双创背景下基于3D打印技术的高校机械制图教学研究

王振环

摘 要：将3D打印技术融入高校机械制图教学环节，有助于激发学生的学习兴趣，提高学生的空间想象能力，培养学生的创造性，切实提升机械制图课程的教学效果。文章从机械制图教学概述入手，分析3D打印技术的发展历程，总结当前高校机械制图教学存在的问题，明确3D打印技术应用于高校机械制图教学的优势，并在此基础上提出3D打印技术在高校机械制图教学中的创新应用思路，以期为高校机械制图教学模式的改革提供新视角。

关键词：3D打印技术;双创;机械制图;教学策略;教学研究

中图分类号：G648.2 文献标志码：A 文章编号：1008-3561（2022）04-0113-03

3D打印技术即快速成型技术的一种，又称增材制造，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。机械制图课程是高校机械工程专业的一门重要的专业基础课，具有教学基础性和综合实用性等特点。在双创背景下，各高校创新创业教育方兴未艾，出现了大众创业、万众创新的新势态。下面，笔者以3D打印技术设计为载体，对创新创业背景下的高校机械制图的教学设计思路与方法进行探究。

一、机械制图教学概述

1.机械制图的教学框架

机械制图是用图样确切表示机械的结构形状、尺寸大小、工作原理和技术要求的学科。图样由图形、符号、文字和数字等组成，是表达设计意图和制造要求及交流经验的技术文件，常被称为工程界的语言。机械制图过程大致包括以下几个部分：制图基础知识、三视图基础、零件的表达方式等。机械制图教学的主要目标是让学生在理解机械制图国家标准的同时，學会阅读和绘图。机械制图教学的过程是制图标准的理论学习与功能训练相结合，以及AutoCAD二维制图方法在计算机绘图中的应用。

2.机械制图的国家标准

随着科学技术的不断进步和发展，国家机械生产和制图规范也在随之不断整合和改进。我国现行机械制图的国家标准规定了在机械图样中标注尺寸的方法，制图理论简便实用，对整个行业具有很强的引领和指导意义。

二、3D打印技术的发展历程

3D打印技术出现于20世纪90年代中期，其本质是一种分层的思想，即堆层和加法生产，通常是采用数字技术材料打印机来实现的。3D打印技术是借助于计算机、激光、数控和精密传动等先进的现代手段，根据在计算机相关软件上建立的三维模型，能在短时间内直接制造产品或模型的快速成型制造技术。3D打印机与普通打印机的工作原理基本相同，其内部装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把打印材料一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。3D打印技术具有高度的灵活性、高度的定制性，由于对零件形状敏感度低，生产成本低，常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。经过多年的发展，3D打印技术已被广泛应用于航空航天、军事国防、医疗器械装备、高新技术、教育生产等领域。

三、高校机械制图教学存在的问题

1.传统制图教学模式的影响

在我国传统制图教学模式下，一方面，部分教师过于强调制图理论的教学，导致学生实际制图能力不足，另一方面，部分教师只关注学生能否顺利通过相关课程考试，而忽视学生绘制地图的灵活性，导致学生习惯于背诵书本上的概念和案例，缺乏自主创新思维意识。

2.教学内容与实际工作脱节

部分学校供学生实操的机械设备数量有限，不能满足所有学生的操作需求，导致学生只能通过二维剖面图来学习相关知识，实际动手操作机械的机会有限，无法对机械内部结构形成直观认识，很难真正理解机械设备的工作原理。还有部分学校供学生实操的机械设备老旧，结构单一，与当前前沿领域实际情况不符，学生所学内容与实际工作需要脱节，导致学生无法满足用人单位需求。

3.教学方法不够丰富

部分教师在实际教学中不能做到与时俱进，不注意信息技术等教学方法的引入，还在延续传统的灌输式教学方法，导致课堂氛围沉闷、枯燥，学生学习兴趣、学习热情不足，学习效果可想而知。

