3D打印在工程圖學課程教學中的應用研究

盧帥　李瑞華　栗偉周

摘要：通過分析傳統工程圖學課程教學過程中存在的問題基礎上，結合課堂教學和科研實踐經驗，研究了3D打印技術與工程圖學課程教學的結合過程和方法。實踐表明，通過3D打印實踐教學環節的加入，提高了學生的空間思維能力、工程圖的識圖繪圖能力與創新能力。該教學模式極大地調動了學生的學習積極性，提高了學生的學習興趣，取得了良好效果。關鍵詞：3D打印；工程圖學；教學模式中圖分類號：G642.0

文獻標志碼：A

文章編號：1674-9324（2018）20-0160-02 一、引言工程圖學是工科類專業的一門重要技術基礎課，涉及的理論知識既廣泛又抽象。雖然計算機輔助教學已廣泛應用于高校教學過程中，但多媒體教學手段屬于平面效應，缺乏直觀的立體感，教學中容易使學生產生視覺疲勞，影響學生主動學習的興趣。3D打印技術作為一種新興技術，目前已在醫學、航空航天、機電工程、建筑設計、藝術設計等不同學科領域應用于輔助教學。3D打印將教學內容中的某些抽象概念或科學過程進行可視化展現，對激發學生直觀形象思維、調動學生學習的積極性方面具有極大的促進作用，能使學生獲得更多的認知體驗，有效提高教學質量和課堂效率。二、當前工程圖學課程教學現狀工程圖學擔負著培養學生的空間想象和抽象思維能力以及制圖能力的教學重任，圖樣是從事設計、制造等工程行業必備的技術語言。在傳統工程圖學課程教學過程中，教師講解零部件的結構形狀、裝配關系時，一般是通過如PPT、教學模型、掛圖等形式開展教學。但這種方式通常存在一些問題，體現在以下三個方面。1.掛圖、圖片等靜態的教學工具不能很好地反映零部件的結構形狀，零件之間的裝配關系。在工程圖學的教學過程中，對學生空間想象能力的要求是較高的，如果單靠掛圖、圖片等形式展開教學，學生很難想象出零部件的形狀結構以及零件之間的組合關系。2.傳統的實體教學模型展示效率不高。在工程圖學課程的教學過程中，教師往往采用實物模型讓學生了解零部件的形狀位置以及結構組成等內容。然而這些實體模型的種類和數量很有限，不可能反映所有教學內容，課堂的展示效率不高。同時這些教學模型采購成本較高，需要花費很大的人力、物力、財力。3.無法激發學生的學習興趣。傳統的教學方法多以教師為主體，學生很少參與其中。在教室空間中只有教師一個人的聲音，由于視聽疲勞學生大都很難45分鐘都集中精力，進而很難引發學生的學習積極性。雖然多媒體教學手段在工程圖學的教學中發揮著重要作用，但部分老師還是采取“填鴨式”的教學方法，教學方式枯燥乏味且形式單一，無法做到啟發學生深層次的思考，達不到培養學生空間思維和創新能力的目的。針對上述問題，本人在個人教學體會和吸取他人相關教學經驗的基礎上，面向培養理論知識和實踐應用綜合型人才的目標，探索將3D打印技術應用到工程圖學的課程教學中，對工程圖學課程的教學模式和方法進行改革實踐和探討。三、3D打印應用于工程圖學教學中的可行性3D打印技術是以數字模型為基礎的快速成型技術，3D打印能使學生直觀的感受立體的空間結構和位置關系，3D打印模型相對于傳統教學手段有很明顯的優點。1.3D打印模型建立方式靈活多樣，主流的設計軟件如：Solidworks、Pro/E、CATIA、UG、Inventor等都可以方便地建立模型，不管模型復雜程度如何都可以通過3D打印機快速打印成型。2.3D打印模型制造周期短且相對靈活、簡便，其大小、形狀、結構均可自由控制，極大地提高課堂上的展示效率，而傳統模型一旦采購完成，很難再改變其形狀和結構。3.目前FDM型普通3D打印機的耗材主要是工程塑料，比如ABS、PLA等，價格在每千克幾十元至上百元不等，相對于傳統教學模型成本低很多。因此，將3D打印技術引入到工程圖學課程教學中，不僅可以豐富教學內容，提高學生的學習興趣，通過制作零部件實體，拆卸裝配3D打印零部件來加強學生對實物的認識，提高識圖和工程制圖的能力，更激發了學生的創新思維，鍛煉了學生的動手能力。