3D打印在机械教学上的应用和探索
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摘 要：随着科学技术的不断进步，3D打印技术在机械教学中的价值和优势日渐提升。本文对3D打印技术做一个简单的介绍，讨论3D打印技术在机械教学上的应用和探索。我们结合机械教学中出现的实际问题，发现3D打印技术能够营造真实立体的学习环境，有助于机械专业学生综合素养的提升，激发学生的学习热情和创新能力。
关键词：3D打印技术；机械教学；创新应用；探索
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.210
1 3D打印技术的原理和特点
1.1 3D打印技术概念
3D打印技术也可称为“快速成型技术”，以计算机辅助设计软件模型为基础，运用金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印以及逐层添加材料来构造三维实物的技术。通常用的三维设计软件用的CAD软件包括SoliDWorks、Pro/E、UG、Inventor和POWERSHAPE等。3D打印技术在工业设计领域常用作模型的制作，并且随着3D打印技术的发展和国家对其的重视，在各个领域都有它的踪迹。
1.2 3D打印技术特点及优势
近年来，3D打印技术逐渐成熟，推动了机械教学的发展，极大地提高了学生的学习兴趣。在机械加工中，3D打印技术是一种无需加工的成型方式，它不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序，能够快速且精确地制造出任意复杂形状的零件。可以说它是一种新型加工方式，具有“工业革命意义的制造技术”的突破。在制造周期上，3D打印技术相比于传统的数控加工时间要短得多，极大地简化了制造过程，提高了制造效率。
2 机械教学发展现状
在机械实践教学中，模型制作课程的实验内容一般包括石膏模型制作、油泥模型制作、手板模型制作等方法[1]。我校的教学任务中也有油泥模型制作，但是这些传统的模型制作方法在效率上和技术含量上已然跟不上时代的发展。在目前的机械教学中，尽管大多数教师都是利用多媒体技术辅助课堂讲解，使用图片、视频甚至模型开展教学，但仍存在不足之处。在传统教学方式下，以课本内容为主，教师对知识进行“填鸭式”的讲解。这种千篇一律的以书面为主的“灌输式”教学，会大大降低学生学习积极性，那学生就更不愿意学习了[2]。
因此，为解决学生学习困难的问题，激发学生学习积极性，将3D打印技术引入课堂便显得十分重要。目前在教育工作者的不懈努力和探索下，3D打印机已进入校园。我国多所高校也引进了3D打印机用于帮助师生进行日常教学工作以及科研创新。3D打印技术可以将学生脑中想象的模型快速轉化成实体，加速设计制造过程。将模型打印成实物的过程，能够让物体的二维投影视图与三维立体结构相互结合，能大大提高学生学习的兴趣，从而提高学生想象力和创新设计能力，这也符合“创新教育”和“个性化教育”的理念。
3 3D打印技术在机械教学上的实际应用
将3D打印技术应用到教学实践环节，不仅能够激发学生学习兴趣，还能够对制造实物提供更多的选择[3]。为满足更高效的教学质量，我们将3D打印机主要应用在以下几个方面。
3.1 打印教学用具和开发教学模型
在机械教学中，《机械制图》被称为机械语言，扮演着至关重要的角色。在《机械制图》课程教学时，教师通常会用实物模型辅助教学，它能将物体的二维投影视图与三维立体结构相互结合，将抽象的图形实体化，以便学生能够直接的观察学习并且掌握。那么，可以使用3D打印技术打印教学模具与《机械制图》相结合，辅助教学。在教学过程中，教师会把经典的机械模型用于课堂讲解，但是传统的教学模具多为木质、铝制及钢制，这类模具制造成本高，周期长。为满足教学讲解模型的需求，学校需要投入大量的财力和物力。这时3D打印技术就能充分地发挥其作用，解决这类问题。3D打印机基本不受物体外形的限制，可以打印复杂的立体结构，就能很好地弥补教学中出现的“缺乏教学模型”的问题。图1为我们项目组打印的教具。
为激发学生学习的积极性，课堂的趣味性，在已有的教学模具中，我们对其进行改进设计，开发新型教学模具，以增强学生学习的兴趣，用于学生课后学习的思维训练。我们项目组通过调研发现，学生在上课缺乏教学用具这方面也提出了建议，因此我们就对教学用具进行改进设计。在打印教学用具的时候，如果将教学模型进行改编，就能开发出新型的教学用具。所以我们项目组就将部分模型进行分析，重新设计了一些新型教具。加上学校和老师的大力支持我们开发了许多新的模型。图2为我们改编的教学用具。
3.2 在科技比赛中的应用
3D打印技术的兴起，受到了各大学科竞赛、科技比赛的青睐。全国大学生机械创新设计大赛、高教杯全国大学生先进成图与产品信息创新建模大赛、全国大学生工程训练综合能力竞赛、大学生3D打印设计大赛等比赛中，都有3D打印技术的踪迹。这些比赛将3D打印作为比赛项目之一，发挥了3D打印技术能够将设计产品快速的实体化的作用，大大调动学生创新设计的积极性的同时，也为他们做创新项目提供了技术支持与保障。
我们在参加设计类大赛的时候，发现3D打印件不仅能够满足部分机械结构的硬度和强度，而且它能够快速成型，这就大大缩短了部分机械零件的制造时间。于是，我们在机械创新设计大赛和全国大学生工程训练综合能力竞赛的设计制作的时候都利用了3D打印技术。图3是机械创新中的应用，图4是无碳小车中的应用。
