3D打印技術在機械制圖教學中的創新應用

梁時光 王 楠 武文博

（北京電子科技職業學院 北京 100176）

0 引言

我國已經逐步邁入智能化時代，智能化的生產模式對專業技術人員的要求在不斷的提高，與此同時也對職業教育的教學標準提出了更高的要求，因此必須進行相應的課程改革。

《機械制圖》課程是培養學生如何繪制和閱讀工程圖樣的專業基礎課程，是工科專業里一門傳統的經典的課程，作為專業入門級課程，有著其舉足輕重的地位和作用，對培養學生的工程意識和創新精神有著重要的作用。但是這種傳統課堂在面對從小生活在信息時代、網絡時代的學生來講，它的吸引力不足的現象是越來越嚴重了，我們開始將3D打印技術應用于這門傳統課程當中，以尋求更好的教學效果。

3D打印技術是一種快速成型的新技術，在二十世紀80年代就已經出現了，從開始在實驗室萌芽，到后來開始應用在醫療模型、建筑模型等行業，現在3D打印技術開始越來越靠近人們的生活，3D打印機也越來越平民化。它是以數字模型為核心，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過一層又一層的多層打印方式，來打印零部件。

將3D打印技術應用于機械制圖的教學中，旨在提升學生的數字素養，提升學生收集信息、編輯數據的能力，為學生拓寬思路，為后續的專業課程提供有力的依托和保障，做到既考慮當前的教學活動，又注重學生的未來發展。

1 機械制圖課程在傳統教學模式中存在的問題

目前學生在傳統課堂中出現的問題是很多的，由于本校專業總體設計，本門課程要求僅在一個學期內完成，出現了時間緊、任務重的難題。就課程內容而言，無論是它的投影理論，還是形體關系都是比較抽象、難于理解的，再加上學生本身的學習基礎不牢，在傳統教學模式下很多學生的學習效果很不理想。

1.1 學生難以建立空間思維

空間思維是一種思維方法，是人對空間的想象力和創造力，是一種構建二維表達和三維表現之間相互轉換的思維能力。有少數的學生在看到二維圖形的同時會快速建立其與三維立體空間的聯系，這是一種非常優秀的思維能力，但是很多學生的這種空間思維能力偏弱或者說是有待于教師通過一系列教學活動的展開來激發。

1.2 學生課堂參與程度低、積極性不高

在傳統的機械制圖課堂中，教師會借助PPT、視頻、教具等手段幫助學生建立二維圖形與三維立體之間的聯系，但是基本模式是教師講述、學生練習，學生容易形成對基本的知識層面的學習模式，這對于學習基礎好、自覺性強一些的學生當然是有利的，但是對于一些基礎不牢、學習興趣需要不斷被新事物激發的學生就可能會出現課堂參與程度低、積極性不高的現象。傳統課堂模式中，圖形和立體的轉化一般出現在人們腦海之中然后呈現在紙面上，這需要依靠學生具有較強的空間思維和表現能力，因而不能充分培養大多數學生的創新思維和工程意識，因此在這次嘗試中我們將空間思維的想象轉化為直觀的立體呈現，相信這對一些學生的學習是有幫助的。

1.3 學生對于難點的理解不到位

傳統模式下，學生對于課程中部分重點難點的理解是有困難的，比如截交線的畫法經常會讓學生感到束手無策。例如圖1所示的正六棱柱的截交線問題，通過基本體的學習，學生基本能夠繪制出正六棱柱的左視圖，但是對于其截交線的畫法通常會想的不太透徹，過去在遇到此類問題時，筆者會讓學生徒手繪制軸測圖來解決，但是部分學生對軸測圖這部分知識掌握得不夠好，所以一系列的連鎖反應導致學生的思路在這里會出現斷路現象，甚至影響之后的組合體三視圖、剖視圖、零件圖等內容的學習，很多學生甚至會出現放棄學習這門課的現象。按照學生學習需求打印出3D模型可以幫助學生建立空間思維，解決實際問題。

