就創融合的工程制圖教學研究與實踐

曹淑華，劉德良，路慧彪，于哲夫

(大連海事大學 船舶與海洋工程學院，遼寧 大連)

一 引言

據統計，2020 年本科畢業生人數多達870 余萬，達到了歷史高點[1]。在本科畢業生人數持續增多的同時，當前國內經濟增長變緩，企業崗位需求較為平緩，就業市場的供求變化使錄用標準不斷提升，本科生就業壓力逐漸增大[2]。

高校面對這樣的就業形勢，必須著力提升大學生綜合素質，以需求為導向，從而培養并提升學生的就業能力。就業能力除了表達能力、人際溝通能力以及應變能力外，還包括必需的創新創業能力。

創新，是一種能力，是人在學習工作上保持永久活力的源泉。在大學教育中提高學生的創新、創業能力已經成為素質教育的重要組成部分，有助于提高學生的就業能力和入職后的業務水平。

培養學生的創新能力，推廣和發展創新教育，將創新教育與就業指導無縫融合[3]，是高等教育應對就業形勢的改革熱點。研究表明，強化創新課程建設是創新教育的中心，尤為關鍵和必要[4]。為了培養大學生的創新創業意識，深化高校的教學方法改革，需要教師在授課過程中，應用新技術和新方法，將創新創業精神融入到教學環節中。

為了實現現代工程設計由圖樣向產品模型的轉化，以產品的幾何模型為核心的CAD/CAM 一體化是適應現代制造業信息化的必然趨勢，以優化設計促進產品改良，以智能設計促進產品創新。為適應這樣的發展趨勢，必須重新構建工程圖學教育方向，結合教學目標，引入現代三維技術和先進制造技術，以系列化、模塊化零件結構設計為基礎，在教學過程中模擬CAD/CAM 技術工程環境，重新構建工程圖學課程體系，重新進行教學設計并進行教學實踐。

二 增材制造（3D 打印）現狀及其在教育領域的應用

三維CAD 技術在工程設計領域的應用越來越廣泛，改變了傳統設計的理念、工程信息的記錄和存儲方式，更為多元化，徹底改變了設計人員的思維方式和工作方式。先進制造技術的飛速發展和應用，為工程設計提供了廣闊的創新空間。培養具有創新能力的高素質人才，要求學生去適應現代設計與制造的發展要求，將三維CAD 技術和先進制造技術融合引入到機械工程圖學教學中，做到學以致用、能力為本、創造為先、就業為上，可使教學效果顯著提高，提高學生的綜合競爭力[5]。

先進制造技術(Advanced Manufacturing Technology，簡稱為AMT)融合了機械工程、電子、自動化、信息技術等多種高新技術。成組技術（GT）、快速成型技術（RPM）、虛擬制造技術（VMT）是其關鍵技術，敏捷制造（AM）和智能制造（IM）是其關鍵系統[5]。先進制造技術顛覆了傳統制造的理念和模式，對傳統制造業向現代制造業的轉變產生了深刻影響。

快速成型技術（RPM）集中應用了CAD/CAM、激光加工、數控和新材料等技術領域的最新研究成果，是一種新型的適用于制造復雜結構零件的原型制造技術[6]。快速成型技術通過層層堆積材料的方式建造零件模型，其產品原型通過三維CAD 軟件生成，便于后續的修改和創新，能夠大幅度降低產品的開發周期，降低開發成本。飛速發展的計算機技術使越來越多的產品基于三維CAD 軟件設計開發，凸顯出快速成型技術在現代制造業中的重要性。快速成型技術的典型代表是增材制造（Additive Manufacturing，AM）技術，俗稱3D 打印技術[7]。

最近10 年，政府、研究機構、企業等社會團體紛紛投入資金和人力關注增材制造技術的發展，并相應地制定了促進和推動增材制造技術發展的國家戰略和企業發展規劃[8]。美國在2012 年率先建立增材制造創新研究所，研究未來美國在增材制造相關技術領域的發展路徑，認為增材制造技術是決定未來經濟發展的革命性技術；德國最先將增材制造技術作為工業4.0 戰略技術，主要研究方向集中于該技術在航空航天領域中的應用，包括輕量化設計、材料、工藝等方向；法國致力于增材制造技術標準的研制；日本投入大量人力和物力組織實施以增材制造技術為核心的制造革命計劃，有力促進了該技術在本國航天領域的應用[9]。