四、3D打印技术应用于高校机械制图教学的优势

机械制图专业课程具有较强的实际应用性和理论实践性，对学生的空间想象能力、理解能力、思维能力都有较高的要求，对学生来说，具有一定的学习难度。3D打印技术可以把机械图快速、便捷地打印出来，让学生直观地看到实物，从而可以帮助学生理解相关知识内容，有效提升学生的学习效果。

1.帮助学生理解相关知识

在学生学习机械制图之前，学生已经学过2D建模，但是2D模型不够直观，学生很难充分了解机械设备的真正工作原理。在实际教学中，教师可以利用3D打印技术将2D模型转换成3D模型，这有助于学生对机械构造、机械工作原理等形成具体、直观的认知，以此帮助学生真正理解相关知识内容，有效提升学习效果。

2.促使学生改正错误

通过3D建模技术，学生可以用制图软件直接在计算机上把脑中的灵感呈现出来，再利用3D打印技术把图纸打印出来进行直观观察，通过直观的观察，学生很容易发现自己在制图中所犯的错误，并及时进行改正，从而在潜移默化中实现空间想象能力和操作能力的提高。

3.为学生提供真实模型

3D打印技术的主要优点是可以方便、快捷地将各种形状和复杂结构的模型打印成真实的物体。利用这一优势，教师可以提供多种真实模型供学生学习和观察，以此让学生可以直观地观察到模型的内部结构，有效理解其工作原理。

4.激发学生参与热情

3D打印技术作为一种新型技术，很容易吸引学生注意力，激发学生的学习兴趣。在实际教学中，教师可以利用学生对新技术的好奇心理，鼓励学生独立建模，并将学生制作成功的模型在课堂上直接打印出来，以此让学生收获成就感，强化学生的学习体验感，促使学生愿意积极主动地参与到课堂学习中，并能很快进入深度学习状态。

五、3D打印技术在高校机械制图教学中的创新应用

1.3D打印技术有助于抽象课程内容具体化

机械制图专业的课程体系繁杂，内容枯燥、理论性强，如“机械制图”和“机械制图基础”是高职机械专业的基础课，其对学生的空间想象能力、抽象思维能力、逻辑思维能力等都有较高的要求，具有一定的学习难度。在以往教学中，大部分教师都采用多媒体技术、PPT、网络课程等教学方法以图像或视频等方式向学生展示机械模型的内部结构和工作原理。学生虽然也能看到机械模型的结构，但是图像或视频还是不如实物那么形象、直观和具有视觉冲击力。将3D打印技术应用于高校机械制图教学后，教师可以将一些理论知识和抽象知识具体化地展示出来，从而有效弥补以往教学模式的不足，有效增强学生对相关知识的认知和理解，提升学习效果。例如，教师可以把3D打印技术应用于相贯线、齿轮系、凸轮等课程中，将教学内容中的抽象内容以实物的形式直观地展现出来，以此促进学生对相关知识的理解，提高学生的空间想象力，有效提升机械制图专业课程的教学效果。

2.3D打印技术有助于学生理解与机械设备相关的知识

机械制图专业课程中不仅涉及大量的抽象机械知识，还包括诸如凸轮、齿轮、轴承、弹簧等制图模型的内容。在以往教学中，大部分教师都是通过PPT图片的方式进行课堂教学，这种方式不够直观和真实，学生很难真正理解相关知识，常常会出现学习兴趣不高、学习效果不好等问题。将3D打印技术应用于高校机械制图教学后，教师可以利用3D打印技术为学生制造出各种实物模型，如凸轮、齿轮、轴承、弹簧等这些与機械设备密切相关的物品模型，让学生直观、清晰地看到这些模型的样子，以此帮助学生理解机械结构相关理论知识，学好机械制图专业课程中与机械设备密切相关的知识。

3.3D打印技术有助于机械模型的结构可视化

教师在讲授机械制图专业课程时，常常需要借助教具来帮助学生理解某些机械模型的复杂结构，如机械的内部结构、机械的组成、机械的工作原理、机械的运动学和力学原理等。在以往教学中，由于受到技术水平的限制，教师往往只能通过一些固定的课件或者教材来进行机械内部结构的讲解，这种静态的讲解无法体现出机器的移动，学生看不到机械运动的轨迹，因此学生对这部分知识的理解往往只能依靠想象力来实现，这导致学生的学习效果难以保障。将3D打印技术应用于高校机械制图教学后，教师可以利用3D建模形成可视化的教学方式，使这一困惑得到有效改善和解决。