圖1：正六棱柱的截交線問題

圖2：學生打印的實物模型

基于以上的幾點常見的難題，我們將3D打印技術引入到機械制圖課程的教學中來。

2 基于3D打印技術的機械制圖課程改革

在課程中引入3D打印這部分內容時，要給學生充分的自主性和靈活性，這樣可以發揮學生主動創新、自主學習的意識。

2.1 結合工程設計表達競賽創設3D打印興趣小組

3D打印興趣小組建立的初期是借助競賽的力量創辦的，近年來我校學生一直參加北京市工程設計表達競賽，競賽的目的是檢驗選手繪制和閱讀工程圖的能力、設計表達能力以及徒手繪圖和計算機繪圖的能力，比賽的內容也是本門課程需要學生掌握和運用的精髓，參加比賽的過程對于學生來講是一種梳理知識和運用技能的過程。3D打印興趣小組的建立讓這部分學生能夠運用自己所學知識、利用零散的時間來進行創新設計，并且可以利用3D打印技術有效的幫助正在學習機械制圖課程中的低年級學生來解決重點難點問題。高年級的學生在興趣小組中是主導力量，在課堂中，教師也會招募一些有興趣有能力的低年級學生來參加興趣小組，實現老帶新、傳幫帶，讓學生有更多的自由發揮的空間，讓課外興趣小組成為課堂之外有效的延伸。

學生通過參加比賽、參加興趣小組可以學到很多的知識和技能，但是老師們會發現無論是學習繪制計算機二維圖還是三維圖，最關鍵最核心的都是學好機械制圖的基本理論。學生們學習軟件的能力往往強于他們學習機械制圖基本理論的能力，所以在興趣小組的任務安排中要注重對學生基礎理論的指導，軟件方面的知識可以安排學生們自主學習。

2.2 為學生進行3D打印做準備，在課堂上引入三維軟件

在課堂之外設立興趣小組的同時，在課堂中也要適時的引入三維建模的知識，一方面幫助學生在遇到重點難點問題時建立空間思維，另一方面會有效的激發學生們學習的積極性，因為現在大部分學生接觸電腦、軟件的時間較多，因而在學習繪圖軟件上他們有天然的優勢，進而就轉變了他們對這門傳統課程的看法，有效的轉化了一些學生學習時的抵觸情緒，當學生們發現這門課沒有那么枯燥乏味，離他們的生活并沒有那么遙遠時，就自然而然對課程的學習產生興趣了，也會發揮其自主學習的能力了。

例如圖3是在課堂教學中運用三維造型軟件繪制的三通實體，在學習剖視圖畫法時，教師在軟件設計環境中可以旋轉、剖切實體，或利用內窺功能讓學生弄清楚三通的內部形狀特征，尤其能夠清楚的了解內外相貫線的形成，因為相貫線對于很多學生來講一直都是難點。另外在學習裝配圖內容時可以利用軟件中爆炸圖功能，直觀的講解裝配體裝配的過程，如圖4所示合成器裝配體的爆炸視圖，能夠加深學生對各種立體、零件、裝配體空間結構及組成的理解。在課堂中運用這些素材，對學生來講非常具有視覺沖擊性，能夠吸引學生的關注，進而提高教學效果，并引發學生的自我探究式學習，當學生擁有了學習內驅力時，就會獲得意想不到的效果。

圖3：三通在內窺功能界面中

圖4：合成器裝配體的爆炸視圖

學生通過參加3D打印興趣小組可以將課上所學的三通實體先在軟件中建模，之后打印出來的，整個過程只需要老師做一下規劃和建議，老師僅僅起到了導向和監督的作用，學生們真正開始了自主學習、自主探究。這樣既鍛煉了學生的動手實操能力，又讓學生獲得了一種自信心的正向積累。

2.3 建立“深度學習”模式

當前，我國已經逐步邁進智能化時代，智能化時代生產模式在進行深刻的數字化、網絡化的變革，職業教育教學的標準體系也必須做出相應的改變。在這樣的時代背景下我們不得不思考，作為教師我們應該做出怎樣的轉變，才能適應不斷發展、不斷革新的新形勢，教育教學不可能只是刻板的知識的傳遞，它需要教師調動資源來不斷充實課程內容，開拓創新來豐富課程形式，并且充滿愛心和耐心來引導學生完成課程任務，要摒棄過去簡單的教師講、學生聽、課后練的傳統教學模式。要創設環境培養學生的創造性思維、批判性思維、合作能力和探究能力，建立“深度學習”這一模式。

我國學者郭華教授認為，所謂“深度學習”，就是指在教師引領下，學生圍繞著具有挑戰性的學習主題，全身心積極參與、體驗成功、獲得發展的有意義的學習過程。當然，在3D打印技術應用于機械制圖課程的過程中，選擇有挑戰性的學習主題、制定學習目標、設計科學的學習活動和開展持續性學習的評價顯得尤為重要。這種課程模式要求在教學過程中，教師學生共同合作建立一系列的數字素材，必要時可以用3D打印設備打印出來輔助教學活動，將機械制圖的教學形成一套可以不斷充實、不斷完善的可持續發展的生態體系。

