3D打印技術(shù)在汽車(chē)電器教學(xué)中的應(yīng)用

蔡小妹

摘 要：3D打印技術(shù)作為傳統(tǒng)制造工業(yè)中新出現(xiàn)的一種加工方式，在社會(huì)各行各業(yè)得到了大力的推廣和應(yīng)用。將其應(yīng)用于中等職業(yè)學(xué)校交通運(yùn)輸類(lèi)汽車(chē)應(yīng)用與維修專(zhuān)業(yè)汽車(chē)電器的教學(xué)過(guò)程中，可以很大程度地改變現(xiàn)有專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容枯燥、缺乏創(chuàng)新和應(yīng)用性的現(xiàn)狀，使學(xué)生在實(shí)體模型的幫助下更好地理解和掌握教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的汽車(chē)電器教學(xué)是將理論知識(shí)與實(shí)訓(xùn)操作分開(kāi)上課，而今，教師可以借助3D打印技術(shù)的3D打印模型輔助汽車(chē)電器課堂，讓學(xué)生更為透徹地掌握所學(xué)知識(shí)，并加以應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù);汽車(chē)電器教學(xué);教具

汽車(chē)電器是一門(mén)理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的課程。汽車(chē)電器課程理論講解部分應(yīng)該在實(shí)操中得到體現(xiàn)，以達(dá)到預(yù)期的效果。也就是說(shuō)，學(xué)生應(yīng)該實(shí)際安裝和操作汽車(chē)電器零部件。這就要求學(xué)校實(shí)訓(xùn)室建設(shè)中購(gòu)買(mǎi)相關(guān)的教學(xué)設(shè)備或帶學(xué)生到本專(zhuān)業(yè)相關(guān)企業(yè)進(jìn)行頂崗實(shí)習(xí)。在教學(xué)中，這樣做雖然可以讓學(xué)生人人動(dòng)手，但是會(huì)造成教學(xué)成本的提高和人事管理的麻煩。怎樣處理好汽車(chē)電器教學(xué)中教與學(xué)的對(duì)立統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源利用的最大化？日新月異的科技發(fā)展似乎給我們帶來(lái)了解決途徑。

一、中等職業(yè)學(xué)校汽車(chē)電器教學(xué)現(xiàn)狀

汽車(chē)電器課程是中等職業(yè)學(xué)校交通運(yùn)輸類(lèi)專(zhuān)業(yè)的核心課程之一，主要內(nèi)容是汽車(chē)電器設(shè)備的構(gòu)造、原理及其維護(hù)、維修等相關(guān)知識(shí)，具有較強(qiáng)的理論性以及實(shí)操性。現(xiàn)在的中等職業(yè)學(xué)校汽車(chē)電器專(zhuān)業(yè)課程的教學(xué)較為注重理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，如工作原理的理論學(xué)習(xí)，而往往忽略實(shí)訓(xùn)操作的重要性，導(dǎo)致學(xué)生動(dòng)手能力差、故障判斷不明確等問(wèn)題，主要原因是汽車(chē)電器的教具選擇不恰當(dāng)。汽車(chē)電器專(zhuān)業(yè)教師大多會(huì)選擇利用教具進(jìn)行講解、示范和案例展示，這類(lèi)的教具大多是汽車(chē)零部件1∶1制作而成或者汽車(chē)拆下的零部件，此類(lèi)教學(xué)用具既重，安裝拆卸又煩瑣，很難真正引起學(xué)生興趣，也很難保障學(xué)生掌握汽車(chē)零部件之間的傳動(dòng)與工作原理，更難以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維和能力。

二、認(rèn)識(shí)3D打印技術(shù)

在工業(yè)4.0的發(fā)展浪潮中，工業(yè)機(jī)器人、3D打印、云計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等正在各行各業(yè)迅速發(fā)展，熠熠生輝。3D打印作為一項(xiàng)新興技術(shù)，在中國(guó)和工業(yè)4.0的發(fā)展規(guī)劃中發(fā)揮著重要作用。那么，3D打印可以應(yīng)用于哪些領(lǐng)域？3D打印又能用來(lái)做什么呢？3D打印走向職業(yè)教育，現(xiàn)代技術(shù)的更新速度快，教學(xué)中使用教具的選擇，傳統(tǒng)的模具教具一批一批地采購(gòu)，造成教學(xué)資源的浪費(fèi)。現(xiàn)如今，教學(xué)中可以借助3D打印技術(shù)來(lái)優(yōu)化教學(xué)流程，從而達(dá)到理實(shí)一體化教學(xué)的目的。

