3D打印技術在機械制圖課程教學中的探索與實踐

郭付龍

摘要：針對機械制圖課程教學中學生空間想象能力弱，難以將圖形與實物對照起來的問題，嘗試將3D打印技術引入到機械制圖的教學中去，利用3D打印實物的真實性與直觀性，提升學生的空間思維能力，激發學生的學習熱情，實踐證明將3D打印技術引入到機械制圖教學中可以提高學生的積極性與主動性，提升教學效果。

關鍵詞：3D打印;機械制圖;教學實踐

1、引言

機械制圖是工科類專業一門核心的專業基礎課程，涉及到的知識既廣泛又抽象，在教學的過程中要自始至終把物體的投影與物體的形狀緊密聯系，學生既要想象物體的形狀，又要思考作圖的投影規律，同時還要結合生產實際完成一系列制圖作業，學生初學缺乏空間想象力，很難將二維圖形與實物對照起來，學生極易產生厭學情緒，自暴自棄，教學效果差。筆者通過教學實踐，嘗試將3D打印技術引入到機械制圖的課程的教學中，探索出一種二維圖形，三維建模，3D打印結合的教學方法，通過實踐證明該方法能夠極大提高學生學習的積極性與主動性，學生能夠很快將二維圖形與三維實物映射起來，提升教學效果。

2、3D打印技術在機械制圖教學中的嘗試

2.1? 3D打印技術簡介

3D打印技術是21世紀制造業最具影響的技術之一[1]，是一種CAD模型直接驅動的快速制造三維實體的技術。日常生活中使用的普通打印機可以打印計算機設計的平面物品，而所謂的3D打印機與普通打印機工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印機的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機內裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實實在在的原材料，打印機與計算機連接后，通過計算機控制可以把“打印材料”層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物[2]。

2.2 3D打印技術應用于機械制圖教學的探索

機械制圖課程的重點是培養學生制圖、識圖能力，要求學生既具備通過觀察三維立體實物的形狀、結構繪制出該物體的平面圖形的能力，又具備通過識讀平面圖形正確還原出實物的三維立體形狀、結構的能力。無論是繪圖還是識圖，三維實物是基礎，要求學生根據實物繪制二維圖形，同時根據二維圖形還原出三維實物，三維實物模型在其中起到“模特”的作用，所以在制圖的教學中重點是必須有三維實物模型。傳統教學中的實物模型限于模型的成本較高，模型的種類和數量有限，不可能反映所有的教學內容，并且更新換代的周期較長，很難適應新技術新知識的發展。而隨著計算機技術的發展，三維建模軟件在很長時間內為機械制圖的教學提供了很好的輔助工具。不可否認三維建模軟件如SolidWorks，Pro/Engineer，UG在目前的制圖教學中起著不可或缺的作用，但三維建模軟件還是處在虛擬的空間中，教學過程中學生不滿足于計算機的虛擬空間，或則學生要親自驗證所還原的三維實物是否正確，那么就要親自加工出實物，在制圖的教學中學生還沒有學習機械加工的知識，或則模型復雜機械加工很難完成，這時3D打印技術就充分顯示出了其優越性。3D打印技術目前已經從實驗室走向應用，目前淘寶上一臺3D打印機低至2000元，大大降低了制作傳統意義上的實物模型的成本。從實物中來到實物中去既是制圖課程的方法又是制圖的目的，而3D打印技術實現了方法與目的的統一。在授課過程中教師展示實物模型，師生一起分析組合體的類型，實物所包含的特征，討論物體的表達方法，然后學生繪出工程圖形，繪制完成工程圖形后，學生對照實物檢查工程圖形選用的表達方式是否正確，所有的特征是否表達完整，尺寸是否標注完整等。此時對于傳統意義上的制圖教學任務已經完成，但是學生似乎并不滿足于此，學生要求繪制出實物的三維模型，通過3D打印技術完成實物的制作。完成實物建模的過程就是學生識圖的過程，學生所識的圖就是自己所繪制的工程圖形，自己驗證自己所繪制圖形的正確性。圖1所示是3D打印技術實現方法與目的統一的途徑。

2.3 3D打印技術應用于機械制圖教學的實踐

將3D打印技術引入到機械制圖的教學中分為兩個階段。第一階段純粹將3D打印作品帶入到課堂教學中，課前教師根據教學目標和內容，自行設計實物模型，如典型的軸類、盤蓋類、箱體類，課前將這些模型利用3D打印機打印出來，帶到課堂上，學生分組，將實物模型發給大家，小組討論分析表達方法，確定工程圖繪制方案，最終每人繪制一份工程圖紙。然后小組成員再根據實物模型糾錯，修改，完善。該階段學生親自觀察3D打印實物模型，由于實物模型具有真實性、直觀性，學生很容易將抽象的二維圖形與實物映射對應，將抽象的知識直觀化能極大激發學生學習的興趣，提高其學習的積極性與主動性。第二階段實現實物模型的制作，該階段就得益于3D打印機價格低廉與操作簡單。使用3D打印機前要學會使用三維CAD軟件，這就觸發了學生主動學習與探索學習的熱情與動力，三維CAD軟件建模的過程就是學生識圖的過程，學生識讀自己繪制的工程圖的過程同樣是檢查與提升的過程。根據實物模型繪制工程圖，再根據工程圖繪制三維模型實現了繪圖與識圖的統一。學生根據繪制好的三維模型導出STL文件，對STL文件切片后導入到3D打印機打印出實物模型，完成實物的制作。第二階段學生通過親自制作實物模型，很容易理解圖紙在生產制造中的地位與作用，從而促進第一階段繪圖能力的提升，培養了學生認真踏實的學習態度和嚴謹細致工作作風。第二階段實現了制圖的到實物中去。3D打印技術應用于機械制圖教學的實踐，實現了方法與目的的統一。

3、結論

實踐證明，將3D打印技術引入到機械制圖的課程教學中，將制圖課從實物中來回歸到到實物中去，實現了方法與目的的統一。3D打印實物能極大激發學生學習的熱情，通過觀察實物模型，其真實性與直觀性能很好的培養學生的空間想象能力，提高學生學習的積極性與主動性。另外，將3D打印新技術引入到課堂中能到激發學生求知欲望，開闊其視野，同學們親手制作實物模型，鍛煉了學生動手能力與綜合應用能力，培養其認真踏實的學習態度和嚴謹細致工作作風。

參考文獻：

[1]朱鵬.3D打印技術與機械制圖教學結合創新應用的研究[J].當代教育實踐與教學研究，2017（10）：182+181.

[2]盧帥，李瑞華，栗偉周.3D打印在工程圖學課程教學中的應用研究[J].教育教學論壇，2018（20）：160-161.