3D打印技术在基础力学课程教学中的应用探讨

李定玉 王如转 郑恒伟 陈小亮 陈世嵬

摘要：从应用型本科院校人才培养的需求出发，以及笔者实际力学课程教学体会，讨论了目前力学基础课程教学现状问题，以及新兴3D打印技术在基础力学课程中运用的可行性与教学效果预期。

关键词：应用型本科；3D打印；力学课程；教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）27-0197-02

一、引言

理论力学、材料力学、工程力学等是工科专业学生必修的工程技術基础课程，是专业课与基础课之间的桥梁，学生专业后续多门课程，比如机械原理、结构力学、钢结构等都需要这些基础力学课程作为基础知识储备，同时力学基础课程对学生的逻辑思维、分析能力和解决工程实际问题能力也有着至关重要的作用[1]。然而，力学课程知识体系本身就决定了其理论性极强，包含着大量的抽象力学概念和烦琐的公式，并且逻辑严密，对学生的数学和物理基础要求较高。但是应用型本科院校的学生相对研究型大学的学生，其数学和物理基础相对比较薄弱，造成学生普遍反映力学基础课程极难；同时课程教学过程及方法与工程应用脱节严重，学生容易感到枯燥无味并且厌学，无法达到有效的应用型人才培养目标。因此，本文基于应用型本科院校人才培养以及目前绝大部分高校力学课程教学现状，简单地分析目前基础力学课程在教学过程存在的问题以及3D打印技术在基础力学课程中的应用前景和可行性。

二、目前基础力学课程主要存在的问题

1.教材内容落后，课程结构单一。基础力学课程在应用型本科专业人才培养中占据着十分重要的地位，但是市面上的教材的编写特点和内容设置绝大部分都是偏向研究型、综合型的工科大学的学生。即使有些教材声称自己是所谓的面向应用型本科院校学生编写的教材，但是其内容结构、知识点分布、例题的来源和课后习题的设置与工程案例实际严重脱节。这与偏重理论知识的面向研究型大学学生的教材无异，毫无新意可言，基本上是二三十年前的老内容，没有与时俱进。同时，目前基础力学课程主要以理论讲授为主，辅以简单的力学基础实验（主要为验证性实验，无设计性），课程结构单一，无法满足培养学生的力学知识在工程中的实际运用能力的要求，更无法满足应用型人才侧重于理论与工程实际运用相结合，培养分析、解决问题的能力的要求。

2.教学方法陈旧。目前针对各个专业的基础力学课程——理论力学、材料力学、工程力学等，主要采用的教学方法依然是传统的“PPT+黑板”。在总学时日渐减少，单位学时课程信息量必然需要增加的大趋势下，依然采用一遍又一遍地理论推导和讲解与工程实际差距极大的例题，这显然无法让学生积极地参与到教学活动中，只是被动地接受，与一直被抨击的“填鸭式”教学并无二意。并且教学效果不尽如人意，考试挂科率历年高居不下，学生谈力学课程如畏虎；同时教学效果对教师的个人演讲与口才、个人人格魅力依赖严重，即对教师个人要求极高。因此，采用陈旧的教学方法会导致培养学生的方向与企业需要的力学概念清晰、能应用力学理论知识解决实际工程问题的人才需求目标严重偏离。从而造成学生理论基础知识不扎实的同时解决工程实际问题的能力也十分欠缺，更谈不上创新能力，严重阻碍了学生的就业以及职业发展。

3.课程实践、实验环节与工程实际应用脱节。当前基础力学课程基本没有设置课程实践（设计）内容，已有的实验环节中实验内容单一、老套，比如材料力学和工程力学实验基本是以下几个简单实验：（1）低碳钢和铸铁的拉压实验；（2）低碳钢弹性模量的测量；（3）低碳钢和铸铁的扭转实验；（4）简支梁弯曲实验；（5）弯扭组合变形实验。这些实验都是对教材理论内容的验证，但基本无法体现力学知识在工程中的实际运用。而理论力学绝大部分高校更是没有设置相应的实验课，连最基本的机构观察实验也取消了。因此，基础力学课程在既没有课程实践（设计）和应用型实验的情况下根本无法达到让学生具备运用理论知识解决工程实际问题的应用型人才培养目标。

