3D打印技術在機械制圖課程中的教學改革探索

高成德 馮佩 帥詞俊 金嬌

摘 ?要：機械制圖是一門具有很強實踐性的機械工程專業基礎課程，對空間想象和邏輯思維能力都有著較高的要求，但由于教學內容守舊單一、教學手段不夠豐富等問題，教學質量往往差強人意。通過認識機械制圖課程的教學目標、特點以及現存問題，提出將3D打印技術融入機械制圖課堂教學過程中，并給出了具體實施方案，實現3D打印與機械制圖的有機結合，激發學生學習興趣與積極性，提高機械制圖課程的教學效果和人才培養質量。

關鍵詞：3D打印 ?機械制圖 ?教學改革 ?機械工程

中圖分類號：G642 ? 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）06（b）-0022-02

作為一種前沿性的先進制造技術，3D打印以數字模型為基礎，以粉末狀可粘合材料為原料，通過逐層堆疊累積方式構造物體，被譽為“第三次工業革命的重要標志之一”。該技術最大的優點是不需要任何模具和夾具，就能直接通過計算機模型數據制造出三維實體零件，而且得益于獨特的分層制造理念，3D打印能夠加工傳統技術難以制造的復雜形狀和內部結構，具有高度柔性、快速有效的特點[1]，能夠快速體現產品設計，極大地提高產品研發效率并降低生產成本。

高校的生存和發展依賴教學質量的保障，而高校教師在教學內容上應與專業發展的最新動態保持一致，才能更好地開展應用型教學。3D打印雖然在復雜結構制造方面擁有獨特優勢，但目前更多應用于科學研究、私人定制等受眾較窄的領域，3D打印不應是成本高昂、讓人無法企及高深科學，關于其應用于教育教學工作的探索應進一步深入，不斷完善3D打印教育創新，使3D打印從象牙塔里的前沿科技，發展成為融入學校、家庭和社會教育常態的技術。

對于機械工程專業，3D打印代表著高端制造的發展方向，開展3D打印技術的教育教學工作尤為重要和迫切。而作為該專業十分重要的基礎課程，機械制圖是學生從事專業領域工作和研究的最基本技能。若能在機械制圖教學中融入3D打印技術，可以使教學工作緊跟前沿科技發展動態，改變教師一個人講、學生被動聽的教學現狀，充分發揮學生的主觀能動性，激發學生主動學習和自主創新的積極性，進而提高課程的教學效果和教學質量。

1 ?機械制圖課程的特點及教學中存在的問題

機械制圖是工程類、特別是機械專業必修的一門重要技術基礎課，是研究機械圖紙的繪制（畫圖）和識讀（看圖）規律與方法的一門課程。該課程既注重理論知識的學習，又需要大量的實踐鞏固所學知識，使學生掌握其中的原理和方法，為培養學生的空間思維能力和繪圖技能打下必要的基礎;同時，它又是學習后續課程和完成課程設計、畢業設計等環節不可缺少的基礎技能。

但是目前機械制圖的教學過程中還存在一些常見的問題。

1.1 教學內容守舊單一

目前機械制圖課程仍側重于理論知識的講解，實踐的課時占的比例相對較少，而且學生多是通過二維剖面圖的形式來認識零件，部分學校有實物供學生觀摩學習，但也僅限于一兩種簡單結構的零部件，內容過于單一，學生缺乏對大部分零件內部構造的直觀了解。更重要的是，教學內容和過程缺乏與領域發展前沿的有效融合，使學生難以與時俱進地接觸學習這些前沿知識。

1.2 教學手段不夠豐富

近年來，隨著教學基礎設施的完善與提高，大部分學校實現了多媒體教學，可以通過電腦、投影儀等設備播放PPT、視頻等材料。這些內容的加入無疑使課程在原先只有教材和簡單模型的基礎上又進了一步，但實際取得的效果并不明顯。大部分課堂上還是老師包辦多、學生主動少。教師灌輸知識多，而學生自學少，導致學生很多知識都缺乏理解。這樣的情況導致學生的主觀能動性受到了影響，不利于培養學生的學習興趣和探索精神，也限制了學生的想象力[2]。