近年來，在國家的大力支持下，增材制造技術在我國發展迅速，航空航天、電子、軍工、醫療、汽車等行業大力發展和應用增材制造技術，在材料、裝備和軟件等領域都取得了重大成就。清華、北航、西安交大、華中科技等大學相繼成立了增材制造國家重點實驗室，研究方向集中于產品研發、個性化需求、新材料應用等領域，復雜零件的精密鑄造、金屬零件直接制造技術有了重大突破，大型薄壁航空零件和醫用組織結構的直接制造也有了實質性進展[9]。

目前，增材制造技術已經成為衡量國家發展水平的標準之一。新的全球制造業競爭促使發達國家制造業回流，使國際競爭集中體現在高端裝備的競爭上，對制造工藝流程、生產模式和整個產業鏈都提出了新的要求。增材制造技術所代表的數字化制造和智能化制造已經成為提升產業競爭力的關鍵。增材制造技術正成為各國大力培育和發展的戰略性新興產業，必將改變各國的經濟發展格局。大力發展增材制造技術，推進技術創新和產業化應用，將提高我國制造業的國際競爭力，推動我國由制造大國向制造強國[9]。

在高等教育中引入增材制造（3D 打印）技術，將探索、質疑、創新、自主學習等實踐環節融入傳統的理論課堂，會架起理論聯系實際的橋梁。傳統教學模式的改變，將有助于提高學生的合作意識、自我管理能力、創新能力和工程實踐能力。為了增強學生對先進制造技術的了解，開發能夠提高教學效果的實踐課程勢在必行[10]。

三 制造技術與工程制圖教學的融合，培養就業能力與創新能力

在機械工程圖學教學過程中引入基于增材制造技術的教學實訓，可以將教學內容生動地呈現在課堂上，可以活躍課堂，更有利于學生掌握基本知識。輔以激發學習興趣的實踐環節，有助于引導和開發學生的創新思維。在課堂上增加以增材制造技術為主題的科技創新實踐活動，為教學科研的發展打開了新的思路，必將推進就創融合的教學改革[11]。

（一） 改革的目標

1. 在機械工程圖學教學過程中引入3D 打印實訓課程，鍛煉學生的設計能力，初步培養學生的工程實踐能力；使學生掌握基于特征的產品設計和建模方法；掌握三維實體造型、曲面模型等的設計和制作能力；提高空間想象力，培養創新思維；提高學生獨立分析問題和獨立解決問題能力；建立團隊協作意識；提高學生的綜合素質。

2. 將3D 設計和打印概念引入到機械工程圖學的教學環節，從產品加工和制作角度解釋機械工程圖學的知識點，增加實踐教學環節，輔以實訓課程，提高學生應用軟件和硬件的能力，通過教師現場輔導、師生互動交流等教學活動引導學生發現、感受、思考、參與創造性設計，改變以往枯燥、乏味的課堂教學，讓學生在創造過程中體會到學習的樂趣，激發學生主動學習的熱情，使課堂成為一個融教學和學習一體、師生共同積極參與的愉快場所。從而提高教學質量，拓寬就業渠道，深化素質教育[12]。

（二） 改革的具體內容

1. 基于增材制造技術的教學思維的轉化。增材制造技術從根本上改變了高等教育的教學手段，同時也應體現在教學思維的變化上。傳統的機械工程圖學教學中，模型的講解多采用掛圖、教具模型和多媒體技術，卻從未使用過增材制造技術，限制了學生在課堂上的參與性、主動性和積極性。增材制造技術將教師的“教”與學生的“學”有機結合，鼓勵學生實踐、體驗、創造、探索和反思，幫助學生更好地理解基礎知識，提高專業技能。將增材制造技術滲透、融合到教學中去，可以充分發揮增材制造技術的優勢，提高教學質量，培養創新人才。

2. 促進增材制造技術與專業知識的緊密結合。自增材制造技術問世以來，在高等教育中引入增材制造技術的一直側重于讓學生了解和學習其操作方法，而與專業知識的結合還不夠緊密。將增材制造技術融入機械零件設計、船舶及水下航行器設計、模具制造乃至汽車、航空等專業，使學生在學習過程中思考、設計、制造，最終解決一些實際專業問題，做到知識、技術和實踐緊密結合，提高學生的專業技能，使其成長為國家和社會急需的高素質應用型人才。

