3D打印在工程訓練中的教學組織分析

潘丹丹

[摘 要] 3D打印被稱作是“有著工業(yè)革命意義的制造技術(shù)”，能夠訓練學生的創(chuàng)新能力和實踐動手能力，以近機械類領(lǐng)域的學生能力訓練為重點，結(jié)合教學設備、內(nèi)容及組織等進行研究，成立一種以學生為中心，從三維模型設計到 3D 打印制造的完整工程綜合訓練教學形式，在實際中獲得了良好的效果。

[關(guān) 鍵 詞] 3D打印；工程訓練；教學組織

[中圖分類號] G712 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）32-0076-02

3D打印是一種速成的技術(shù)，是以數(shù)字化模型為前提，采用粉末狀金屬或塑料等可粘合原料，運用逐層打印的方法構(gòu)成物體。因為它在制造工藝方面的創(chuàng)新，成為“第三次工業(yè)革命的重要生產(chǎn)工具”。此技術(shù)早在20世紀90年代中期就已產(chǎn)生，但因價錢昂貴，還不成熟，最初并沒有得到廣泛發(fā)展。經(jīng)過20多年的發(fā)展，此技術(shù)已變得更加成熟、準確，且成本有所下降。現(xiàn)在，此技術(shù)已廣泛運用到了學科界，工程師、工業(yè)設計師利用此將設計的方案轉(zhuǎn)變成原型進行測試，外科大夫利用此制作器官模型來幫助手術(shù)，考古學家和博物館的技師利用此完成珍貴文物的復制，并進行進一步的研究，這種創(chuàng)新的運用在不斷走近大眾。它的廣泛使用大大引起了教育者的重視，教育者開始了解此技術(shù)在教育方面的創(chuàng)新，擁有廣泛應用前景。本研究將通過分析總結(jié)3D打印在工程訓練中的組織角色以及應用。

一、3D打印技術(shù)的原理及其發(fā)展的現(xiàn)狀

我們絕大多數(shù)人了解的“打印”，就是能夠打印文稿或照片等平面東西的一般打印機，實際上二維的噴墨打印方式和多數(shù)種類的3D打印在技術(shù)上是較相似的，3D打印運用的是特殊機械把材料逐層進行噴涂或熔結(jié)到三維的空間中，最后產(chǎn)生所要的目標作品，利用的機器就是3D打印機，其精準性相當高，哪怕是價格較低的低檔型號，也能夠打印出模型中設計的多數(shù)細節(jié)，而且它相對鑄造、沖壓、蝕刻等常規(guī)的手段可更快地創(chuàng)建出原型來，尤其是以往形式極其不易制作的特殊結(jié)構(gòu)。一般來說，利用3D打印技術(shù)建立一件物品必須要經(jīng)過建模、分層、打印和后期處理四個必要過程來完成。其中第一臺商用的打印機在1986年就有了，堅持了十多年的研究和創(chuàng)新后，其不管是在技術(shù)上、造價方面，還是運用范圍上都有了很大的進步。隨著3D打印應用范圍的持續(xù)推廣，如在消費電子、航空及汽車制造等方面，其能夠使用較低成本和較高的效率來生產(chǎn)出小批量的定制部件，實現(xiàn)復雜且精細的造型。當然自20世紀90年代以來，我國的科研領(lǐng)域也已經(jīng)著手研發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的3D打印機，其中清華大學、北京航空航天、華中科技、西安交大等多所學校均在這方面獲得了較好的成績，研究開發(fā)出很多型號的3D打印裝備和材料。包括北京航空航天大學首次開發(fā)形成的飛機欽合金大型復雜整體構(gòu)件激光成型技術(shù)，這成為國際上該領(lǐng)域范圍內(nèi)的主要突破；華中科技大學制作出來的大型3D打印機，能利用激光把原材料變成復雜的工業(yè)零件或生活用品。直到2012年年末，工信部宣布要加強頂層的設計和進行統(tǒng)籌規(guī)劃以促進該產(chǎn)業(yè)的推廣，并規(guī)定其制定的發(fā)展方向和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，完善該技術(shù)的規(guī)范和標準。