其次由于FDM型桌面3D打印機不占空間、攜帶方便，而且制造耗時短，所以將3D打印技術引入到工程圖學的課程教學環節中具有重要意義。四、3D打印技術在工程圖學課程教學中的應用探索目前“工程圖學”課程的教學可分為兩個階段，第一階段為畫法幾何與工程制圖基礎的教學，通常開設在第一學期，第二階段為計算機輔助繪圖的教學，通常開設在第二學期或第三學期。本文提出理論課程和實踐課程混合開設，通過將3D打印技術的引入來提高不同階段的授課效果。1.針對第一階段的畫法幾何與工程制圖基礎的學習，在投影基礎與基本體及表面交線部分，授課重點與難點在基本體的截切與相貫部分。特別是對于立體與立體的相貫線，學生往往想象不出結構內表面的相貫形狀。為此，本研究通過先將一些典型的基本體相貫結構模型建立出來，結合實驗室的實際條件，使3—4個學生為一組，以小組為單位讓學生把模型利用3D打印機打印成型，將典型結構的實體呈現在學生面前。這樣，就能使每個學生清楚地觀察、深入地學習，學生作圖也就簡單明了了。在工程制圖基礎部分，涉及組合體、零件圖、裝配體等諸多知識，對學生空間思維能力有很高要求，課程難度較大，很容易打消學生的學習積極性。為改變現狀，結合新修訂的培養方案，本課程探索與后續設計類相關課程的有效結合，因此引入減速箱、五軸機械臂等創新性、趣味性3D打印實驗環節。通過設計一組幾個零件構成的裝配體裝置并做出實體，通過實踐得出結論，讓學生更深入的理解部件的表達方法和相關技術要求，將所學知識運用到實際中。3D打印將抽象概念和設計引入現實世界，可以使學生在空間思維方面實現從抽象的立體結構向零部件實體轉變；在分析和解決問題方面實現從形體分析法到構型分析法提高到零件結構分析方法的轉變。2.針對第二階段的計算機輔助繪圖的學習，以往就是教師臺上講，學生臺下練。但學生對繪圖軟件的使用能力參差不齊，教師也不可能兼顧學生的各自差異情況，只能按統一的進度、標準講授。不同專業的學生對學習的目的和意義認識不一致，特別是非機類專業的學生認為繪圖軟件的學習沒有必要，學習積極性不高。因此，本研究通過如：建筑模型、簡單實用機械類機構裝置、藝術類模型、時尚飾品類模型等3D打印趣味性實驗，讓不同專業的學生在認真學習計算機輔助繪圖軟件的同時，又充分享受3D打印的樂趣，提高學習的積極性和參與性，增強學生學習的成就感，變被動學習為主動學習。五、結語實踐證明，將3D打印技術引入到工程圖學的課程教學中，有利于培養學生主動學習的能力，能夠充分調動學生學習的積極性、主動性。課程的開設開闊了大學生的視野，提高了學生分析問題解決問題的能力，鍛煉了學生的動手能力和綜合創新能力，為學生后續相關專業課程的學習以及將來投入到相關內容的工作崗位中奠定了堅實的理論與實踐基礎。該教學模式經過一個學年的嘗試，學生成績合格率較以往提高15%左右，取得了理想的教學效果。參考文獻：[1]吳亞輝，張英琦.多層次開放型先進制造技術訓練模式的探索與實踐[J].實驗室科學，2014，（5）：196-199.[2]王克欣，張紅哲，梁延德，唐勇超.工程訓練中心中設置“3D打印技術”實訓課程的研究[J].實驗室科學，2015，（4）：138-140.[3]宮霞霞，孫付春.基于應用型創新人才培養的機械制圖教學改革探討[J].教育與教學研究，2012，（5）：73-75.[4]兀旦暉，趙晨飛.3D打印技術在教學中的應用研究[J].課程教育研究，2013，（7）：185-186.[5]高奇，曾紅，張德強.高校機械類實驗課程的微課設計與應用研究[J].實驗室科學，2016，（3）：61-63.[6]于玉真，董小雷，李志斌，劉彤暉.實踐環節在機械制圖類課程教學中的應用研究[J].教育教學論壇，2013，（33）：20-21.[7]高奇，曾紅.基于快速制造技術的大學生創新性實驗研究[J].實驗室科學，2014，（10）：4-6.