基于3D打印技术的高校机械制图课程教学探析

王振环

摘 要：传统机械制图课程教学存在辅助教学工具过于抽象、机械模型成本高、教学方法陈旧等问题。随着3D打印技术的成熟，将3D打印技术引入高校机械制图课程教学中，可提高学生的学习积极性、自主性，促进生生之间的交流合作，激发学生的创作灵感，提高教学效果，节省教学成本。在具体教学中，教师可应用3D打印技术打印3D模型，进行物理制图、软件建模，以及胎模的精加工、局部装配，打印可视化成品等，以此完成2DCAD时代无法实现的协同工作，为教育教学提供新思路。

关键词：3D打印技术;机械制图;软件建模;模型;加工;装配

中图分类号： G642文献标志码：A文章编号：1008-3561（2022）02-0115-03

机械制图课程是研究机械图样的绘制和识读规律与方法的一门学科，旨在使学生具备从事机械设计与制造、冶金设备维护、机电设备、数控技术工作所必需的基本知识和基本技能。将3D打印技术应用于高校机械制图课程教学中，可突破传统机械制图课程教学存在的不足，完成2DCAD时代无法实现的协同工作，提高学生的学习效率，为教育教学提供新思路。

一、相关理论综述

（1）3D打印技术。3D打印技术（3D printing）是一种基于图层数字模型处理软件的打印技术。其运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过图形打印模具直接构建矩形物体，可直接从未经图层处理的任何图形打印数据或任何打印模具中直接生成任何一种形式的打印零件，大大缩短了产品开发周期，提高了产品生产率，降低了生产过程成本。根据3D数字打印机所用烧结材料的不同，3D数字打印应用技术可以细分为聚合反应打印技术、烧结材料熔融粘合反应技术、粉末烧结黏合反应技术。随着3D数字打印应用技术的不断创新发展，其广泛应用于工业产品设计以及开发生产过程，如航空工业、汽车制造工业、专业建筑设计（包括产品设计和工业建筑设计的专业生产过程模型）、医疗整形外科（正畸后的牙套、假牙、助听器）等多个领域。

（2）3D建模。3D建模是一种数据呈现方式，目前在多个领域都有广泛应用。在计算机中，3D图形具有可视化特征，即在平面上显示3D图形，虽然与真实世界不同，但呈现出来的3D空间看起来就像真实世界。

二、传统机械制图课程教学存在的问题

在传统机械制图课程教学中，教师通过挂图、图像、实物模型等教具来讲解机械零件的结构、形状和运动。而这样的教学方法已经不能满足学生的学习需求，也无法达到社会对人才的能力要求。

（1）辅助教学工具过于抽象。使用静态的、抽象的机械运动辅助教学工具，如三维挂图和运动图像，并不能准确反映机械零件的基本形状、结构、运动工作原理和使用功能。而这些教学内容也是学生最难理解的，要求学生具有良好的三维空间感和想象表达能力。很显然，这些抽象的教学工具无法起到辅助学生理解教学内容的作用。

（2）传统机械模型成本高。在物理机械制图、机械运动原理、机械设计等各门课程的传统机械制图教学实践过程中，教师通常会利用机械模型作为教具，以此让学生了解机械零件的基本结构、结构的基本组成、运动学的特点等教学内容。而机械模型的成本较高，对教学的辅助作用也有限，不能体现全部教学内容。

（3）教学方法陈旧。现在，大量的信息技术被引入课堂，而如果教师不充分利用信息技术，仅依靠口头讲授、学生对物理模型和工程设计的观察，将很难调动学生的学习积极性，也很难提高课堂教学效率。另外，机械制图课程的教学重点是让学生理解机器的基本原理，所以部分教师的课程教学以知识输入为基础，对学生的知识掌握评价以书面形式的绘画和作业为主。很显然，这种教学模式无法培养学生的创新能力，而机械制图课程的大班教学也无法因材施教，有效培养学生的设计创新能力。这样，学生在学习中遇到困难时，既缺乏创新意识，也缺乏动手实践能力，无法提高学习效率。

