3D打印技术在野营装备器材维修课程中的应用研究

杨 毅 荀 毅 陈志莉 董玉杰 吴 洋 杨俊芳

（1.陆军勤务学院军事设施系 重庆 401311；2.桂林理工大学环境科学与工程学院 广西桂林 541006）

野营装备器材维修课程涉及野营装备器材运行原理、故障诊断与排查、零部件更换、电路检查、维修后调试等内容，是保障野营装备器材安全、可靠运行，降低经济损失的核心技能课程。3D打印技术是一种结合多种高新技术于一体的增材快速成型制造技术，以3D打印技术为平台的实践教学作为一种新的实践教学形式正被越来越多的高校所采纳，2018年4月，《全国技工院校专业目录（2018年修订）》在机械类新增3D打印技术应用专业。研究3D打印技术在野营装备器材维修教学中的应用具有重要的意义。

一、3D 打印技术应用于实操教学的现状

3D打印又称增材制造，该技术已经广泛应用于建筑、医疗、航空、汽车、电子、食品等各个领域。其基本特点是以计算机数据文件作为基础，运用粉末状材料，结合基层造型法进行逐层打印出实物[1-2]。3D打印技术在国内外高校教学中已经开始广泛应用。很多高校建立了各具特色的3D打印实验室并将3D打印教学过程作为实践教学的一项重要组成部分[3-4]。美国弗吉尼亚的大学生设计并制造了一架所有零件均通过3D打印机制造而成的飞机模型并且成功实现飞行[5]；西北工业大学利用3D 打印技术参与了我国国产大型商用客机C919机翼中央翼条的制造；海军航空大学利用3D打印技术打印出大小合适、重量轻便的航空仪表设备及零件[6-7]。南京医科大学开展了3D打印技术在心血管外科临床教学中的应用，取得了较好的效果[8]；湖南工业大学将3D技术应用到工程建模设计中，实现零件实物的快速成型，和快速制造[9]。同时，3D打印技术也正在为教师开发课堂教学创新模式提供强有力的支持，通过把3D打印技术引入课堂，学生直接可以观看3D打印的实物模型，突破了传统课堂上费时费劲单纯依靠学生在大脑中想象的局限性。在机械工程类的课堂中，利用3D打印技术可向学生展示复杂的机械零件的生产加工过程；在环境设计类的课堂中，利用3D打印技术能够向学生展示三维立体空间模型的室内环境设计方案；在动画设计类课的课堂中，可利用3D打印技术改善动画人物的表情与动作设计；在医学教学过程中，3D打印为教学过程提供所需的人体器官、结构模型，增强学员对人体的理解[10-13]。3D打印技术为平台的实践教学作为一种新的实践教学形式正被越来越多的高校所采纳。

二、野营装备器材维修课程面临的矛盾问题

（一）实操教学装备器材零部件保障供需矛盾突出，严重影响教学效果

伴随着实战化练兵的不断深入，装备使用率大大提升，装备故障也随之增加。同时，部队对装备维修人才的需求不断增大，每年装备维修人才培养任务逐年上升。然而，现目前，野营装备器材维修课程主要依托编制内装备器材进行教学，装备数量少，培养学员多，装备供求矛盾突出，再加上，配发的装备在完成教学的同时还需要肩负保障任务，导致装备使用超负荷，零部件耗损快。实际保障和教学过程中，野营装备器材不可避免发生损坏、磕碰，造成零部件破损，甚至大型元器件破坏，使野营装备器材维修课程的教学器材保障得不到保障，严重影响教学效果。

