芻議3D打印技術在機械類課程教學應用的可行性

李穎

2012年，英國《經濟學人》發表文章聲稱3D打印將引發全球第三次工業革命，瞬間，3D打印成為全球制造技術的新寵。隨著現代技術的不斷發展，3D打印技術逐漸走下“神壇”，滲入到各行各業，在機械制造、生物醫藥、建筑設計、藝術創造等多個領域均受到眾多關注，在3D打印技術從研究級進入實用級、工業級進入民用級過程中，各院校也紛紛引入3D打印技術，但針對該技術在基礎教育領域的研究還相對較少，特別是在機械基礎類教學中，如何創造性的利用3D打印技術開展教學是任職教育中需要我們研究的問題，本文結合機械類課程特點，探究3D打印技術在機械類課程教學應用的可行性，希望為下一步3D打印技術進入機械類課程教學提供一定的參考價值。

一、3D打印技術在機械基礎教學中的引領性

就3D打印技術本身而言，可以看成是激發動力的一種工具，而動力則是學生在進行學習的源泉。機械基礎類課程如機械制圖、機械原理等都具有較強的抽象性和復雜性，各種機械零件結構復雜、圖形晦澀難懂，其原理又較為深奧，對于沒有見過實物的學生學習起來往往容易在學習之初就遇到困難從而產生放棄的想法。特別是對于大多數剛剛進入高等職業院校的學生而言，他們基礎較弱、空間思維欠缺、普遍缺乏成熟的學習方法和強勁的學習動力更是如此。為了解決該問題，我們一般在傳統教學中應用掛圖、木質模型等手段增強學生的感性認識，在較難知識點中（如裝配圖、機構運動等）也采用多媒體教學，如仿真演示及動畫演示等手段。通過比較，我們發現從教學效果而言有模型的比沒有模型的要好，能進行演示的比不能進行演示的要好。但無論哪種手段，均不如學生能夠直接參與教學，3D打印技術正好強調了這種DIY特性，教師可通過該技術充分調動學生的積極性，讓學生親自參與到虛擬模型的建立、仿真機構的建立中來，并從中選擇優秀者進行打印，讓其能從中親身體會到享受成果的樂趣。通過實踐我們發現，對于任職類院校的學生而言，其動手能力明顯優于理論思考能力，通過這種方式能真正做到以興趣帶動學習。

二、3D打印技術在機械基礎教學中的經濟性

要想取得機械課程類教學中好的教學效果是需要成本投入的，我們需要購買一定的教學模型、實物模型、實驗設備甚至一些實物。以機械制圖教學為例，通常一套制圖教材的對應模型（有機塑料）需要九千元，木制的則需要上萬元，若想購買一些特制的較復雜的模型價格則更為昂貴，這還僅僅是一套的價格。但若使用3D打印技術，目前市面一般桌面級打印機由幾千至幾萬不等，以15000以內的桌面打印機為例，其打印精度可達到0.2毫米，產品大小可達到140x140x140mm，打印材料為普通的PLA（大致為100元每卷），因3D打印普通教學模型完全可采用蜂房狀六邊形支撐，則每卷可打印數量可達到15個以上，并能根據自己教學的需求隨時打印。更為重要的是，學生可完全參與到此過程中，教師可讓學生自行進行三維模型構建，然后從中選擇最有代表性的進行打印，并將打印模型應用于課堂教學。這就類似我們用數碼相機代替了膠片相機一樣，可讓所有學生都能體會“攝影”的樂趣，老師可在眾多“攝影”作品中擇優“沖洗”，而整個“攝影”過程卻不會產生經濟上費用。

三、3D打印技術為培養綜合性職業技術人才提供技術支撐

基于3D打印技術的功能特點與機械學科培養職業人才的一致性目標，發現在教學中使用該技術使得學生可通過實踐與創新促進教學目標的達成。學生可任意使用STL數字文件格式充分發揮想象力和創造力，做出三維立體數字模型，結合3D打印技術的特點，在其支撐結構設計、工藝結構設計等方面實現跨學科跨知識的融合。而機械學科培養的學生特別注重培養學生的工程意識，不僅要求學生考慮產品的功能性，還必須同時兼顧其經濟性、耐用性和工藝性，在涉及到支撐部件的結構時，學生還必須充分考慮由于支撐件去掉后所產生的表面粗糙等問題。可以看出，通過3D打印在教學中的使用，可以使學生向全面化綜合化方向發展，當然這一切都是建立在他們可通過自己的勞動創造出產品實物的基礎之上，而這正是3D打印所擅長的。如下圖為學生自行設計并打印的作品。

四、3D打印為教研隊伍縱深發展提供環境保障

在3D打印技術理念的支撐下，“設計既是生產”，熟悉3D打印技術及流程的老師可將更多的時間放在產品的創意及更優化的結構設計上。要達到這個目的，需要學校管理者及相關技術人員對學校的老師進行專門的技術支持和輔導，老師只要在明白基本3D打印格式之下，就能將更多精力放在零部件結構、支撐件形狀以及如何將該技術與教學更好的融合上，只要你有更好的想法，你就能將其變為現實，特別是對于機械學科而言。當然，這需要來自各方面的支持，也包括軟件和硬件的環境。

五、結束語

3D打印技術總的來說還是屬于一項新興的技術產業，特別是怎樣將其有力的應用于機械教學領域，這還需要我們不斷的摸索和探討。而對于高等職業教育來說，如何引導學生將該項技術與動手實踐能力有機的結合起來以提升教學質量仍然是教育者在今后一段時間內值得研究的問題。

（作者單位：山東省青州市火箭軍工程大學士官學院）