三、3D打印技术辅助教学的相关准备

（1）教学时间节点分析。任何教学活动都需要做一定的准备，因此，在应用3D打印技术辅助教学时，教师、学生也要提前做好相关准备工作。首先，在3D建模的初始阶段，教师可简要向学生介绍二维设计的特点和基本知识，并指导学生完成设计方案。在学期的前几周，重点对学生进行手工制图的培训。其次，在正确书写字母、数字，准确画线之后，教师可指导学生以“钩子”为主题绘制手绘图，然后进行2DCAD绘图，以此提高学生基本的二维绘图能力。最后，在讲解投影的基本规律时，教师可指导学生进行专门的3D造型培训，让其学习CAD3D操作，由简单到复杂体现3D空间感，并进入3D打印室，设计和制作独特的3D实体。接下来，学生可通过反复修改设计，尽量让3D实体完美呈现。由此可见，教师只有掌握这些教学节点，才能充分发挥3D打印技术的教学优势，才能让学生充分掌握知识，并将真实产品与二维图纸联系起来，了解它们之间的区别。

（2）教学素材准备。3D图形打印虽然是一种高效低成本的打印应用技术，但学生也不可能经常通过3D图形建模同时制作一个成品打印模型，也不可能同时制作大量的3D建模造型和打印模型。因此，教师在教学中要精准确定需利用3D打印的模型，然后借此向学生做产品演示，讲解教學内容。

（3）学生准备。机械制图课程作为高校机械制图专业的基础课程，在学生的就业竞争中具有非常重要的作用。因此，教师要在传统实践的基础上不断改进、创新，应用可提高学习效率和学习质量的教学模式，以3D打印技术为教学辅助手段，全面提高学生的学习积极性，形成最佳教学切入点。

四、3D打印技术在机械制图课程教学中的应用

为提高学生参与课堂教学的积极性，在利用3D打印技术进行机械制图课程教学的过程中，教师可将全班学生分成若干小组，每组4人～6人。具体教学应用如下。

（1）物理制图和软件建模。3D打印机是基于数字模型文件的打印工具，学生首先要做的是用机械设计软件设计一个制图模型。对于学习能力较弱的学生，其只需要设计在数字模型中看到的实物即可，对于学习能力较强的学生，教师可要求其掌握机械运动和机械设计的原理，根据不同的形式设计物理模型。对学生来说，设计模型和模型动画对于激发学习动机、掌握设计软件的技术非常重要。

（2）打印3D模型。学生将自己绘制的数字模型文件直接插入3D打印机即可进行3D数字模型文件打印。所有的3D数字模型文件都是学生自己绘制完成的，因此，精度不高，或没有实现标准化，而格式化的转换错误会直接导致3D数字模型文件数据不准确，如产生反转制图方向、矩形缝隙，增加壁厚，几何空间冗余，重复打印补片等情况。而这些情况是提高学生绘画技术水平的良好学习机会，教师可分析、整理印刷制作过程中出现的制图问题，让学生深入理解各种制图基础知识的具体应用意义。

（3）胎模的精加工。由于工艺、材料和3D模型的不同，打印出来的3D胎模也有很大区别。为节省成本，学生打印用的3D打印机价格较低，所用的材料是塑料线。因此，印刷的胎模在外观和精度上都不够好，需要学生进一步修理模具，并组装零件，为接下来的课程学习做准备。

（4）局部装配。简单的印刷零件一般不需要装配，但对于一些复杂的零件（通常由多个零件组成），仍然需要装配。这个步骤不仅可以锻炼学生的手工拆卸能力，还可加深学生对机械原理和机械设计的理解。

（5）成品的可视化。随着学生3D打印生产水平和技术水平的提高，教师可允许学生自己处理规则曲面的单个零件、不规则曲面的单个零件、多点规则曲面和不规则曲面，使其真正掌握绘图和印刷技能。对于简单零件，教师可帮助其评估测量的准确性，并给予热爱和有兴趣运用3D打印技术学习的学生支持和帮助。