2 ?3D打印應用于機械制圖課程教學的優勢

將3D打印技術融入機械制圖的課程教學中，可以完美利用3D打印的技術優勢解決機械制圖課程中所存在的問題。機械專業本身就需要將理論和實踐相結合，而機械制圖更是一門注重將理論運用于實際的課程。因此，將更多的實踐內容引入課堂有利于提升學生的學習主動性，從而提高教學質量[3]。

3D打印的建模階段為學生提供了建模的機會，學生需要在讀懂二維平面圖的基礎上，利用建模軟件將二維平面圖轉化為三維立體圖，在這個過程中既鍛煉了學生的讀圖能力，又鍛煉了學生的空間想象力，而且將腦海中想象的三維圖形呈現在建模軟件中，便于糾正錯誤、加深印象。當然，3D打印最主要的優勢還是能將各種復雜形狀與結構的模型方便快捷地打印成真實的實物呈現，利用這個優勢，教師可以提供豐富多樣的模型供學生參考，學生可以直觀觀察模型結構，從而更準確地將三維實物圖繪制成二維工程圖。教師也可以利用學生對新興技術的興趣，鼓勵學生自主建模，并在課堂上演示學生所建模型是如何打印成型的，進而讓學生獲得強烈、真實的認知體驗和參與感，有利于進入深度學習狀態。

3 ?3D打印應用于機械制圖課程教學的具體實施方案

第一，在課程開始階段，運用已有的多媒體手段，將課程大綱知識點介紹給學生，內容完整清楚，條理清晰，突出重點，使學生充分了解該課程的基礎內容，對今后的學習方向有初步概念[4]。

第二，利用現有的簡單模型，安排一次課堂繪圖課，學生通過對照簡單模型實物繪制二維工程圖，在實踐中熟悉所學基礎理論知識，初步掌握繪圖技巧與注意事項，教學課程中可多與老師同學進行討論，盡可能多地解決盲點與誤區，為之后的學習打下基礎。

第三，老師對3D打印技術做具體介紹，使學生初步了解3D打印的特點及優勢，充分激發學生的探索興趣。然后根據課堂人數將學生分為若干學習小組，分組原則是每個小組需至少有一個熟悉三維建模軟件的學生，教師給出特定的二維工程圖，要求學生課后小組討論，在正確識圖的基礎上進行三維建模，并于下次課堂上交所建模型，挑選出建模最準確的一組模型，用3D打印技術將其具現為實物，讓學生初步感受到3D打印的魅力，并激發學生的學習興趣和主動性。

第四，教師給學生布置大作業，小組成員通過自主設計或網上查找素材的方式，進行自主三維建模，每個小組交出一個三維模型作品，教師根據這些作品，挑選最具代表性與繪圖可行性的模型，用3D打印技術將模型具現為實物，分發到各個小組手中，再進行二維工程圖的繪制。學生對自己設計出來的新模型進行繪制，通過參與整個作品的設計并最終呈現為實物，讓學生感受到學習的樂趣與全新的學習體驗。

4 ?結語

通過分析機械制圖課程教學存在的問題和3D打印技術優勢，提出將3D打印融入機械制圖的課程教學過程中，不僅能巧妙地將教材中抽象理論知識與實踐技能有機融合，還能將最新的計算機圖學融入教學過程中，同時豐富教學內容和教學手段，提高學生的學習興趣和自主性，激發學生的創新思維，最終起到良好的教學效果，完美契合該課程的教學目的。

參考文獻

[1] 李昕.3D打印技術及其應用綜述[J].鑿巖機械氣動工具，2014（4）：36-41.

[2] 郭永鳳.《機械制圖》教學中存在的問題與對策[J].科技風，2017（23）：45.

[3] 花燕鋒，張龍革.3D打印技術在教育中的應用研究[J].中小學電教，2014（6）：16-19.

[4] 周屹.基于3D打印技術在產品設計專業中教學改革探索[J].戲劇之家，2018（33）：103.