（二）课程对抽象思维能力要求高，学习难度大，没有模型教具，教员讲解容易陷入“空对空”，学员学不深，悟不透

野营装备器材维修课程涉及的装备类型多、型号多，不同装备包含的装置、设备型号也很多。传统的装备器材维修教学，难以将装置、设备细化拆分，学员很难掌握了解装备、装置、设备的内部构造，只能通过反复背诵来进行记忆，导致学员对知识的掌握仍然停留在感性的认知层面。同时，教员讲解的过程中，往往是对着设备讲构造，看着原理讲维修，容易陷入“空对空”的局面，学员学习效率较低，对装备的性能、工作原理理解不透，难以从三维视角理解装置设备的构造，以至于装备拆修过程出现装置设备损坏，影响教学进度的同时也导致学员不能掌握装备维修的技术。

（三）授课技术手段跟不上时代的步伐，与当代新技术在维修中的运用存在“代沟”，新的技术学不到，旧的手段学不牢

随着教学水平的不断发展，教学模式不断更新，网络化、信息化、数字化成为当前教育改革的核心内容。与军内、地方成熟的实操课程相比，野营装备器材维修课程起步晚、基础差、教学手段、教学方法单一，教学模式传统，教学形式简单，造成学生对于野营装备器材维修课程的积极性不高，不利于士官职业技术教育实践类课程教学水平的提高。特别是《国家职业教育改革实施方案》、双万计划的实施，地方实操维修课程的基础条件得到了进一步的提升。新技术、新方法、新手段在教学实践中的运用层出不穷，前沿科技与专业学科交叉与结合的例子不胜枚举，形成了一批具有专业特色的实践教学课程。与之对比，野营装备器材维修课程的教学条件、教学手段方法还有较大的提升空间。

三、3D 打印技术引入野营装备器材维修课程的作用

一是利用3D打印技术，实现装备器材零部件的快速生成更换，解决实操教学装备器材零部件保障供需矛盾，提升学员学习积极性，提高野营装备器材维修教学效果。

3D打印技术以快速成型为核心优势，可实现个性化制造、缩短研制周期、提高材料利用率，为野营装备器材零部件供应提供新的解决方案，做到有的放矢，解决装器材维修过程中故障不确定性带来的零部件配备的不确定性。同时，根据3D打印技术的特点，开展野营装备器材维修实践教学改革研究，提出基于3D打印技术的野营装备器材维修教学模式，解决传统装备维修教学过程中，老师“滔滔不绝”，学员“稀里糊涂”的困境，让零部件做全身“CT扫描”，真正让学员理解修什么、怎么修，如何下手修等野营装备器材维修技术方法。另一方面，教学过程中，融入新的技术，新的手段，有利于提高学生主动学习的热情，培养学生独立思考问题、解决问题的能力，提升他们的综合职业素养。

二是开展基于3D打印技术的野营装备器材维修教学，将课程内容与3D打印技术相结合，利用3D打印技术的优越性帮助学员更好地掌握专业知识，使学生在学习过程中激发创新思维，在实践过程中锻炼动手能力。

3D打印技术的优势是能够根据用户的需求，制作出不同的打印模型，满足教学的需求。野营装备器材维修课程涉及的装备类型多、型号多，难以将装置、设备细化拆分。借助3D打印技术，结合装备维修实际需要，根据学员学习需求，通过建立不同的装置、设备3D打印模型，自行设计，确定各设备、零部件的操纵面，如淋浴车混水阀、过滤器等，按照设计尺寸对不同部件三维模型分别打印，形成不同零部件的剖面结构模型，让学员直观的、具体地感受装备器材的三维立体结构，真正理解吃透其基本原理、内部构造、运行方式。通过此过程的不断重复，让学生扎实地掌握所学知识，同时也在动手过程中收获了成就感。

三是开展基于3D打印技术的野营装备器材维修教学，推进新技术、新方法进课堂，是教学模式的突破，更是教学理念的更新，特别是对军校装备实操课程教学，将是一次深层次的改革，必将对今后的野营装备器材维修课程教学发展产生深远的影响。

