以往紙上談兵的被動狀況，提高了教學(xué)實效性，另外還能有效降低教學(xué)成本支出。

三、傳統(tǒng)機械學(xué)科教學(xué)中存在的教學(xué)弊端

(一)靜態(tài)教具問題

在傳統(tǒng)機械學(xué)科理論教學(xué)中，教師在對抽象概念及原理進行講解過程中，主要使用靜態(tài)教具來完成。例如：通過利用一些圖形來講解機械設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)及操作原理，但這種圖形講解對于學(xué)生深入理解原理幫助甚微，特別是在構(gòu)造原理講解上，要求學(xué)生的空間想象力有較高的要求，但受到學(xué)生個體空間想象力的影響，在具體識圖期間，難以對機械原理進行深入理解。教師僅僅依靠單純的圖形講解，是難以達到學(xué)生掌握原理的目的。靜態(tài)教具的使用難以讓學(xué)生對運動軌跡方面進行全面理解，而運動原理又常作為課堂教學(xué)主要內(nèi)容。因此，在現(xiàn)代教學(xué)手段中，靜態(tài)教具教學(xué)早已不滿足于學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，教師急切需要使用新興科技的教學(xué)手段。

(二)教學(xué)模式問題

傳統(tǒng)教學(xué)中，機械學(xué)科教學(xué)多為“填鴨式”教學(xué)，學(xué)生在學(xué)習(xí)期間多是被動的接受教學(xué)內(nèi)容。這種教學(xué)模式無疑降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。而隨著當前科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，學(xué)生若不積極獲取專業(yè)知識，很難對自身原有的知識體系進行革新，最終將導(dǎo)致學(xué)生難以適應(yīng)工作崗位需求。隨著課程改革的深化推進，若單純依靠教師進行知識講解，學(xué)生被動觀察模型、接受理論學(xué)習(xí)這一模式進行，難以獲得最佳的學(xué)習(xí)效果。在教學(xué)期間，教師除了要教給學(xué)生專業(yè)知識與技能外，還要傳授學(xué)生學(xué)習(xí)方法，注重學(xué)生情感交流，做好學(xué)生的客觀評價。但受到傳統(tǒng)教學(xué)模式的影響，難以讓學(xué)生對機械學(xué)科教學(xué)產(chǎn)生很大興趣和認同感，也難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，最終致使學(xué)生失去機械學(xué)科學(xué)習(xí)興趣。

(三)教學(xué)目標問題

機械學(xué)科教學(xué)中，不僅要明確專業(yè)課程的教學(xué)目標，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新與專業(yè)能力。但在實際教學(xué)期間，受到教學(xué)情景、教具等方面的影響，教學(xué)效果未能落實，導(dǎo)致教學(xué)目標逐漸朝著概念化方向發(fā)展。教學(xué)目標逐漸模糊，教師在教學(xué)期間不能實現(xiàn)最佳教學(xué)效果。受到傳統(tǒng)教學(xué)模式的影響，教師更多注重機械原理與基礎(chǔ)知識教學(xué)，這樣學(xué)生在學(xué)習(xí)機械學(xué)科時就會感到十分枯燥，難以融入到教師教學(xué)中來。另外，在機械作業(yè)方面，由于形式單一，學(xué)生缺少學(xué)習(xí)動力，難以進行機械創(chuàng)新。

四、3D打印技術(shù)在機械學(xué)科教學(xué)中的實際應(yīng)用

(一)應(yīng)用優(yōu)勢

在機械學(xué)科教學(xué)中，將3D打印技術(shù)應(yīng)用與實際教學(xué)相結(jié)合，優(yōu)勢主要表現(xiàn)為：

對原有的學(xué)生理論知識進行不斷夯實。在機械學(xué)科學(xué)習(xí)中，理論基礎(chǔ)十分重要，在教學(xué)期間，學(xué)生若不能充分理解基礎(chǔ)知識或者基礎(chǔ)知識理解存在一定分歧，那么就會對教學(xué)效果產(chǎn)生很大影響。在機械教學(xué)中，通過使用3D打印技術(shù)，使想象變?yōu)楝F(xiàn)實，將理論知識與實踐相契合，學(xué)生能身臨其境的感受到理論知識轉(zhuǎn)化到實際的效果，讓學(xué)生自行研究，在實踐中幫助學(xué)生理解機械原理與結(jié)構(gòu)；

提高學(xué)生實踐能力。結(jié)合機械學(xué)科特點，按照實踐出真理的原則，在專業(yè)課堂教學(xué)中應(yīng)用3D技術(shù)，不僅可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)機械學(xué)科的熱情，還可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。其次，通過給予學(xué)生全新的教學(xué)模式，可以幫助到學(xué)生對機械原理進行再次創(chuàng)新。

提高學(xué)生的理解和動手能力。機械專業(yè)教學(xué)中，在理論知識講解的同時，使用3D打印技術(shù)，既能提高學(xué)生對專業(yè)知識的深入理解，又能提升學(xué)生理解和動手能力。有助于學(xué)校培養(yǎng)出綜合素質(zhì)較高的專業(yè)技術(shù)人才，逐漸滿足社會對人才的高需求，為學(xué)生未來的就業(yè)發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)，促進學(xué)生的可持續(xù)發(fā)展。

