结合3D打印技术的机械三维CAD课程教学改革探索

王睿鹏+耿桂宏+张书杰+刘萍华

摘要：兴趣是学习的原动力，没有兴趣的学习过程是消极的、是事倍功半的。如何调动学生的学习兴趣是一个永恒的教育命题，本文结合3D打印技术在机械三维CAD课程中的应用，探讨以自主设计作品为核心的兴趣驱动教学改革实施方法及教学效果。

关键词：机械三维CAD；3D打印；兴趣；教学改革

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）33-0147-02

对于任何一门课程来说，都有其自身的特殊性，在讲课过程中都有与之相适应的教学方式，这是矛盾特殊性规律所决定的。然而我们既要认识到矛盾的特殊性，还要从矛盾的特殊性中发现其所呈现出的普遍性。在教学活动中所呈现出的矛盾普遍性就是不论什么样的课程、什么样的学生，在教学过程中都要想方设法的去培养学生对所学课程的兴趣。从心理学规律来看，兴趣是做好一切事情的动力源泉。

3D打印技术由于其独特的成型原理与技术，使得原来不可能在实验室制作的各种产品与模型，从而得以制作实现。为学生建构工程设计、生产情景创造了便利条件，极大地提高了学生的学习兴趣。

1 3D打印技术概述

1.1 3D打印的成型原理

3D打印学名为增材制造，增材制造的成型方法门类众多，目前应用最广泛的技术为FDM技术。FDM技术是将待成形件的三维模型沿某个坐标轴方向（一般为Z轴）进行分层切片，然后将ABS材料或PLA材料熔融后将每一层铺出，将所有层堆积出来，就形成了需要的成型品。

1.2 3D打印工作流程

3D打印工作流程如图1所示，首先要用三维设计软件（UG、Solidworks、CATIA等）进行零件的三维建模，然后将三维模型存储为STL文件格式，再使用切片软件对三维模型进行分层处理，最后将分层处理后的数据模型存储为打印文件，由3D打印机完成打印任务。

2 机械三维CAD课程的教学现状

《机械三维CAD》课程是我校新版培养方案中材料成型专业的核心基础课，在整个人才培养体系中占有举足轻重的地位，如图2所示。一方面它是冲压模设计、注塑模设计等后续设计类课程的基础，学生如果要做设计，必须要掌握一种三维设计工具。三维CAD是设计思想的载体，就如同纸张、尺子与铅笔一样，有了思想，必须用合适的“载体”把它给展现出来。而且机械三维CAD现在已经在装备制造业中得到了广泛的使用，必将是未来的主流设计工具。学生如果在就业前，不能够掌握一种机械三维CAD软件，是不能够胜任工程师就业岗位的。更毋庸去谈什么卓越工程师计划，学校培养人才与社会契合度问题了。另一方面，机械三维CAD软件是热处理有限元分析、铸造过程有限元分析、焊接有限元分析、注塑模流分析、冲压变形分析等CAE辅助工程分析软件的前处理基础。由于目前企业逐渐地认识到计算机辅助工程分析软件对降低企业成本、提高企业产品设计创新力所产生的巨大推动作业。故掌握计算机辅助工程分析软件对材料成型专业学生在就业竞争力方面将起到巨大的提升。而机械三维CAD则是计算机辅助工程分析的基础，该课程的学习状况将对后续辅助工程分析软件的学习效果产生影响。

理论源于实践，指导实践并受实践的检验，这是指导理论教学与动手实践的辩证法关系。机械三维CAD课程的讲授方法，目前主要是学生在课堂接受教师点对面式的理论传授，教师把这些知识用自己理解并于语言媒介传授給学生，但是学生之间是有差异的，每个学生的知识架构是不一样的，每个学生的语言理解水平也是不一样的，这样一来，对于知识的接受程度肯定是不一样的。由于很少有实践动手环节来验证并通过实践动手环节来修正自己对知识的理解偏颇。学生感觉学不懂、知识枯燥乏味，产生了知识无用论的想法。

针对上述的问题，我们在教学过程中想尽办法来解决学生学习积极性不高的问题。例如，让学生自己选择自己感兴趣的主题来设计作品、并模拟产品发布会的形式，让学生展示自我能力。客观地来说，虽然对学生的学习积极性起到了一定促进作用，但是距离大面积、广泛的收益范围来说，还有很漫长的路要走。