3D打印技術(shù)是一種增材制造技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)減材制造與等材制造，增材制造是一種“自下而上”材料堆加的制造工藝。它能夠基于逐層打印方式，依托數(shù)字模型文件和粉末材料，快速構(gòu)造物體，將三維設(shè)計(jì)圖紙以實(shí)體物品的方式呈現(xiàn)出來(lái)。在應(yīng)用該技術(shù)時(shí)，必須以3D打印機(jī)為載體。具體成型過(guò)程如下：首先通過(guò)計(jì)算機(jī)3D軟件建模，或?qū)ΜF(xiàn)有物體進(jìn)行全面掃描，然后將構(gòu)建好的3D模型分層切片，最后指導(dǎo)3D打印機(jī)用打印材料逐層打印，層疊形成3D零件。

（一）3D打印技術(shù)的類(lèi)型

隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)打印材料、成型方式的不同，劃分出了很多不同的技術(shù)類(lèi)型。如材料擠出型、光固化型、粉末床融合型。學(xué)校用的桌面機(jī)大部分采用的是材料擠出型（FDM），是將熱熔性材料加熱融化呈半流體狀態(tài)（塑料、樹(shù)脂、尼龍、蠟等），通過(guò)擠壓從噴嘴擠出，噴頭按照預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)，被擠出的材料瞬間冷卻成型。主要的耗材就是熱熔性塑料，比如PLA、ABS之類(lèi)的。

（二）3D打印技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)

在汽車(chē)生產(chǎn)過(guò)程中，零件種類(lèi)繁多，每個(gè)零件的生產(chǎn)周期和成本是汽車(chē)生產(chǎn)過(guò)程中需要嚴(yán)格控制的參數(shù)。為了縮短汽車(chē)研發(fā)和生產(chǎn)周期，3D打印技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域的引入和汽車(chē)零部件的快速生產(chǎn)，可以大大提高零部件的生產(chǎn)效率，同時(shí)也可以大大提高汽車(chē)零部件的整體生產(chǎn)質(zhì)量，從而降低汽車(chē)零部件的制造成本。此外，在汽車(chē)零部件生產(chǎn)中使用3D打印技術(shù)，可以及時(shí)調(diào)整汽車(chē)零部件研發(fā)中的細(xì)微偏差，快速確認(rèn)汽車(chē)零部件的工作原理和可行性，從而有效縮短汽車(chē)零部件的開(kāi)發(fā)周期。同時(shí)，如果采用3D打印技術(shù)制作汽車(chē)模具，能夠加工出復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模具，可以有效縮短制造時(shí)間，更好地加強(qiáng)對(duì)制造精度的控制，從而有效提高模具的使用壽命。

三、3D打印技術(shù)在中職汽車(chē)電器教學(xué)中的應(yīng)用

在汽車(chē)電器的教學(xué)中，我們常常使用汽車(chē)上面的配件來(lái)現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)，但是對(duì)于單個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，學(xué)生是很難全看到內(nèi)部構(gòu)造的。通過(guò)引入3D打印課程，可讓學(xué)生在做中學(xué)，學(xué)中做。中等職業(yè)學(xué)校汽車(chē)電器的理論課堂如果靈活運(yùn)用3D打印技術(shù)可以對(duì)整體教學(xué)有明顯的促進(jìn)作用。首先3D打印技術(shù)是較為新穎的先進(jìn)科技，學(xué)生對(duì)新穎的先進(jìn)技術(shù)和新鮮事物保有強(qiáng)烈的好奇心、較高的學(xué)習(xí)興趣。在傳統(tǒng)中職汽車(chē)電器理論教學(xué)中采用傳輸式教學(xué)，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新性思維都有一定的制約。3D打印技術(shù)讓學(xué)生用眼睛就可以觀察到汽車(chē)零部件快速成型的過(guò)程，并將所出的零部件組裝起來(lái)，引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和實(shí)際動(dòng)手操作的興趣。

（一）基于課堂教學(xué)需要的3D教具制作

對(duì)于規(guī)則的汽車(chē)電器零部件，采用三維建模軟件3DsMAX、PRO/E、UG等進(jìn)行建模，對(duì)于不規(guī)則的復(fù)雜曲面的汽車(chē)電器零部件，則采用手持三維掃描儀進(jìn)行建模。在中職汽車(chē)電器教學(xué)當(dāng)中融入3D打印技術(shù)，將汽車(chē)電器里面的構(gòu)造通過(guò)3D打印技術(shù)制作出來(lái)（如圖1）。以行星齒輪的教具設(shè)計(jì)為例。在整個(gè)教具制作過(guò)程中，學(xué)生以小組為單位，互相配合，共同制作教具。首先，利用三維建模軟件建模行星齒輪的3D模型圖和裝配圖（如圖2）。接著，利用切片軟件將行星齒輪的3D模型轉(zhuǎn)換為3D打印設(shè)備可以識(shí)別的文件，以STL格式輸出。最后，STL格式的文件導(dǎo)入3D打印機(jī)桌面機(jī)進(jìn)行打印（如圖3）。學(xué)生在建模過(guò)程中建成的三維模型圖及其STL文件要先發(fā)給教師審核，審核通過(guò)才能導(dǎo)入3D打印機(jī)出成品，否則會(huì)造成成品成為報(bào)廢品，從而造成3D打印的原材料浪費(fèi)。另外，成品出來(lái)后會(huì)有毛刺，需要利用工具輕微打磨作品，最終出成品。