随着制造科技水平不断发展，3D打印技术已经在医疗行业、建筑行业崭露头角。国内不少学校已经将其引入课程教学中。开展3D打印技术进野营装备器材维修课堂，是对3D打印技术进入维修课程教学的一次良性探索，摸索出一套适用于野营装备器材维修教学的3D打印技术运用方法体系，对于探索如何利用高新技术进课堂具有重要的示范效应。

四、野营装备器材维修课程引入3D 打印技术的方法

（一）理论研究与实践操作相结合

采用理论研究对3D打印技术的特点、优势，主要应用领域，存在的问题等进行总结分析，结合野营装备器材维修课程的特点，找到二者之间的切合点。野营装备器材维修实操教学采用“讲授式”与“交互式”教学方法相结合的方式，对课堂教学进行重塑，将3D打印技术“直观性”、“可视性”特点融入传统教学过程，实现野营装备器材维修知识的“情景化”。充分发挥3D打印能够制造教学模型的优势，让学员能够在教学过程中感受到实物，让学生更加直观地去接触特定实物，让学员能够在学习的过程中有更加深刻的体验，加深其对于抽象知识的了解和认识，从而加深对于知识的理解。

（二）抽象思维与形象设计相结合

3D打印技术运用到野营装备器材维修课程教学离不开抽象思维。二维平面模型与三维空间模型的相互切换是实现二者融合成败的关键。一方面，要利用抽象思维的方法，让学员对三维实体的二维表现形式熟悉吃透，同时，又能够将点、线、面的简单二维模型在大脑中抽象成三维实体模型。另一方面，利用3D打印技术实现野营装备器材零部件打印，让学员学会将抽象思维的模型转化为零部件的实体三维设计，利用形象设计方法实现零部件的3D打印解体，为后续3D打印野营装备器材维修零部件打下基础。

（三）过程控制与结果导向相结合

野营装备器材维修课程中应用3D打印技术必须注重将过程控制与结果导向相结合。目前，3D打印技术的运用还受限于打印技术的步骤、精度及过程控制。将其运用到野营装备器材维修实操教学中，须对每一个步骤进行严格的把关，需要制定严格的、详细的教学实施方案，做到有的放矢。零部件测绘要控制精度，模型构建要满足后续要求，针对不同的零部件要有具体的、详细的3D打印作业方案等等，过程控制得当，后续教学的实施才能顺利进行。注重过程控制的同时也要坚持野营装备器材维修课程改革的目的性。必须树立3D打印技术为野营装备器材维修教学服务的思想，始终将装备维修教学效果作为3D技术融入野营装备器材维修课程的目标，学员对野营装备器材维修技术、方法、手段的掌握是课程的核心目的，摒弃“技术优先”思维，防止将野营装备器材维修教学转变为“3D打印技术实践教学”，防止实践教学改革偏离方向，走了样。

（四）定量分析与定性研究相结合

将3D打印技术应用到野营装备器材维修课程的实践过程中，要注重定量测定与定性分析相结合。一方面要运用定性分析方法，归纳、演绎、综合分析3D打印技术与野营装备器材维修教学改革过程中呈现的特点、现象以及学员的切身体会，在此基础上，探索出适合于二者有机结合的教学模式，提炼出切实有效的教学手段、重塑教学过程组织，精简教学过程设计。另一方面，要运用定量分析的方法，对教学过程、学员学习的效果进行统计分析评价，更加科学、准确的反应基于3D打印技术的野营装备器材维修教学与传统教学之间的区别和联系。

五、结束语

将3D打印技术应用到野营装备器材维修课程，对于培养“实用、能用、好用”的装备操作维护士官人才，转变教学思路，创新教学模式，突出学员的主体地位具有重要作用。在实施过程中，要注重方式方法的运用，强化野营装备器材使用与维护的专业知识、基础理论和基本技能的理解和学习，防止主要教学目标的偏移，要注重对教学过程、学员学习的效果的跟踪分析评价，找准制约野营装备器材维修课程与3D打印技术融合的关键因素。