王振環(huán)

摘 要：傳統(tǒng)機械制圖課程教學存在輔助教學工具過于抽象、機械模型成本高、教學方法陳舊等問題。隨著3D打印技術的成熟，將3D打印技術引入高校機械制圖課程教學中，可提高學生的學習積極性、自主性，促進生生之間的交流合作，激發(fā)學生的創(chuàng)作靈感，提高教學效果，節(jié)省教學成本。在具體教學中，教師可應用3D打印技術打印3D模型，進行物理制圖、軟件建模，以及胎模的精加工、局部裝配，打印可視化成品等，以此完成2DCAD時代無法實現的協(xié)同工作，為教育教學提供新思路。

關鍵詞：3D打印技術;機械制圖;軟件建模;模型;加工;裝配

中圖分類號： G642文獻標志碼：A文章編號：1008-3561（2022）02-0115-03

機械制圖課程是研究機械圖樣的繪制和識讀規(guī)律與方法的一門學科，旨在使學生具備從事機械設計與制造、冶金設備維護、機電設備、數控技術工作所必需的基本知識和基本技能。將3D打印技術應用于高校機械制圖課程教學中，可突破傳統(tǒng)機械制圖課程教學存在的不足，完成2DCAD時代無法實現的協(xié)同工作，提高學生的學習效率，為教育教學提供新思路。

一、相關理論綜述

（1）3D打印技術。3D打印技術（3D printing）是一種基于圖層數字模型處理軟件的打印技術。其運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過圖形打印模具直接構建矩形物體，可直接從未經圖層處理的任何圖形打印數據或任何打印模具中直接生成任何一種形式的打印零件，大大縮短了產品開發(fā)周期，提高了產品生產率，降低了生產過程成本。根據3D數字打印機所用燒結材料的不同，3D數字打印應用技術可以細分為聚合反應打印技術、燒結材料熔融粘合反應技術、粉末燒結黏合反應技術。隨著3D數字打印應用技術的不斷創(chuàng)新發(fā)展，其廣泛應用于工業(yè)產品設計以及開發(fā)生產過程，如航空工業(yè)、汽車制造工業(yè)、專業(yè)建筑設計（包括產品設計和工業(yè)建筑設計的專業(yè)生產過程模型）、醫(yī)療整形外科（正畸后的牙套、假牙、助聽器）等多個領域。

（2）3D建模。3D建模是一種數據呈現方式，目前在多個領域都有廣泛應用。在計算機中，3D圖形具有可視化特征，即在平面上顯示3D圖形，雖然與真實世界不同，但呈現出來的3D空間看起來就像真實世界。

二、傳統(tǒng)機械制圖課程教學存在的問題

在傳統(tǒng)機械制圖課程教學中，教師通過掛圖、圖像、實物模型等教具來講解機械零件的結構、形狀和運動。而這樣的教學方法已經不能滿足學生的學習需求，也無法達到社會對人才的能力要求。

（1）輔助教學工具過于抽象。使用靜態(tài)的、抽象的機械運動輔助教學工具，如三維掛圖和運動圖像，并不能準確反映機械零件的基本形狀、結構、運動工作原理和使用功能。而這些教學內容也是學生最難理解的，要求學生具有良好的三維空間感和想象表達能力。很顯然，這些抽象的教學工具無法起到輔助學生理解教學內容的作用。

（2）傳統(tǒng)機械模型成本高。在物理機械制圖、機械運動原理、機械設計等各門課程的傳統(tǒng)機械制圖教學實踐過程中，教師通常會利用機械模型作為教具，以此讓學生了解機械零件的基本結構、結構的基本組成、運動學的特點等教學內容。而機械模型的成本較高，對教學的輔助作用也有限，不能體現全部教學內容。

（3）教學方法陳舊?，F在，大量的信息技術被引入課堂，而如果教師不充分利用信息技術，僅依靠口頭講授、學生對物理模型和工程設計的觀察，將很難調動學生的學習積極性，也很難提高課堂教學效率。另外，機械制圖課程的教學重點是讓學生理解機器的基本原理，所以部分教師的課程教學以知識輸入為基礎，對學生的知識掌握評價以書面形式的繪畫和作業(yè)為主。很顯然，這種教學模式無法培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，而機械制圖課程的大班教學也無法因材施教，有效培養(yǎng)學生的設計創(chuàng)新能力。這樣，學生在學習中遇到困難時，既缺乏創(chuàng)新意識，也缺乏動手實踐能力，無法提高學習效率。