3 以3D打印为兴趣驱动的课程教学模式

在以3D打印为兴趣驱动的课程教学模式中，3D打印为建构学习环境的技术实现手段，兴趣的激发是最终目的。著名教育学家赫尔巴特认为教学过程就是兴趣培养的过程，兴趣即是教学的目的，又反过来对教学过程起到催化剂的作用，对提高教育质量起到积极的推动作用。

心理学界普遍认为，兴趣分为个人兴趣与情景兴趣，个人兴趣是一种较为稳固的个体倾向，而情景兴趣则是对外界状态环境的一种心理应激反应。情景兴趣包含兴趣诱发和兴趣保持两个阶段，我们所说的培养学生的学习兴趣就是要建构合适的情景环境在兴趣诱发阶段激发对所学知识的学习兴趣，并延长兴趣保持阶段的持续作用时间，促使短暂的情景兴趣转化为稳定的个人兴趣。

传统的《机械三维CAD》课程是通过老师的讲解，使学生熟悉Sollidworks等三维设计软件的使用操作技能，能够使抽象的产品立体模型通过三维设计软件的建模，形象地展现给信息传播的客体。但学生在学习过程中感触不到设计的快乐，总是感觉到是在“纸上谈兵”，缺乏将图纸转变为实物的“画龙点睛之笔”。如果用传统的制造技术手段去将学生的图纸加工制造成产品，不论是从成本投入还是生产周期来说，都不大可能实现。但是，3D打印的出现，使得学生的设计作品可以一种低成本、快捷的方式得以实现。学生在将自己的设计作品逐步变成现实的过程中得到了极大的成就满足感，极大地激发了学生的学习兴趣。具体来说，采用了一下的途径。

3.1 以设计作品的驱动的拉式教学法

在基本理论和操作技能学习的基础上，提前告知大家最终的课业评价占分比，设计作品将会占总成绩的50%。最终每个同学在学期末要提交自己独立完成的设计作品，设计作品需要用3D打印机打印实现，并准备答辩PPT，模拟产品发布会的模式，向大家发布自己的设计缘由、思路以及实现途径。设计作品题目，老师不予命题，由学生根据自己兴趣自由选题，充分发挥设计者的空间想象力，激发出更多创作源泉与思想火花。学生在设计过程中，碰到不懂的问题，积极地去搜集各种资料进行自学，或与同学之间进行讨论交流，或向老师求教，转变了学习作风，变被动学习为主动学习。

3.2 以赛促学

学科竞赛对课程的建设具有积极的推动作用，一方面学生具有较强的争取荣誉的欲望，另一方面竞赛又对课程建设具有拔高的作用。通过机械三维CAD的教学，在学院层面组织了2届三维设计创意大赛，并从中选拔了若干优秀的同学，积极准备竞赛，同学们在获得宁夏赛区二等奖的同时，于2015年12月4日赴常州参加全国比赛，并获得全国3D打印一等奖的佳绩。

3.3 专业认证获得社会认可

我校拥有Solidworks公司CSWA证书的授权考试基地，在完成每学期的课程教学后，将为学生组织CSWA认证考试，目前已举办了2届CSWA认证考试。，CSWA考试的通过率稳步上升。第一届CSWA认证考试，41名同学报名参加，最终10名同学获得CSWA认证证书；第二届CSWA认证考试，44名同学参加，21名同学获得CSWA认证证书。总结来看，应该是学生学习有了确定的目标，有了目标的学习效果，自然是不言而喻的。而且通过国际认证考试，对学生的自信心及学习激励效用都有极大的推动作用。

4 结语

通过实施以3D打印为兴趣驱动的课程教学模式改革，极大地提高了学生的学习积极性，真正做到了学生的主动学习，学生的设计作品涌现出了一大批的优秀作品，极大的迸发出了创作的激情与思维的火花，将枯燥乏味的教室变成了激情四射的创客工作室。同时，这种教学模式还向《机械设计基础》、《模具设计》等专业课进行了辐射。教学改革的成果不仅能提高学生的各方面能力，而且也将为社会输送更多、更优秀的复合型工科人才。

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