五、应用效果评价

通过一年的教学实践，笔者所在班级的教学效果良好。现详细阐述3D打印技术在机械制图课程教学中的作用。

（1）提高学生的学习积极性。实践理论学习比单纯理论学习更容易被学生接受。部分学生对理论基础知识的学习持拒绝的态度，甚至有的学生有恐惧的表现。究其原因是课堂教学模式没有激起学生的学习兴趣。而将3D打印成像技术广泛融入专业实践中，不仅能激发学生参与专业实践的积极性，还能调动其继续学习的兴趣。学生从专业实践中体验到成功感后，还可进一步激发学习动机。

（2）激发学生的创作灵感。让学生根据机械制图的相关知识设计作品（如变形机器人、翻转青蛙、彩色手机壳等），并用3D打印机打印设计作品，以充分调动学生的想象力，激发学生的创造灵感。这有利于培养创新型人才。

（3）提高教学有效性。在传统机械制图或机械基础课程教学中，教师在讲解组合或四杆机构时，只拿一个模型给四五十个学生讲解，然后把模型传给每个学生。现在，通过3D打印机，教师可以让更多的学生做模型，然后根据模型对测量和绘制模型系统的特点进行详细分析，教学效率明显提高。另外，在部分学校，机械制图高级班的学生“纸上谈兵”是常事，即只在图纸上作画。教学条件较好的学校虽然允许毕业班学生自行加工，但在大型机床设备上自行加工成型钢材的使用成本相对较高。而基于3D打印技术，教学条件好的学校可让学生使用3D成型打印机打印自己精心设计的成型模具或定制夹具，教学有效性因此明显提升。

（4）节省教学成本。在传统的机械制图课程教学中，部分教师使用物理教具进行教学，一个物理教具的价格在100元以上，数量少，价格高。而应用3D打印技术后，学校不需要大量购买教辅材料，可由高年级学生用3D打印机打印大部分教辅材料。而一个塑料模型的成本在几分钱左右，这不仅节省了教辅材料的成本，还提高了学生的动手实践能力。

（5）促进学生的合作意识。基于3D打印技术，教师在机械制图课程教学中，可向学生提供开放式的设计任务，让学生以小组形式进行合作、讨论，逐步掌握基本机械原理。这既可实现学生之间的相互学习和促进，也可以培养学生的合作意识。

（6）学生自主学习能力提高。基于3D打印技术，学生的自主学习能力明显提高，课堂学习由被动学习转变为主动学习。教师可将注意力从教好课转向解决问题，对不同的学生进行一对一的课程指导，避免学生出现跟不上教学进度的情况。

六、结语

总之，可视化在机械制图教学中是必要的，也是有用的。基于传统机械制图教学中存在的问题，教师可引入3D打印技术，打印3D模型，进行物理制图、软件建模，以及胎模的精加工、局部装配，打印可视化成品等，真正做到机械制图与设计的现代化教学，以此夯实学生的机械制图知识基础，提高学生的职业竞争力。

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Exploration of the Teaching of Mechanical Drawing in Colleges and Universities Based on 3D Printing Technology

Wang Zhenhuan

（Binzhou University， Binzhou 256600， China）

Abstract： There are some problems in the teaching of traditional mechanical drawing， such as too abstract auxiliary teaching tools， high cost of mechanical model， outdated teaching methods and so on. With the maturity of 3D printing technology， introducing 3D printing technology into the teaching of mechanical drawing course in Colleges and universities can improve students' learning enthusiasm and autonomy， promote exchanges and cooperation between students， stimulate students' creative inspiration， improve teaching effect and save teaching cost. In specific teaching， teachers can apply 3D printing technology to print 3D models， Carry out physical drawing， software modeling， and finish machining， local assembly， printing and visualization of tire mold， so as to complete the collaborative work that cannot be realized in the 2DCAD era and provide new ideas for education and teaching.

Key words： 3D printing technology; mechanical drawing; software modeling; model; processing; assembling