三、3D打印技術輔助教學的相關準備

（1）教學時間節(jié)點分析。任何教學活動都需要做一定的準備，因此，在應用3D打印技術輔助教學時，教師、學生也要提前做好相關準備工作。首先，在3D建模的初始階段，教師可簡要向學生介紹二維設計的特點和基本知識，并指導學生完成設計方案。在學期的前幾周，重點對學生進行手工制圖的培訓。其次，在正確書寫字母、數字，準確畫線之后，教師可指導學生以“鉤子”為主題繪制手繪圖，然后進行2DCAD繪圖，以此提高學生基本的二維繪圖能力。最后，在講解投影的基本規(guī)律時，教師可指導學生進行專門的3D造型培訓，讓其學習CAD3D操作，由簡單到復雜體現3D空間感，并進入3D打印室，設計和制作獨特的3D實體。接下來，學生可通過反復修改設計，盡量讓3D實體完美呈現。由此可見，教師只有掌握這些教學節(jié)點，才能充分發(fā)揮3D打印技術的教學優(yōu)勢，才能讓學生充分掌握知識，并將真實產品與二維圖紙聯系起來，了解它們之間的區(qū)別。

（2）教學素材準備。3D圖形打印雖然是一種高效低成本的打印應用技術，但學生也不可能經常通過3D圖形建模同時制作一個成品打印模型，也不可能同時制作大量的3D建模造型和打印模型。因此，教師在教學中要精準確定需利用3D打印的模型，然后借此向學生做產品演示，講解教學內容。

（3）學生準備。機械制圖課程作為高校機械制圖專業(yè)的基礎課程，在學生的就業(yè)競爭中具有非常重要的作用。因此，教師要在傳統(tǒng)實踐的基礎上不斷改進、創(chuàng)新，應用可提高學習效率和學習質量的教學模式，以3D打印技術為教學輔助手段，全面提高學生的學習積極性，形成最佳教學切入點。

四、3D打印技術在機械制圖課程教學中的應用

為提高學生參與課堂教學的積極性，在利用3D打印技術進行機械制圖課程教學的過程中，教師可將全班學生分成若干小組，每組4人～6人。具體教學應用如下。

（1）物理制圖和軟件建模。3D打印機是基于數字模型文件的打印工具，學生首先要做的是用機械設計軟件設計一個制圖模型。對于學習能力較弱的學生，其只需要設計在數字模型中看到的實物即可，對于學習能力較強的學生，教師可要求其掌握機械運動和機械設計的原理，根據不同的形式設計物理模型。對學生來說，設計模型和模型動畫對于激發(fā)學習動機、掌握設計軟件的技術非常重要。

（2）打印3D模型。學生將自己繪制的數字模型文件直接插入3D打印機即可進行3D數字模型文件打印。所有的3D數字模型文件都是學生自己繪制完成的，因此，精度不高，或沒有實現標準化，而格式化的轉換錯誤會直接導致3D數字模型文件數據不準確，如產生反轉制圖方向、矩形縫隙，增加壁厚，幾何空間冗余，重復打印補片等情況。而這些情況是提高學生繪畫技術水平的良好學習機會，教師可分析、整理印刷制作過程中出現的制圖問題，讓學生深入理解各種制圖基礎知識的具體應用意義。

（3）胎模的精加工。由于工藝、材料和3D模型的不同，打印出來的3D胎模也有很大區(qū)別。為節(jié)省成本，學生打印用的3D打印機價格較低，所用的材料是塑料線。因此，印刷的胎模在外觀和精度上都不夠好，需要學生進一步修理模具，并組裝零件，為接下來的課程學習做準備。

（4）局部裝配。簡單的印刷零件一般不需要裝配，但對于一些復雜的零件（通常由多個零件組成），仍然需要裝配。這個步驟不僅可以鍛煉學生的手工拆卸能力，還可加深學生對機械原理和機械設計的理解。

（5）成品的可視化。隨著學生3D打印生產水平和技術水平的提高，教師可允許學生自己處理規(guī)則曲面的單個零件、不規(guī)則曲面的單個零件、多點規(guī)則曲面和不規(guī)則曲面，使其真正掌握繪圖和印刷技能。對于簡單零件，教師可幫助其評估測量的準確性，并給予熱愛和有興趣運用3D打印技術學習的學生支持和幫助。