（二）創(chuàng)建提高課堂教學(xué)效果的3D打印技術(shù)應(yīng)用的教學(xué)模式

通過(guò)自制教具的課堂效果，可以發(fā)現(xiàn)，相比之前教學(xué)時(shí)對(duì)著PPT授課，利用仿真軟件或拆卸下來(lái)的教具，學(xué)生上課的學(xué)習(xí)興趣更濃厚，通過(guò)制作教具的過(guò)程，學(xué)生了解了汽車(chē)電器零部件之間的結(jié)構(gòu)連接。采用自制教具的教學(xué)可以化學(xué)生的被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)汽車(chē)電器的興趣，真正讓學(xué)生喜歡上課。用3D打印自制教具，不僅可以豐富教學(xué)手段，引起學(xué)生興趣，更能夠?yàn)閷W(xué)生提供實(shí)踐仿真的教學(xué)平臺(tái)與教學(xué)用具，讓學(xué)生的理論學(xué)習(xí)在實(shí)踐中得到切實(shí)鍛煉。基于這種技術(shù)，教師可以更加直觀而具體地展現(xiàn)汽車(chē)電器的零部件，利用可視化方法幫助學(xué)生準(zhǔn)確理解汽車(chē)電器的工作原理和結(jié)構(gòu)，為提升中職汽修專(zhuān)業(yè)的電器學(xué)習(xí)成效奠定基礎(chǔ)。

為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，發(fā)揮學(xué)生自制教具的主觀能動(dòng)性，同時(shí)可以提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐水平，學(xué)校可以在某些工科類(lèi)的專(zhuān)業(yè)課程，如機(jī)械制圖、建筑制圖等專(zhuān)業(yè)中開(kāi)設(shè)3D打印課程，結(jié)合制圖軟件自制教具，讓學(xué)生在做中學(xué)、學(xué)中做。另外，學(xué)校可以在工科專(zhuān)業(yè)中定期舉辦3D打印相關(guān)比賽，學(xué)生利用課余時(shí)間，設(shè)計(jì)本專(zhuān)業(yè)的教學(xué)用具三維模型圖以及STL文件，經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)教師的確認(rèn)出圖，導(dǎo)入3D打印桌面機(jī)出成品。3D打印教具具有輕量化，在教學(xué)實(shí)訓(xùn)過(guò)程中能起到較大的促進(jìn)作用。在教學(xué)過(guò)程中，我們常常使用從汽車(chē)零部件拆下來(lái)的汽車(chē)部件，這些教具比較笨重，而且容易造成上課安全隱患，簡(jiǎn)單的3D打印設(shè)備可以將復(fù)雜的汽車(chē)零部件零散化以及輕量化，便于教學(xué)。在自制教具的過(guò)程中，學(xué)生產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)效果比傳統(tǒng)教學(xué)效果更好。

四、結(jié)語(yǔ)

3D打印自制教具可以在某些工科專(zhuān)業(yè)推廣，彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)利用現(xiàn)有教具以及仿真軟件進(jìn)行教學(xué)的不足，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作和創(chuàng)新能力。在課堂中，讓學(xué)生制作簡(jiǎn)易教具，通過(guò)制作過(guò)程，學(xué)生更容易理解和掌握教具的結(jié)構(gòu)以及原理，知識(shí)點(diǎn)變得更加立體，改變傳統(tǒng)教學(xué)中學(xué)生互動(dòng)少且少部分學(xué)生學(xué)習(xí)的局面，讓整個(gè)教學(xué)過(guò)程顯得富有生機(jī)，理論與實(shí)操并存，學(xué)生產(chǎn)生更加濃厚的學(xué)習(xí)興趣。在未來(lái)的汽車(chē)電器教學(xué)中，應(yīng)全面思考教學(xué)設(shè)計(jì)，引入新的教學(xué)方法，運(yùn)用新的教學(xué)技術(shù)。

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注：本文系廈門(mén)市教育信息技術(shù)研究2021年度課題“數(shù)據(jù)支持下的以學(xué)習(xí)者為中心的中職教學(xué)研究”（課題批準(zhǔn)號(hào)：XMKT2103）的研究成果。