二、3D打印實訓室的硬件建設

現(xiàn)在3D打印種類相對較多。在工藝有所差異的設備中，生產(chǎn)量較大的包括熔融沉積快速成形設備、激光選區(qū)燒結(jié)設備、立體光固化成形設備等。本研究對他們的價格、所用的材料量及成本、使用率等進行了市場調(diào)查，涉及學生的數(shù)量、專業(yè)特征等內(nèi)容，進行綜合考慮，完成實訓室的建立。其中中職的建筑總面積是300 m2，共有桌面打印機50臺，其相應的電腦配對有50臺，并且還配置有2臺工業(yè)級熔融沉積成形設備及3臺高清臺式掃描儀，其中我們中職還有一個工業(yè)機用于校企合作。與企業(yè)合作，有針對性地培養(yǎng)人才，抓好教學質(zhì)量，注重在校學習與企業(yè)實踐，實現(xiàn)學校與企業(yè)資源、信息共享的“雙贏”模式。這種形式的教學為中職教育的發(fā)展帶來了春天。

三、教學設計

其教學內(nèi)容大致由六方面構(gòu)成，包括安全教育、概述的講解、通過演示進行講解過程、三維設計系統(tǒng)的運用、創(chuàng)新作品的設計、分組進行打印作品。

（一）進行安全方面的教育。首先講解安全教育，了解每個機器的安全工作規(guī)程及其注意事項，讓安全始終占據(jù)首位。

（二）觀看的教學視頻，涉及此技術(shù)的成型原理、典型的工藝流程，以及其在我們生活的各個方面及在工業(yè)、航空等領(lǐng)域的運用現(xiàn)狀等。觀看前向?qū)W生強調(diào)視頻中即將要講解的內(nèi)容，過后教師將不再重復講授這些內(nèi)容，要求學生必須認真觀看，觀看完成后教師進行隨機提問或抽查，測試效果。這種方案有利于學生發(fā)現(xiàn)問題，確保這一教學任務的效率。

（三）示范講解階段，將某一簡單模型的設計和制作作為案例，從設計到制作過程進行詳細講解，其中涵蓋了以下部分：Solidworks系統(tǒng)繪制零件圖、桌式3D打印機UP分析控制設備的使用規(guī)則、桌面Plus-UP的操作須知、典型問題和處理的手段。通過講解，學生對學習內(nèi)容有了一個更為透徹的認識。

（四）三維設計系統(tǒng)的運用。大多數(shù)參加學習的學生只接觸過二維的CAD機械繪圖，或者是從來就沒有接觸過該內(nèi)容，學生對三維機械圖的設計還沒有一定的認識，因此對于此種問題，教師可通過演示來進行該軟件的操作教學。利用這種方式讓學生掌握該軟件的基本操作流程。同時，讓學生觀看一些教學視頻，將草圖繪制作為案例，如拉伸、旋轉(zhuǎn)、包覆等20多個指令的操作相關(guān)視頻，其中多媒體教室的每一臺電腦上都載有此視頻，方便學生在繪圖過程中隨時觀看。教師對學生進行隨堂指導，及時解決學生在圖形設計過程中所碰到的各種情況。

（五）創(chuàng)意零件的設計。如果學生已基本了解Solidworks系統(tǒng)，就要進入一個新的階段——創(chuàng)意階段，此階段只提供了設計尺寸的標準，普遍的整體尺寸x/y/z三個方向的標準在20～30 mm 范圍，零件構(gòu)造的繁雜性不作限制。讓學生自己設計各類小零件、小飾品等，這種以任務為導向、學生為中心、教師為指導的方式可以讓學生在短時間內(nèi)掌握此類軟件基本的操作流程，加強學生獨立學習的能力，加強學生創(chuàng)新技能。學習情況來講，這種以任務為導向的學習獲得了較好的效果，獲得學生的一致好評。