3.3 作为教学评估的工具[4]
3D打印技术在教学评价方面也有广泛的应用前景，对于我们机械专业的师生来说更加有意义。在传统的纸面测试中，将3D打印技术应用于教学评价就大不相同了。通过3D打印机，能够直接打印出学生理想作品的外观和结构，且能应用于结构装配，能够有效地考察学生的实际操作能力。此外，教师也可以跟进学生在学习中出现的问题，并及时给予修正和指导。所以非常实用于教学评估。 3.4 开设3D打印课程设计
3D打印制造技术在机械实践教学中扮演着十分重要的角色。3D打印制造技术属于快速成型技术，《快速成型技术》该课程在我校的机械教学任务中属于必修科目，它的课程设计也尤其受到重视。该课程设计是以创新设计多样化，制造成本合理化，制造周期最优化为原则，完成“基础知识—创新设计—快速成型—结果评估”[3]的设计制造过程。该课程设计主要分为三个步骤：第一步，学生完成对快速成型的知识积累。第二步，学生自行设计机械结构的三维模型，并且自行进行结构分析，看是否满足结构力学的。第三步，对自行设计的机械结构进行快速成型制造，完成从设计到制造的转化。这不仅激发了学生的创意灵感，还丰富了实践教学的内容，更为个性化的实物制作提供了便利，对培养学生的实践能力起到了很好的作用。我校开设3D打印课堂，我们也积极参与了进来。在课设过程中，我们符合教学任务，做出了相应的一些作品。在机械制造中，能够自行设计制造产品不仅是对知识的实践，更是对实践能力和工程能力的体现。图5、图6、图7为我们设计制造的实物模型。
4 3D打印技术在教学上的探索
4.1 建立一个第二课堂
所谓大学第二课堂，是指在学校教学计划之外，引导和组织学生开展的各种有教育意义的课外活动。相对于第一课堂，第二课堂是比较随意的，但是第二课堂对学生自主管理的培养，综合素质的提升有着重要的作用，这些因素将直接影响到学生的职业规划与就业选择。考虑到部分学生对3D打印技术比较感兴趣，但是他们却没有很好的学习平台。因此，我们项目组在超新泛雅网络平台开发了一个第二课堂。一方面，这能为3D打印技术做到宣传，让更多的学生了解3D打印技术及其最新变化。另一方面，构建网络服务课堂，我们能够在工作时间内在线进行实时解答，大大提高了学生学习的效率。图8、图9为第二平台的建设。
4.2 增强校企合作，以获得双赢
在许多工科院校中，企业实习是非常有必要的。3D打印技术虽然流行，但是3D打印机的价格比较昂贵，大部分学生难以接受，所以将3D打印技术引入到校企合作项目中必将成为潮流。教师、学生及企業工程师组成的创新团队发挥其主观能动性和创造性，共同完成教学、科研和对外服务的任务。这样就能够发挥校企各自的优势，创立高校与行业企业联合培养人才的新机制，大大提高了学生的就业竞争力，促进企业的科技进步，推动生产发展，提升企业的核心竞争力，从而实现互利共赢。学校为企业输送优秀的人才，企业则为学校提供一定的资金补助。建立校外实习基地也可以为学生提供良好的实践场所，同时企业也可以与学校共同研发3D打印技术，进而提高研发的效率。因此，我们可以建立和加强校企合作，以获得双赢，也能为3D打印技术的发展做点贡献。
4.3 3D打印技术与创业相结合
在新时期的教学任务中，深化创新创业思想对高质量创新教学具有重要的推动作用。对于在校学生而言，3D打印不失为一个良好的创新创业项目。3D打印能为学生提供了多种类型的就业方向，如DIY设计、教育培训、个性化产品定制等等。因此，我们项目组在创新创业这方面也进行了一些规划。我们项目组做了为期三周的市场调研，发现目前市场上用3D打印技术制作的工艺品、挂件等3D打印成品件市场前景广阔。因此，我们可以在第三方市场进行优质工艺品售卖。图10是我们做的“挪车电话”。
5 结论
培养具有创新精神和实践能力的科技人才已经成为建设创新型国家的基础[5]。将3D打印技术应用于机械教学不仅能够拓展学生的思维，还能提高学生的创造力与想象力。我们项目组经过长达一年的努力，本组学生都能将理论与实践相结合，独立操作3D打印机并且能够通过3D打印机制造个性化设计工艺品。在教学内容这一方面，也丰富了实践教学的内容，使学生无论是在课堂的教学中还是在课外的科技活动中都体现出了空前的积极性。
参考文献：
[1]束奇，刘敬，崔运静.3D打印技术在模型教学中的实践初探[J].高教书刊，2016（19）：145.
[2]班文松.3D打印技术在机械制造技术教学中的应用展望[J].时代农机，2018，45（01）：207-208.
[3]桂亮，金悦，赵卫军，郭婷，张俊.3D打印技术在创客实践教学环节中的应用[J].实验技术与管理，2016，33（10）：182.
[4]杨洁，刘瑞儒，霍惠芳.3D打印在教育中的创新应用[J].中国医学教育技术，2014，28（01）：12.
[5]李兆陇，阴金香，麻英等.构建化学实验平台，促进研究型人才培养[J].实验技术与管理，2006，23（04）：7-9.
基金项目：省级大学生创新创业训练项目“基于3D打印机在教学上的二次开发”（编号：201811927030）。
*为通讯作者
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