五、應用效果評價

通過一年的教學實踐，筆者所在班級的教學效果良好。現詳細闡述3D打印技術在機械制圖課程教學中的作用。

（1）提高學生的學習積極性。實踐理論學習比單純理論學習更容易被學生接受。部分學生對理論基礎知識的學習持拒絕的態(tài)度，甚至有的學生有恐懼的表現。究其原因是課堂教學模式沒有激起學生的學習興趣。而將3D打印成像技術廣泛融入專業(yè)實踐中，不僅能激發(fā)學生參與專業(yè)實踐的積極性，還能調動其繼續(xù)學習的興趣。學生從專業(yè)實踐中體驗到成功感后，還可進一步激發(fā)學習動機。

（2）激發(fā)學生的創(chuàng)作靈感。讓學生根據機械制圖的相關知識設計作品（如變形機器人、翻轉青蛙、彩色手機殼等），并用3D打印機打印設計作品，以充分調動學生的想象力，激發(fā)學生的創(chuàng)造靈感。這有利于培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。

（3）提高教學有效性。在傳統(tǒng)機械制圖或機械基礎課程教學中，教師在講解組合或四桿機構時，只拿一個模型給四五十個學生講解，然后把模型傳給每個學生?，F在，通過3D打印機，教師可以讓更多的學生做模型，然后根據模型對測量和繪制模型系統(tǒng)的特點進行詳細分析，教學效率明顯提高。另外，在部分學校，機械制圖高級班的學生“紙上談兵”是常事，即只在圖紙上作畫。教學條件較好的學校雖然允許畢業(yè)班學生自行加工，但在大型機床設備上自行加工成型鋼材的使用成本相對較高。而基于3D打印技術，教學條件好的學校可讓學生使用3D成型打印機打印自己精心設計的成型模具或定制夾具，教學有效性因此明顯提升。

（4）節(jié)省教學成本。在傳統(tǒng)的機械制圖課程教學中，部分教師使用物理教具進行教學，一個物理教具的價格在100元以上，數量少，價格高。而應用3D打印技術后，學校不需要大量購買教輔材料，可由高年級學生用3D打印機打印大部分教輔材料。而一個塑料模型的成本在幾分錢左右，這不僅節(jié)省了教輔材料的成本，還提高了學生的動手實踐能力。

（5）促進學生的合作意識?；?D打印技術，教師在機械制圖課程教學中，可向學生提供開放式的設計任務，讓學生以小組形式進行合作、討論，逐步掌握基本機械原理。這既可實現學生之間的相互學習和促進，也可以培養(yǎng)學生的合作意識。

（6）學生自主學習能力提高?；?D打印技術，學生的自主學習能力明顯提高，課堂學習由被動學習轉變?yōu)橹鲃訉W習。教師可將注意力從教好課轉向解決問題，對不同的學生進行一對一的課程指導，避免學生出現跟不上教學進度的情況。

六、結語

總之，可視化在機械制圖教學中是必要的，也是有用的?；趥鹘y(tǒng)機械制圖教學中存在的問題，教師可引入3D打印技術，打印3D模型，進行物理制圖、軟件建模，以及胎模的精加工、局部裝配，打印可視化成品等，真正做到機械制圖與設計的現代化教學，以此夯實學生的機械制圖知識基礎，提高學生的職業(yè)競爭力。

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Exploration of the Teaching of Mechanical Drawing in Colleges and Universities Based on 3D Printing Technology

Wang Zhenhuan

（Binzhou University， Binzhou 256600， China）

Abstract： There are some problems in the teaching of traditional mechanical drawing， such as too abstract auxiliary teaching tools， high cost of mechanical model， outdated teaching methods and so on. With the maturity of 3D printing technology， introducing 3D printing technology into the teaching of mechanical drawing course in Colleges and universities can improve students' learning enthusiasm and autonomy， promote exchanges and cooperation between students， stimulate students' creative inspiration， improve teaching effect and save teaching cost. In specific teaching， teachers can apply 3D printing technology to print 3D models， Carry out physical drawing， software modeling， and finish machining， local assembly， printing and visualization of tire mold， so as to complete the collaborative work that cannot be realized in the 2DCAD era and provide new ideas for education and teaching.

Key words： 3D printing technology; mechanical drawing; software modeling; model; processing; assembling