3D打印在機械原理課程教改中的應用

李永湘 何曉芬 馬秀勤 張寧

摘要：針對機械原理課程傳統教學中存在的重理論輕實踐問題，將3D打印技術引入機械原理課程教學中。研究了3D打印機械原理課程教具、3D打印用于機構等知識點的學習鞏固、用于課程設計和用于機械創新設計比賽等，總結了3D打印應用于機械原理課程需要注意的幾個問題。通過3D打印技術改進了教學方法，提高了實踐操作時間，促使機械原理課程教學由偏理論輕實踐逐漸向理論實踐并重的教學方式轉變，考核方式更傾向于產品設計的實際能力，提升學生的職業素養。

關鍵詞：機械原理;3D打印;教學改革;OBE

中圖分類號：G64? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）05-0214-02

0? 引言

機械原理課程是機械類專業基礎課程，包含機構的結構分析、受力分析、運動分析，凸輪機構、連桿機構、齒輪機構等原理性內容，理論課時占比重。而新工科教育、職業技能教育和OBE教學改革的要求是越來越強調學生知識和能力的全面發展。要改變原有的理論課時占比不是一件容易的事情。對于相同的內容，實踐操作往往比理論講授需要花費更多的時間。3D打印是一種基于數字模型，利用塑料等可粘合材料，逐層打印構造實物的一種技術，可有效解決傳統機加工制造機械裝置實物耗時長、費用高等問題，很適合于機械原理課程的實踐教學。為此，本文主要研究了3D打印在機械原理課程教學中的幾項具體應用和需要注意的問題。

1? 3D打印在課程教學中的應用研究現狀

關于3D打印在課程教學中的應用，有些高校教師對此進行了相關研究和實踐。例如，毛瑋等研究了3D打印技術在機械原理教學教具制作中的作用[1]。史洪松探討了3D打印在機械設計與原理教學中的應用思路和優勢[2]。王小新等將3D打印應用于塑料制品設計課的教學工作中[3]。翟彥飛分析了在機械專業課教學中應用3D打印的優點[4]。李定玉等探討了力學課程中3D打印技術的應用[5]。王明振等研究了3D打印技術在新工科實驗課程中的應用[6]。孫文柱等探討了航空儀表設備課程教學中3D打印技術的應用實踐[7]。高延峰等研究了機器人課程教學中應用3D打印技術的好處[8]。尹濤研究了機械專業課程教學中3D打印應用實踐[9]。郭美君研究了FDM3D打印運用于機械專業課程的教學改革實踐[10]。王莉霞等研究了機械制圖課程教學改革中3D打印技術應用實踐[11]。林春宇探討了機械設計基礎課程教改中的UG建模和3D打印技術綜合應用[12]。

以上文獻主要研究了3D打印的優點和在不同課程教學中的應用，對機械專業課程教學中的3D打印技術的應用主要局限于教學教具制作，使用的范圍小，應用實踐也不是很充分。本文將3D打印運用于機械原理課程教學中多個方面，促進機械原理課程教學方法和教學內容的改革，提高學生動手操作能力和課程學習的獲得感。

2? 3D打印在機械原理教學中的應用

當今高校新工科和OBE教學改革的一個重要方面是要改變傳統課堂教學中的填鴨式教學模式，提高學生實踐動手能力。在滿足理論教學的同時如何提高學生實踐操作時間和參與機會是一個急需解決的教改難題。3D打印機操作方便，學生上手快，與UG、Pro/E、Solidworks等機械工程應用軟件對接良好。以機械專業基礎課程機械原理為例，3D打印技術在機械原理課程教學中的應用主要有：用于機械原理教具的制作;用于機構等知識點學習鞏固;用于課程設計;用于機械創新設計比賽等。3D打印技術的應用，可豐富課程教學方法，增強學生對機械原理主要知識點的理解，提高學生課程教學活動參與度和動手能力。

2.1 3D打印機械原理課程教具

機械原理課程中的理論知識很多，原理性內容深奧而抽象，抽象的原理性內容教學很容易使學生在課堂上犯困，學生的接受程度難以跟上教師的教學節奏。3D打印機械原理教具，可以彌補學校專業課教具不足，有效解決機械原理課程教學的抽象問題。教師在講解理論知識的同時，可通過3D打印的實物模型演示給學生看，可有效提高教學效果。學生通過觀看和接觸3D打印的凸輪機構、齒輪機構、連桿滑塊機構等直觀認識不同機構的特點，增強對不同機構工作原理的認識。3D打印機械原理課程教具，可改變傳統機械原理課堂教學格局，充分發揮理論教學、案例教學、啟發式教學等多種方式相結合的混合式教學的長處。

2.2 3D打印用于機構等知識點的學習鞏固

機械原理課程的教學內容很豐富，課后作業是學生鞏固課堂所學知識的一種非常有效的方法。傳統的作業形式都是以計算題、問答題、分析題等的文字型作業，形式單一。借助3D打印技術，我們可以將課后作業的形式變得多樣化，例如可以將作業布置成制作連桿機構模型等等。我們學校工程實訓中心有30多臺3D打印機，學生可以在課后利用3D打印機制作出機構模型實物。這就不僅僅是需要學生動腦，還需要學生動手操作。從而可以進一步優化和調整機械原理課程理論教學與實踐教學的比重，使機械原理這門專業課教學更能發揮出其應用性，可促進學生的學習熱情和興趣。