2.4 建立多元化的教學考核評價體系

教學考核評價制度的制定是教學過程中非常重要的一個環節，這樣會使得教學活動形成一個完整閉合的正向系統，會不斷激發學生學習的積極性。教學考核評價制度應該體現多元化特征，結合過程性評價和結果評價兩種方式，并設置多項考核內容和指標，全面考核學生的綜合能力，期末考核內容主要由學習過程評價（30%）、項目實踐（20%）和理論考試（50%）3個方面所構成。

其中，考核體系的設置要遵循以下幾個原則：

（1）保證基礎知識學習的比例。設置期末考試成績占總成績比例為50%，這樣仍然強調了考核基礎知識的重要性，學生不能因為喜歡項目實踐環節而荒廢了對機械制圖基礎知識的學習，越是進行到有難度的問題中，就會發現機械制圖基礎知識的重要性。

（2）項目實踐考核設置環節分析。首先要進行三維建模的合理性分析，因為建模的方法可能不止一種，要試圖幫助學生找到相對合理的方法；其次評價實物的打印效果，同樣的建模在不同機器上打印出來的效果基本上不會差太多，唯一有差別的地方，就是機器噴絲的方式不太一樣，有的打印機在打印層之間可進行更平滑的過渡，實物打印效果也更加美觀，當然隨著技術的不斷進步打印效果會不斷優化；再有要鼓勵學生發揮想象，做出具有獨創性的作品，這對培養學生的創新精神尤為重要；最后通過學生的匯報考察學生的團隊協作能力及溝通能力。學生在進行團隊協作的過程中會學到很多超出知識層面的問題，這對學生今后的發展是相當重要的。

3 教學反思

3.1 秉持“深度學習”理念，不斷給傳統課堂注入活力

在這種深度學習模式下，學生對學習內容的理解會比較深刻，尤其是解決了真實的問題，這對學生來講是一個激勵，學生的學習投入程度、思維參與層次和個體認知體驗會不斷加強。學生可以發揮想象自由發揮，有些是與課程無關的，但是這帶給學生很大的學習興趣和動力，也給傳統課堂不斷注入活力。

3.2 課堂不能本末倒置，不能用技術的學習取代知識的學習

現在的學生從小就接觸手機電腦，他們從網絡上獲取信息的能力很強，有的學生很快就能將繪圖軟件命令學會，并且樂于學習軟件方面的知識，但是在整體教學過程中一定不能本末倒置，不能用軟件技術的學習取代制圖基礎知識的學習，學習軟件只不過是手段、方法，這門課程的首要目的是要讓學生建立空間思維。學生學習軟件的時間盡量安排在課后，課上要給學習基礎知識留有足夠的時間。學生進行3D打印的難度不宜過大，這樣會占用過多時間和精力，有能力的同學可以鼓勵其自學。

3.3 高職學生同樣要關注科技動態

課程學習的過程中會發現有些學生因為以前初高中學習經歷中的挫敗，會有一些自我否定的情緒或行為，因此在學習過程中一定要鼓勵學生對自己重新審視、重新定位，過去的失敗不代表一切，鼓勵學生在目前工業4.0智能化網絡化不斷升級的過程中，一定要緊跟時代脈搏，云計算、大數據、人工智能等新技術已將我國制造業引入了智能化時代，學好技術，著眼于未來，抓住現在才是最關鍵。

3.4 關注學生的方法能力、社會能力和專業能力的培養

我們把能力歸為三大類：專業能力、方法能力和社會能力。我們以前常見的思維是一直強調對學生專業能力的培養，但是經過一段時間的教學之后我們會發現，對學生方法能力和社會能力的培養要優先于專業能力的培養。方法能力在學生的就業尤其是未來發展中起著關鍵性作用，它包括分析能力、解決問題能力、判斷能力、抽象能力等多個維度；社會能力涉及團隊意識、寬容度、合作能力、解決沖突、責任、反饋，以及對自身和他人負責的意識。單純的注重專業能力不利于對學生核心能力的培養，將3D打印技術應用于機械制圖教學中，用任務引導學生自主學習，也是對學生方法能力、社會能力和專業能力的綜合培養。如果學生擁有了方法能力、社會能力，那么在今后的學習和工作中都會擁有主動權。在社會快速轉變的背景下，專業知識的統治地位逐漸讓位給更重要、更基本的能力，學生必須具有很強的行動能力，才能夠在當今變化迅速的勞動力市場中生存。

4 結語

學生空間思維和工程意識的提升不是一蹴而就的，是一個持續的、連貫的、層層遞進的過程，這需要教師不斷優化課程的教學設計、開展教學實踐并不斷進行反思和總結。相信通過不斷的努力，學生的綜合能力會得到不斷的提高。