综上所述，目前基础力学课程教学内容落后、教学方法陈旧、课程实践环节缺乏并且实验与工程实际运用严重脱节，无法满足应用型本科院校的人才培养的需求。因此亟须对现有的教学内容、方法、课程环节设置进行变革，以提高学生的学习积极性和教学过程的参与程度，改变以“教师为主”的教学模式，提高教学效率和效果。

三、3D打印技术在力学课程教学中的可行性与优势

随着3D打印技术的高速发展，其在制造、教育、建筑设计、医疗、航空航天、文化创意等领域都得到广泛的应用[2-3]。源于案例的实体模型的建立对基础力学课程中抽象复杂概念学习、理解和运用都起到十分重要的作用[4-5]。3D打印技术能根据教学内容、知识要点灵活地制作相应一定比例的工程实际模型，能将抽象的概念、二维简化图像变成三维的实物可观察并且可触碰，这对于学生的思维是一种释放，使其更容易集中精力到老师所讲授的知识要点上，理解知识点在实际工程中的运用，同时也激发了学生的学习兴趣和创造力。同时，利用3D打印技术可以灵活按比例制造出各个专业在实际工程中所可能面临的经典结构模型，从中取提炼出相应章节的力学问题，并引导学生使用力学知识去解决问题，是真正贴近实际工程的案例教学。因此，将3D打印技术融入基础力学课程教学中，可大大提高力学课程教学的趣味性、实用性和对学生的吸引力；并且与应用型人才的培养目标能达到真正融合，具有很强的实际意义和可操作性。

同时将3D打印技术引入到基础力学课程教学中，可以解决目前基础力学课程教学内容陈旧、与实际工程应用严重脱节，学生积极性差、教学过程参与程度低的问题，是真正的理论与实际工程运用相结合的、“以学生为主”的、符合应用型人才培养目标的教学道路。特别是使用3D打印技术根据知识要点，灵活打印相应的实体三维教具，使得力学基本概念、基本定理可视化、可触化。提高学生的学习兴趣，深化对基本概念、定理的理解，同时三维实体教具更能体现实际工程案例，让学生更好地理解如何从工程实例简化到力学理论模型，并用力学知识去解决实际问题。而对于应用性较强的知识点与章节，将工程实际问题通过3D打印技术按照比例需求灵活制作出相应模型，真正形成工程案例教学的教学体系，避开枯燥无聊的例题和课后习题，实现真正的“边用边学”，学习完毕相应的知识点（体系）就能解决相应的工程实际问题，与应用型人才培养目标无缝对接。并且在基础力学课程实验、实践中，弱化原来简单的验证性实验，强化了知识的应用性，达到真正的案例式教学。对不同的专业，根据其典型的工程实际问题，引导学生建立该工程实际问题的力学简化模型，并进行力学分析、设计，并将学生设计出来的模型采用3D打印技术将其按一定比例打印出来进行验证，同时根据验证结果，针对关键部位的力学问题引导学生去优化设计其力学结构，进一步培养学生的创新能力。

四、结语

采用3D打印技术进行真正的工程案例教学，降低理论推导难度的同时强化对力学知识工程应用，对目前基础力学课程教学内容落后、与实际工程应用脱节严重具有十分重要的意义。并且目前3D打印技术已经十分成熟，完成力学教学模型的制作完全没问题，且成本不高，在基础力学课程教学使用中3D打印技术，可使学生完全参与教学过程，完成对力学理论知识的学习到直接运用的过程，切合卓越工程师与应用型人才培养需求。同时使得课程结构丰富、主次明确，强调工程应用的同时，也没有完全放弃对学生理论知识的教学，重视理论与工程实际相结合。

参考文献：

[1]胡海岩.对力学教育的若干思考[J].力学与实践，2009，31（01）：70-72.

[2]张萍，闫宇，李苗，刘翰然，贾杰.3D打印机在高校土木工程教学中的应用探讨[J].山西建筑，2016，42（15）：229-230.

[3]王萍.3D打印及其教育应用初探[J].中国远程教育，2013，（08）：83-87.

[4]杨卫.案例式教学：固体力学的前沿应用[J].力学课程报告论坛，2007：3-5.

[5]李梅.基于工程案例研究的材料力学教学探索[J].绍兴文理学院学报：自然科学，2013，33（03）：100-103.