4.3D打印技术有助于学生模型制图思想的强化

在以往的教学中，教师只能通过实际操作来指导学生完成模型制造，这种教学模式只适用于简单的模型制造教学，对于那些结构较为复杂的模型，教师很难指导学生在有限的课堂教学时间内完成相应的知识学习。将3D打印技术应用于高校机械制图教学后，教师可以利用3D打印技术进行课堂引导，将机械制图与实践联系起来。教师可以利用3D打印技术直观地表达制图或数据上的物理模型，以此帮助学生更全面地观察模型的结构细节，方便学生在建模时发现自己的知识漏洞，并针对模型中发现的问题采取有针对性的补救措施。在实际操作和修改作品的过程中，学生的模型制图思想会不断得到深化，学生对机械专业知识的严谨性和规范性的认识会逐渐提升，这对其今后走向工作岗位、满足岗位需求起着至关重要的作用。

5.3D打印技术有助于学生模型制图和绘图能力的提高

在机械制图专业课程中，模型制图和绘图是学生需要重点学习的知识内容，也是本课程的难点所在。将3D打印技术应用于高校机械制图教学后，学生在进行模型制图和绘图时，不再是单向地接受教师的思想，而是从“被动学习”转化为“主动探索”，将工业课程转化为更加具体形象的知识内容，学生的创新灵活性也大大增强，学习效果也更为理想。

六、结语

综上所述，3D打印技术是一项新兴的先进制造技术，在教育领域的应用越来越广泛。3D制图及3D打印技术对于高校机械制图教学来说，是一种很好的辅助教学工具。3D打印技术在高校机械制图教学中的应用，不仅可以很好地解决知识的抽象性导致学生学难以理解相关知识的问题，还能有效激发学生的学习兴趣，提高学生的实际应用能力，提升学生的学习效果。

参考文献：

[1]曹学坤.3D打印技术实训课程教学模式的创新与探析[J].天津职业院校联合学报，2020（12）.

[2]孙姿姣.3D打印技术在机械制造中的应用[J].清远职业技术学院学报，2017（04）.

[3]康兴，马正慧，周欢娣，薛晓英.3D打印技术在医学中的应用[J].河北医科大学学报，2021（08）.

[4]郭继周，吴集，邓启文.3D打印技术对装备维修保障的影响与对策[J].装备学院学报，2016（02）.

[5]陈晓英，廉佳.关于3D打印技术引发问题的探究[J].渤海大学学报：自然科学版，2013（03）.

[6]刘晓云.3D打印技术构建干细胞仿生支架用于软骨及脊髓损伤修复的研究[D].中国科学技术大学，2021.

[7]雷楠南.高职院校3D打印技术专业开设可行性分析[J].晋城职业技术学院学报，2017（02）.

[8]唐影.基于图神经网络的链路预测的技术融合预见研究[D].西安邮电大学，2020.

Research on Mechanical Drawing Teaching in Colleges and Universities Based on 3D Printing Technology under the Background of Mass Rntrepreneurship and Innovation

Wang Zhenhuan

（Binzhou University， Shandong Binzhou 256600， China）

Abstract： Integrating 3D printing technology into the teaching of mechanical drawing in colleges and universities helps to stimulate students' learning interest， improve students' spatial imagination ability， cultivate students' creativity and effectively improve the teaching effect of mechanical drawing course. Starting with the overview of mechanical drawing teaching， this paper analyzes the development process of 3D printing technology， summarizes the problems existing in mechanical drawing teaching in colleges and universities， defines the advantages of 3D printing technology in mechanical drawing teaching in colleges and universities， and puts forward innovative application ideas of 3D printing technology in mechanical drawing teaching in colleges and universities， in order to provide a new perspective for the reform of mechanical drawing teaching mode in colleges and universities.

Key words： 3D printing technology; mass entrepreneurship and innovation; mechanical drawing; teaching strategies; teaching research