3D打印在機(jī)械類課程教學(xué)中的應(yīng)用研究

顧宗磊　康與云　李秋實(shí)　史松霞　張建梅

【摘 要】3D打印是近年來發(fā)展很快的技術(shù)，已經(jīng)逐步進(jìn)入民用領(lǐng)域，本文介紹了一種把3D打印運(yùn)用在機(jī)械類課程教學(xué)中的一種方法，并在教學(xué)過程中進(jìn)行了實(shí)踐，取得的了比較理想的教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】3D打印；機(jī)械教學(xué)；教學(xué)模型

3D打印（3DP）即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被用于制造模型，后逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件。該技術(shù)在珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、工程和施工（AEC）、汽車，航空航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、槍支以及其他領(lǐng)域都有所應(yīng)用。[1]

本文中使用的3D打印，指的是使用PLA或ABS塑料材料的打印機(jī)，其造價(jià)低廉，打印成本很低，成型快，可以按需定制，在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。而在機(jī)械專業(yè)教學(xué)中有很多專業(yè)課中需要實(shí)體與模型，造價(jià)高不說，而且使用上不能靈活更改，3D打印機(jī)的出現(xiàn)，解決了這個(gè)問題，以下面制圖教學(xué)為例，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

機(jī)械類課程（如機(jī)械設(shè)計(jì)）作為工科專業(yè)必修課，其教學(xué)方法與手段隨技術(shù)的發(fā)展不斷變革，從早期的掛圖、實(shí)體模型加粉筆三角尺加黑版教學(xué)方式，到現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)模型庫(kù)、慕課視頻加課堂多媒體課堂教學(xué)方式，一直在進(jìn)步。但因?yàn)樵诮虒W(xué)過程太依賴于網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)，現(xiàn)在的制圖教學(xué)出現(xiàn)了很一些新問題，主要有：1.多媒體課件的播放速度太快 ，影響學(xué)生的思考時(shí)間，反而不如黑板加粉筆的教學(xué)方式；2.微課視頻，網(wǎng)絡(luò)模型庫(kù)需要學(xué)生能上網(wǎng)，有自己的計(jì)算機(jī)，但是現(xiàn)在很多大學(xué)在大一都是限制帶計(jì)算機(jī)的；3.即使學(xué)生有計(jì)算機(jī)，多數(shù)還是以游戲?yàn)橹鳎苌僬n下學(xué)習(xí)，學(xué)生興趣不大。

對(duì)于第一點(diǎn)，筆者在每堂課后都會(huì)及時(shí)聽取學(xué)生反饋，根據(jù)學(xué)生實(shí)際理解程度選擇什么時(shí)候用粉筆，什么時(shí)候用課件，二者相互結(jié)合。對(duì)于第二和第三點(diǎn)，筆者除了及時(shí)申請(qǐng)對(duì)學(xué)生開放學(xué)院的機(jī)房外，并根據(jù)學(xué)校現(xiàn)有的條件，在教學(xué)中加入3D打印的內(nèi)容，用于替代教學(xué)中常用基本體、組合體模型。

3D打印的模型相對(duì)于傳統(tǒng)教學(xué)模型來說：一是，制作靈活，可以按需定制；二是，相對(duì)輕便，大小自由控制，而傳統(tǒng)模型一旦采購(gòu)?fù)瓿桑茈y再改變形狀和大小，筆者現(xiàn)有過去采購(gòu)的模型相對(duì)較重，重新購(gòu)買費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

學(xué)校在去年，新建了3D打印實(shí)驗(yàn)室，購(gòu)置了高檔和低檔3D打印機(jī)數(shù)臺(tái)，主要用于研究和學(xué)生學(xué)習(xí)，為這次教學(xué)嘗試提供了條件。2015屆機(jī)械類專科學(xué)生共有6個(gè)班，分為兩個(gè)教學(xué)班，為了對(duì)比，筆者選擇其中一個(gè)教學(xué)班進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)班），另一個(gè)按常規(guī)教學(xué)方式教學(xué)（對(duì)比班）。

在教學(xué)過程中，找出一部分感興趣的同學(xué)，首先教會(huì)他們?nèi)绾问褂?D打印機(jī)，然后把一些常用的模型讓學(xué)生自己打印出來。當(dāng)學(xué)生遇到不會(huì)的問題如組合體、相貫線等問題，可以自己建模打印，打印好的模型學(xué)生可以自己帶著，也可以放在課堂，自習(xí)室或宿舍，讓所有同學(xué)傳看，并在課堂上展示討論。

同過打印的模型，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣有了很大提高，上課提問的積極性出勤率提高了很多，在講相貫線和組合體等一些較難的問題時(shí)，比以往輕松了不少。

在學(xué)期結(jié)束后，兩個(gè)教學(xué)班使用同樣的試題測(cè)試，最終成績(jī)對(duì)比如表1。

從表中可以看出，實(shí)驗(yàn)班比對(duì)比班平均分高了9分，高分段人數(shù)集中在[90，80）區(qū)間，而對(duì)比班分?jǐn)?shù)集中在[70，60]區(qū)間，從成績(jī)來看，實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較理想的，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的目的，證明了方法的可行性。

結(jié)果很理想，但是過程中也有很多不足之處：1.受設(shè)備限制，并沒有讓更多的學(xué)生參與進(jìn)來；2.實(shí)驗(yàn)過程表明，并不是所有的學(xué)生都喜歡這種方式；3.時(shí)間關(guān)系，數(shù)據(jù)有限，需要更多時(shí)間去積累；4.組織方式有待改善。

以上，就是筆者對(duì)于在機(jī)械專業(yè)教學(xué)中運(yùn)用3D打印的一次教學(xué)嘗試。通過實(shí)驗(yàn)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，解決了部分學(xué)生在學(xué)習(xí)中空間思維想象力培養(yǎng)的問題，從期末成績(jī)中來看，結(jié)果比較理想。雖然過程中有很多不足，但不失為一次良好的教學(xué)方式。同時(shí)可推廣到其他用到用到模型的機(jī)械類課程中，比如機(jī)械制圖、機(jī)械原理等其它課程。

【參考文獻(xiàn)】

[1]全球首款3D打印金屬手槍問世成功發(fā)射50枚子彈[OL].新華網(wǎng)，2013-11-9.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]