“計算機輔助設計”與3D打印相融合的創新教學方法研究＊

劉煒，李彪

(江蘇科技大學能源與動力學院，江蘇 鎮江 212100)

0 引言

“計算機輔助設計”是輪機工程專業的專業基礎課程，區別于一般的機械類專業，該課程在前期教學中已經由單純講述軟件的使用及操作，如AutoCAD、SolidWorks等，變為進行虛擬設計，使用的軟件也不是單獨一種，而是幾種軟件的綜合。學生在學習過程中更偏重使用技巧的訓練，如畫好一個較為復雜的零件是長期以來教學中的重點，而對課程與專業如何更好地結合考慮較少。這會帶來一些問題，如畢業生去船廠工作，會發現找不到很好的支撐點。輪機工程專業既要重視設計，又不能教條。教學團隊梳理了現存問題，主要包括：①課程原教學方式以操作訓練為主，沒有激發學生創新思維；②課程原教學內容多以軟件為主，對前期所學課程融會貫通的效果不佳。如果想讓專業學生在高等級學科競賽或知識產權等方面獲得進步，必須對輪機工程專業“計算機輔助設計”課程進行教學改革。

國內外3D 打印服務于教育的應用研究現在已經在開展。云南農業大學做了基于3D 打印技術的機械類課程教學改革[1]，使學生更好地掌握復雜工件的畫法和特點，掌握零配件設計的要領。太原科技大學開展了3D 打印與機械類專業教學相融合的研究[2]。北京農業職業學院開設了“數字化設計與3D 打印”的第二課堂，來提升學生的專業興趣[3]。南通理工學院開設了“3D打印技術理論與實踐”公共選修課，為學生普及3D打印知識，拓寬學生的知識面[4]。

3D 打印技術是快速成形技術的一種，使用塑料、粉末狀金屬等粘合材料來逐層構造物體。桌面級3D打印機已經被廣泛使用，它有著方便、小巧等優點，操作簡單化[5]。本課題所用3D 打印機為Ultimaker 打印機，配合Ultimaker cura軟件使用，如圖1所示。

圖1 Ultimaker打印機及軟件

Ultimaker cura 是一款3D 打印軟件，與CAD 軟件集成以簡化工作流程，或進入自定義設置進行深度控制。Cura 的核心是功能強大的開源切片引擎，可以通過stl 格式文件與Solidworks、AutoDesk Inventor 等軟件進行交互。切片的過程就是對模型的分析過程，可以判斷模型是否適應當前3D 打印機的打印工作。學生設計的零件或者管路模型，都能夠通過格式轉換為stl文件，由cura軟件打開，進行切片分析并打印。

1 教學內容的改進

針對本課程偏重技巧訓練而與專業結合不好的問題，在課程內容設置時，除軟件操作外，新增輪機專業設備與管路系統設計的內容，擴展了課程教學的外延。學生在課堂學習的基礎上，課后也會花時間鉆研增加的學習內容。設備結構的展現、了解、熟悉和掌握，可以初步的聯系前期所學課程，如“傳熱學”，“流體力學”、“船舶輔機”等。部分船舶管路系統的引入，提升了虛擬設計的完整性，并且以船體為背景，可以提升學生對船舶整體的認知。

增加3D 打印環節，課堂課后作業，同時鼓勵學生通過對設備的研究，自主繪制設備零部件，繪制輪機系統組成管路，在參考原有設計的基礎上，鼓勵學生綜合所學知識進行改進設計，選擇其中優秀的予以打印。

2 教學方法的改進

利用項目驅動教學法和翻轉課堂，項目教學法是在建構主義指導下，通過實施一系列完整的教學項目，將理論和實踐有機地結合。項目教學法與傳統教學教師為主導按教學內容組織教學相對，是以學生為主體、項目為載體實施教學，其強調學生自主學習。翻轉課堂，指依托于現代信息技術，重新規劃課堂內外時間和安排教學內容，將學習的決定權從教師轉移給學生，以學生學習為核心、教師傳授為輔助的新教學模式[6]。