(二)具體應(yīng)用

1.原理分析

結(jié)合課堂教學(xué)內(nèi)容，進行實物打印。例如在機械基礎(chǔ)課堂當中，對于齒輪轉(zhuǎn)動、鉸鏈四桿機構(gòu)等知識，使用3D打印技術(shù)進行操作，就能增強學(xué)生對理論知識的感性認識，同時對理論知識深層次的原理進行深入理解和分析。在動手操作過程中，教師可以按照組別對學(xué)生進行劃分，小組建模。通過掌握不同機械原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以讓學(xué)生結(jié)合實際開展數(shù)字建模。學(xué)生邊學(xué)習(xí)邊制作模型，邊了解原理構(gòu)成，這樣不僅可以達到學(xué)以致用的效果，還可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力與潛能。

2.研究成果

以數(shù)控專業(yè)學(xué)生參加天津市“彩虹人生杯”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽為案例進行成果的研究和分析。汽車手動變速機構(gòu)的工作原理是機械基礎(chǔ)課程的教學(xué)難點，為了幫助學(xué)生學(xué)習(xí)變速器工作原理，方便教學(xué)工作，提高教學(xué)質(zhì)量，構(gòu)建了汽車變速器的教學(xué)模型。教學(xué)模型包括了汽車變速器的主要結(jié)構(gòu)與基本原理，可突出一體化教學(xué)的特點，零件少，造價低，使用方便。

學(xué)生可以利用先進的3d打印技術(shù)與工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計軟件繪制模型相結(jié)合，實現(xiàn)了理論課堂與實踐的相結(jié)合，并大大降低了制造成本，并且可復(fù)制性強，為更多學(xué)生近距離觀察和操作汽車手動換擋機構(gòu)提供條件，實現(xiàn)了造價低但收效好的目標。

作品將枯燥乏味的理論知識變成生動形象的模型演示，利用不同顏色的齒輪嚙合過程，學(xué)生對每個檔位的換擋原理清晰易懂，換擋過程顯而易見。通過工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計軟件模型的繪制，3d打印技術(shù)實現(xiàn)了模型的組裝，學(xué)生可以自行拆裝汽車變速器，節(jié)省了成本，提高課堂學(xué)習(xí)效率。

兩位同學(xué)在學(xué)習(xí)與實踐的過程中，真正的體會到團隊協(xié)作的重要性和必要性，在不斷糾正錯誤尋求答案的過程中，學(xué)生將書本的理論知識轉(zhuǎn)化為實際的模型操作。通過不斷的嘗試和學(xué)習(xí)，成功制作出模型作品，學(xué)生自主創(chuàng)新電路結(jié)構(gòu)，將模型進行動態(tài)演示。激發(fā)了學(xué)生對專業(yè)知識的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了嚴謹?shù)闹螌W(xué)理念，注重細節(jié)的把握。

3.總結(jié)提升

結(jié)合具體知識內(nèi)容進行實物打印，有助于對原有的知識原理進行充分的理解，同時不斷拓展知識內(nèi)容，鞏固原有的學(xué)習(xí)內(nèi)容。例如對于四桿結(jié)構(gòu)類型的區(qū)分，可以采取相同長度四桿結(jié)構(gòu)，將不同桿作為支架，按照短桿位置的不同，可以得出不同類型的工作原理。利用傳統(tǒng)機械教學(xué)，學(xué)生很難理解其中的含義。而通過3D打印技術(shù)，對四桿機構(gòu)實物進行組裝，就可以得到較好的學(xué)習(xí)收效。在組裝期間，學(xué)生可以提出各種問題，以此為基礎(chǔ)進行深入探索，又可以得到新的原理，周而往復(fù)，就可以逐步提升學(xué)生的動手動腦能力，激發(fā)學(xué)生機械學(xué)習(xí)制造興趣。

4.小組評價

在趣味課堂教學(xué)中，學(xué)生可以自由進行小組劃分，利用小組合作設(shè)計出不同的機械結(jié)構(gòu)，例如借助四桿機構(gòu)原理，可以打印出汽車開關(guān)門、換擋手柄等實物。這些實際操作的案例，可以將原有的理論知識不斷拓展和創(chuàng)新。在機械制造期間，不同小組會創(chuàng)造出新的內(nèi)容，又可以展現(xiàn)小組的創(chuàng)新能力。在對教學(xué)環(huán)節(jié)進行設(shè)計期間，教師要設(shè)定作品展示環(huán)節(jié)，讓大家隨意發(fā)表見解，表達自身的設(shè)計理念與原理，同時總結(jié)出機械結(jié)構(gòu)的特點與運動原理。利用這一教學(xué)模式，可以順利完成相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容與目標，更可以讓學(xué)生進行小組合作，鍛煉學(xué)生的實踐與表達能力，增強團隊協(xié)作能力與組織能力，從而不斷提升學(xué)生的綜合素質(zhì)，這對于技術(shù)人才的培養(yǎng)而言是十分有利的。

綜上所述，隨著3D打印技術(shù)的不斷進步和提升，其在社會各行業(yè)中的使用效率也會越來越高。隨著教育教學(xué)的推進和改革，教師在機械教學(xué)中，可以將3D打印技術(shù)充分融入到機械學(xué)科教學(xué)中，改變傳統(tǒng)的教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)設(shè)計，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生積極參與到機械學(xué)科教學(xué)中，從而不斷提高學(xué)習(xí)效率，有效完成教學(xué)目標。