2.3 3D打印用于課程設計

機械原理課程設計是一個重要的實踐環節。根據教學安排，每個機制專業班級在上完機械原理理論課程后有兩周時間用于機械原理課程設計。兩周時間不是很長。在此期間，學生需要完成機械裝置的原理分析、理論計算、畫圖和制作模型。雖然每個組一般會有4～6名同學，但在兩周內完成所有的工作還是存在一定困難，尤其是所設計的機械裝置比較復雜的情況。這些工作中，制作模型的過程是很耗費時間。如果采用鋼材進行機加工，不僅時間長，而且其中涉及的安全問題也是任課教師需要時刻關注的。而采用3D打印技術加工實物模型，時間上與機加工稍長，但是3D打印非常安全，學生也容易掌握3D打印機的操作，相對來說，給學生培訓3D打印機操作的時間比培訓數控機床操作的時間要短很多，這樣，3D打印總的時間更少，也更安全。3D打印有利于機械原理課程設計任務的圓滿完成。

2.4 3D打印用于機械創新設計比賽

應用型大學本科生培養的一個重要方面是培養學生的應用能力。學生在校期間除了學好課堂上的理論知識外，還需要能將專業知識運用于實際，解決實際問題。每年舉辦的全國大學機械創新設計比賽就是一個很好的活動，能讓學生有運用知識、提高操作能力的實踐機會。機械創新設計比賽是需要比賽選手做出實物出來的。而在機床設備等不是很充分，加工能力不是很足的情況下，3D打印可以從一定程度上彌補這種缺陷，幫助學生將實物作品打印出來。通過3D打印的實物模型同樣具有較好的強度，完全能展示出作品各項功能。不僅機械創新設計比賽，其它類型的一些比賽也可以通過3D打印技術制作出比賽作品，3D打印較好地支持了學生的各項創新能力訓練。

3? 機械原理教學中使用3D打印需注意的問題

在機械原理課程教學中通過使用3D打印技術，改進了教學方法，提高了實踐操作時間，促使機械原理課程教學由偏理論輕實踐逐漸向理論實踐并重的教學方式轉變。進一步完善了機械原理課程的考核評價體系，考核方式更加傾向于解決產品設計的實際能力，提升學生的職業素養，考核內容更全面，考核方式更科學，知識與能力的考核并重。在機械原理教學中使用3D需注意以下幾個問題：

①使用3D打印需要具備基本的硬件條件和軟件條件，學校需要有一定數量的3D打印機和3D打印材料，學生需要掌握至少一種三維建模軟件，例如Solidworks、UG、Pro/E等等。教師需要將3D打印機的使用操作步驟傳授給學生，好讓學生能夠自主使用3D打印機打印作品。

②單個打印的模型不宜太復雜，尺寸不宜過大。每臺3D打印機的打印能力是有限的。教師布置給學生的作業，或學生自己設計的作品，在使用3D打印機打印的時候，總長、總寬、總高等尺寸不能超過3D打印機的尺寸界線。若作品尺寸過大，應該將作品各部分分拆進行打印。

③教師需要對學生進行分組管理。由于3D打印機的數量有限，3D打印模型是需要耗費時間的，因此，很難做到一個學生一臺3D打印機，把學生進行分組就很有必要。每組需要設1名組長進行管理。每組可以合作一個作品或幾個作品，這樣可以保證每組的學生都能在規定的時間內完成實物制作作業。學生在實物制作過程還能相互交流，相互促進，增長知識和能力。

4? 總結

針對機械原理課程傳統教學中存在的重理論輕實踐問題，結合OBE教學改革和新工科建設要求，將3D打印技術引入機械原理課程教學中。研究了3D打印機械原理課程教具、3D打印用于機構等知識點的學習鞏固、3D打印用于課程設計和3D打印用于機械創新設計比賽等，改進了教學方法，提高了實踐操作時間，促使機械原理課程教學由偏理論輕實踐逐漸向理論實踐并重的教學方式轉變。完善了機械原理課程的考核評價體系，考核方式更加傾向于解決產品設計的實際能力，提升學生的職業素養，考核內容更全面，考核方式更科學，知識與能力并重。

參考文獻：

[1]毛瑋，蔣洪奎.3D打印技術在機械原理課程教學中的應用 [J]. 工業設計，2019（09）：33-34.

[2]史洪松.3D打印技術在《機械設計與原理》課程教學中的應用[J].信息與電腦（理論版），2018（16）：239-240.

[3]王小新，黃兆閣，溫時寶.CAD-CAE及3D打印在《塑料制品設計》課程教學 中的應用探索 [J]. 高分子通報，2020（02）：54-58.

[4]翟彥飛.淺析3D打印技術在高職院校機械等相關課程教學中的應用 [J].內燃機與配件，2020（02）：279-280.

[5]李定玉，王如轉，鄭恒偉，等.3D打印技術在基礎力學課程教學中的應用探討[J].教育教學論壇，2019（27）：197-198.

[6]王明振，高霖.“新工科”背景下3D打印技術在“土木工程結構實驗”課程教學中的應用 [J].教育現代化，2018，5（23）：202-206，223.

[7]孫文柱，曲建嶺，高峰，等.3D打印技術在《航空儀表設備》課程教學中的應用[J].教育教學論壇，2018（39）：92-94.

[8]高延峰，萬文，洪連環，等.3D打印技術在《機器人》課程教學中的應用[J].機械設計，2018，35（S2）：324-326.

[9]尹濤.3D打印技術在機械專業教學實踐中的應用和探索 [J].時代汽車，2020（21）：42-44.

[10]郭美君.機械專業教學中FDM3D打印技術的實踐探究 [J].農家參謀，2020（24）：208.

[11]王莉霞，彭敏，周磊.雙創背景下3D打印技術在機械制圖課程教學中的應用研究[J].裝備制造技術，2020（09）：106-108.

[12]林春宇.基于UG建模的3D打印技術融入《機械設計基礎》課程的改革[J].裝備制造技術，2020（09）：120-121，124.