3. 使教學內容與就業需求密切聯系。隨著增材制造技術在我國制造行業的廣泛應用，市場需求不斷釋放，企業會更多地將資金和人力投入到與增材制造技術相關的研發工作中，也擴大了與增材制造技術有關的人才需求。增材制造技術是很重要的發展產業，人社部還推出了“3D 打印造型師”的資質認證。增材制造技術的快速發展，在新技術和新材料研發方面的投資增加，覆蓋的領域涉及航空、醫療、軍工等高尖端產業，對高素質人才的需求會越來越多。

增材制造技術的應用領域決定了其在制造行業對綜合性高素質人才的特殊需求。如支撐上游應用從事工藝和材料研發所需的主要是來自國內的技術實驗室及其團隊和高校培養的碩、博士研究生等的高層次專業技術人才；支撐中游應用裝備研發所需的是設計、制造、檢測相關的機械加工制造領域的人才。支撐基礎應用需要的機械設計和制造、三維建模、模具設計等生產、服務、管理需要的一線應用人才。對比增材制造產業發展，高校應注重培養精通增材制造技術的專業人才，并以此促進專業領域技術上的創新，為各行業發展注入新的動力。

（三） 擬解決的關鍵問題

1. 在工程制圖課程內容中引入3D 打印實訓課程內容后，如何協調課時限制。

2. 3D 打印實訓課程從教學內容引入—建模軟件學習—三維模型設計—3D 打印—綜合評價整個流程的細化和延續。

3. 如何在教學方法、教學手段上切入3D 打印實訓的教學內容。

4. 3D 打印實訓課程教學軟硬件配備。

（四） 實施方案

1. 對不同專業分層次引入3D 打印實訓課程教學內容

（1）對機械類專業，以設計制造為目標設置課程內容。

（2）對非機類專業，以認知為目標設置課程內容。

2. 采用先進技術，多種教學方法結合，做到因專業而異，因內容而異，靈活教學

（1）認知型課程教學——多媒體課件和視頻。

（2）設計制造型課程教學——從產品創意設計、3D 模型到3D 打印綜合型實踐。

（3）綜合提高型課程教學——基于項目驅動和校企合作的課程應用實踐。

（五） 實施方法

1. 課時數與傳統教學內容本身已存在沖突，再增加3D 打印內容，勢必加劇這種矛盾[12]。要解決這個矛盾，需要將3D 打印教學內容實訓化，增加微課教學環節，采用“微課自學+互助合作”教學方法，教師可提前利用錄屏軟件、視頻制作軟件制作教學微視頻，內容覆蓋軟件學習、模型設計和3D 打印所涉及的所有知識點，采用多人一組團隊合作，充分利用學生的課余時間自我學習和自我探究，培養學生自主設計和主動學習能力，提高課堂效率[12]。

2. 采用以學生實踐為中心，自主活動為基礎的教學過程，大力推進教學活動由“教”向“學”再向“行”逐漸深入，通過設計與后續設計課程培養目標相一致的實踐環節，使教學內容從教學內容引入—建模軟件學習—三維模型設計—3D 打印—綜合評價逐層細化、層層延續，做到理論知識與實踐環節結合，培養學生的創新意識和創新能力，使創新教育教學落到實處。

3. 在傳統教學內容中切入3D 打印教學內容。畫法幾何部分，在比較難理解的相貫線教學中，設計打印5 種圓柱體相貫立體模型，加深課程內容的理解和實踐；機械制圖部分，引導學生設計簡單的機構，并完成設計和打印的全過程；計算機輔助設計部分，完成自主產品設計，提高三維設計和打印的應用水平。

4. 充分利用學校資源和采用校企聯合方式，解決實訓課程教學軟硬件配備問題。

四 結語

增材制造在高等教育課堂上的應用能夠架起理論知識聯系實際制造的橋梁，通過在機械工程圖學教學過程中引入基于增材制造的教學實訓，可以實現：

（一） 建立3D 建模和3D 打印的工程圖學教學理念，將先進制造技術的概念融入工程圖學的教學全過程。

（二）形成了集大綱、教材、在線課程、混合模式授課為一體3D 建模和3D 打印工程圖學教學體系。

（三）改變傳統以繪制二維工程圖為主的工程技術觀念，使學生對本課程的理解上升到生產實踐高度，達到專業知識、技術水平與創新能力的統一，提高學生的綜合素質，并以此拓寬學生的就業之路。