3D 打印技術與機械制圖教學結合的創新應用

馬 怡 邱鵬飛

0 引言

《機械制圖》課程是機械專業大一新生的一門重要專業基礎課，具有基礎性、實踐性等特征，課程著重引導學生建立空間想象能力和規范識讀、繪圖能力，學生在掌握制圖方法的同時提高創新能力和培養工程意識。

1 機械制圖課程教學現狀與3 D 打印技術發展

1.1 教學現狀

《機械制圖》課程開設時間一般為大學一年級的兩個學期。盡管課堂教學在點線面、立體、組合體的教學過程中使用了模型教具演示、多媒體動畫演示等教學手段，卻很難使全部學生達到教學要求。部分學生在課程學習過半時，因空間想象能力不足而感到吃力，尤其是立體的截切、組合體的投影部分。在手工教具和多媒體的動畫演示下，大部分學生能掌握三視圖的投影規律，熟練運用三維立體向二維轉化的投影方法和技巧，卻很難通過二維投影視圖想象出三維立體形狀，使零件圖、裝配圖很難單純依靠想象實現，造成《機械制圖》課程的教學目標難以達到，教學效果不理想。

機械制圖課程有著較強的應用性和實踐性，但在傳統教學方法下，過分強調理論教學，出現實踐和理論教學脫節的情況。又因學生容易陷入相對有限的思維模式，多數人只關注成績分數的高低以及能否通過課程的考核，而忽視了識圖和制圖的靈活性，缺乏創新思維以及工程素質培養的主觀意識。

1.2 計算機繪圖和3D 打印技術發展的教學挑戰

3D 打印技術出現在20 世紀90年代中期，是一種立體平面印刷術，其本質是一種層層堆疊、增材制造的思想。借用這類思想的工藝方法有很多，大到建筑生產，小到納米堆積。從特點上講3D 打印的層層堆疊方法，具有高度的柔性，高度的定制性，對零件外形的制造難度，制造成本的敏感度非常低，3D 打印的優勢及其明顯。經過多年的發展，3D 打印技術廣泛應用于航天和國防、醫療設備、高科技、教育業以及制造業。對學生來說，3D 打印給實現創意帶來了無限可能，無論從模型庫中下載模型還是自己設計，3D 打印機可以打印出任何想要的物品，學校便成為一座迷你工廠。

隨著工業4.0 革命發展，電腦設備成本的降低和加工人員知識水平的提升，使得機械加工中三維化和無紙化會成為未來發展的趨勢。與此同時，3D打印技術的出現和熱潮為定制化的機械設計提供了新的思路，而3D 打印技術離不開三維建模，兩者共同發展。

教師要引導學生逐步建立空間感知力，使學生的思維能力得到鍛煉，形成有技巧性的思維方式，對教師在課程分析和教學設計方面提出了更高的要求，需要尋求新的教學模式，避免出現傳統教學模式的弊端。

2 3 D 打印技術與機械制圖課程的結合與教學構思

2.1 教學設計與框架

隨著3D 打印技術的成熟，各高校嘗試開設3D 打印選修課程，以此傳授3D 打印技術方法。通過研究和探索，本校機械教研室將3D 打印技術應用在《機械制圖》課堂教學過程中，根據專業類別進行了兩種形式的教學設計和應用。

第一種形式是直接將3D 打印教具帶入課堂進行模型的展示和繪圖的教學，即教師課前準備階段，將多媒體動畫演示的模型利用3D 打印機變為實物，在授課過程中通過與視圖、動畫演示、3D 打印模型多種教學手段相結合進行知識點的教學，提升學生的學習興趣。課間可傳閱模型教具，使每個學生都能能夠直觀感受三維實物和二維圖形之間的聯系，加深對所學物體的印象。這種教學模式適用于少學時的機械制圖課程中，以理論教學為主，課程內容多且抽象，而學時又有限只有一學期，開課的專業一般有電氣工程及其自動化、自動化、電子信息工程、通信工程、醫學影像技術等。

第二種形式是讓機械專業學生參與3D 產品的制作過程，機械專業的制圖課程通常開設兩個學期，第一學期為投影規律的教學，第二學期為零件圖、裝配圖及計算機繪圖軟件cad 的教學，主要是學習二維圖形。本校從2017 級開始，機械專業的制圖課程具有延伸性，增設三維建模軟件及3D 打印技術的學習，培養計劃安排為第三學期的學習課時。學生分組體驗從設計、二維圖繪制、三維建模到3D 打印成型的每個階段，使學生初步建立工程概念，培養工程意識，拓展了機械制圖課程的知識點。在學會使用3D 打印機的打印模型庫的模型后，學生可發揮想象力設計新的模型，擴充模型庫的同時，將學生作品的創新性作為課程考核的標準之一，激發學生的創新潛能，通過第三學期的學習，增強學生學習機械相關知識的興趣和建模的能力，實現教、學、做一體化的教學新模式。

2.2 教學成果

經過3年的教學設計方案實施，教師制作了機械制圖課程的3D 模型庫，并將模型打印出來建立了機械制圖模型展示柜，如圖1 所示，分布于機械制圖教學樓層的教師休息室，使得教師課前準備教具更便利，也方便學生根據興趣自行參觀學習，激發學習的興趣。

學生在進行3D 打印實踐時會因失誤而無法設計出模型，對于這樣的情況，學生會認真用心思考，充分發揮自己的智慧找出問題，改變模型失敗的現狀。通過3D 打印的實踐使學生提升了工程素質，并激發學生的創新思維，學生的3D 打印作品如圖2 所示，3D 打印技術以新穎的方式幫助學生理解和記憶知識，引起學生的興趣以及提高其自主性。

圖2 學生3D 打印作品

圖1 機械制圖課程模型展示柜

3 結論

將3D 打印技術引入機械制圖課堂，經過精心教學的設計和實踐，對教學效果的提高具有積極意義。一方面，3D 打印和課程的結合應用告別了傳統的教育方式，給學生更多開放式的教學和學習，使學習變成了玩耍，讓課本知識能更有效地應用于實踐，達到技術和知識的結合，是未來技術人才培養的方向。另一方面，3D 打印建模并不僅僅為了打印的結果，而是在進行3D 打印的學習時，學習了三維建模，讓3D 模型轉化為腦內的三維圖形、二維圖像，加深了機械制圖的基本知識理解，提升了空間想象能力。3D 打印技術與機械制圖課程的結合應用是真正意義上書本和實踐的結合，開拓學生創造力、實踐動手能力以及鍛煉知識運用能力的體現。