按照輪機工程專業所涉及的項目的討論—設計—3D打印流程，在其中引入教師科研環節中用到的船舶設備改進方案和系統設計圖紙，進行產—學—研—教學等活動的結合。將科研與教學相結合，科研項目中的一部分知識結合教學，使得學生能夠明白正在進行的教學活動與未來自己的研究工作息息相關，提高了學生的認識，從而使學生的主動性得以激發，在接下來的翻轉課堂中，教師基本不用引導，學生會自主的通過討論將設計結果提出，并且爭先恐后地解說自己小組的設計。

教學組織環節，在設備零件虛擬設計或者船舶管路系統設計教學階段，將學生分為多個小組，對設備零件或者管路系統的設計進行討論，教師采用啟發式教學，對原有設計提出修改意見，讓學生分組討論是否可行，各小組可以將設計的結果，提交給教師，進行3D 打印，然后基于打印出來的模型，對比討論各組設計的優缺點，從而激發學生鉆研和探索的興趣。零件作品如圖2，圖3所示。

圖2 螺旋槳葉片模型與3D打印結果

圖3 機械零件模型與3D打印結果

輪機工程專業學生的培養未來的工作方向在于船舶輪機系統建造，“計算機輔助設計”不能僅僅局限于訓練軟件畫圖技巧，而需要開拓學生思維，對所學知識進行融會貫通。

3 教學實例——輪機管路系統的討論、設計與3D打印

分油機周圍的管路一向以復雜著稱，教學中將這一題目分組設計，按照流體管網設計要求進行討論，結合管路布置工藝合理性要求，各小組提交管路設計，再進行綜合討論，選出沿程阻力損失小，工藝合理并且美觀的管路設計進行3D打印，結果如圖4所示。

圖4 分油機管路設計3D打印結果

通過教學環節，將翻轉課堂理念貫穿學生討論、設計和3D 打印的全過程，學生主動性大大提高，改變了被動學習的習慣。

4 教學效果與評價

經過2020 年與2021 年輪機工程專業兩屆大三學生參與的“計算機輔助設計”教學改革，結果證明，與3D打印相融合的課程教學效果良好。首先，課程的平均成績明顯提高，優良率兩年都保持在55%，其次，專業學生參與科技競賽的熱情與參與度不斷提升，兩個年度共獲得省級以上科技競賽獎勵55項，其中與計算機輔助設計相關獎項21 項，較前一年度有了明顯提高；多人次參與撰寫申報發明專利，并獲得授權發明專利二項；此外輪機專業學生從事專業技術類工作的比例不斷提高，20，21 年畢業生從事專業技術工作接近100%，效果顯著。

5 結束語

“計算機輔助設計”與3D 打印相融合的輪機工程專業課程體系改革逐漸起步，將3D 打印融入輪機專業課程體系，不僅能培養學生的動手實踐能力和創新意識，而且能為學校本科教育增加創新思維，教學組織形式多樣化，對本科生培養手段的增加具有重要意義。

將3D 打印應用用到“計算機輔助設計”教學中，學生可直接通過3D 打印機完成計算機輔助設計和制造的全部過程，對于設備相關課程“船舶輔機”、“船舶柴油機”，“流體力學”和“傳熱學”等專業課和專業基礎課增加了理解，又能體驗新生事物帶來的樂趣，3D 打印既操作簡單安全，又趣味性十足，學生可以按照自己的設計打印出結構復雜的作品，并且可以隨時調整和更改設計，過程中有討論，也有爭辯，激發學生的創造力，提升團隊合作能力，并提高學習興趣。

3D打印技術包含很多學科的交叉知識，涉及設備運行調試學科，材料學科、金屬加工學科、自動化控制學科，三維實測學科等。這些領域對于輪機專業學生是較為陌生的學科領域，接觸的過程中，開拓了學生的視野，吸引了學生的注意力，學有余力的學生會將精力投入其中，進行科學研究。