基于3D打印技术的机械类课程教学改革

2022-02-26王琼雷子鑫杨琳琳阮朝然李才令起源泽张杰

创新创业理论研究与实践 2022年1期

王琼，雷子鑫，杨琳琳，阮朝然，李才令，起源泽，张杰

（云南农业大学机电工程学院，云南昆明 650201）

我国增材制造技术目前已覆盖了制造、医疗、教育、航空航天、军事等多个领域。3D 打印作为一项快速成型技术，目前虽未大规模在生产生活中使用，但势必成为制造业中的新兴一族。现阶段高校的机械类课程应顺应发展趋势，使传统与现代结合，满足新工科发展的要求[1]。

1 机械类课程传统教学存在的问题

1.1 采用传统教学方式，导致学生空间思维呈直线形

空间思维想象能力是人们对客观事物的空间形态进行观察、认知、分析的抽象思维能力，它是人们生来不具有、必须经过一定的训练才能发挥出来的一种思维能力。机械类课程实践性很强，教学难度大，要求学生空间思维想象能力高。高校机电部分教师没有经过制造业的锻炼，对机械类课程存在认识偏差，沿用在学校学习的知识和方法，注重理论教学，加之教具、课时等问题，导致课程结束时，大部分学生对一些基础性、重要性的结构知识，没能扎扎实实地理解和掌握，即进入下一个学习环节[2]。

1.2 教学方法单一，致使学生空间思维提升缓慢

机械类工程教育与科学教育是不同的，科学教学的最终目的是让学生掌握人类传承下来的科学理论、知识体系、科学研究方法；着重培养学生具有创新的意识和思维，能合理运用科学方法去发现问题的能力。工程是对人类改造物质世界的完整全部的实践活动和过程的总称[3]；工程教育要求在众多事物中得到符合本质相对正确的结论，引导学生为了推进人类社会的进步去创造。机械类课程要求学生在掌握理论的基础上进行实践，实践相对理论来说占很大比例。

（1）课堂教学实施过程中，教学方法的多样性是启迪学生空间思维最好的催化剂。在实际教学中常出现以下几个方面的问题： ①采用图片、仿真或教具进行讲解，一部分学生对图片或仿真还是难以接受，不能很好地想象出复杂零件的结构、工作原理等，导致学生易疲劳，思想开小差；②实物模型成本高，一些学校没有模型，或能看不能拆分，难以展示其内部复杂结构，在一定程度上打击了学生的积极性；③少部分教师思维仍停留在传统制图时代，对新的知识了解不足；④部分高校资金不足，资金要用在急需的环节，部分实物教具不足。

（2）在实施实践教学过程中，由于资金的不足，机械类实践教学也难以开展，少数学校只是为了完成教学大纲中规定的任务，而并未切实提升学生实践能力，导致实践教学流于形式；机械类学生到生产企业去实习时，由于学生对生产任务、岗位所需的操作技能不熟知，企业也不乐意接受学生到生产一线去跟班实践，这就阻碍了学生实践教学活动的开展[4]。

2 3D 打印技术对传统机械制造领域的影响

3D 打印是属于增材制造，与传统的减材制造和等材制造不同，该技术借计算机自动控制、具有无模具、无工装等特点。3D 打印这一“逐层增加材料”的数字制造技术充分体现出当今科技进步带来的变革。3D 打印对制造业等行业将产生深远的影响。从制造周期来讲，3D 打印省去了传统制作过程，使得制作周期大大缩短。从使用材料来看，3D 打印系统可以实现不同材料的打印，来满足不同领域的需要。例如，金属、石料、高分子材料都可以应用于3D 打印。传统金属加工过程中有大量金属原材料被丢弃，而3D 打印过程中金属材料浪费量较少，符合企业的降低成本、高效、质优的发展趋势。

3D 打印与传统制造对比，浪费原材料相对少，能得到设计者想要的实体模型。传统方式制造随着工件形状复杂程度的增加，制造成本也随之增加，而利用3D 打印技术制造形状复杂的物体，成本不会随之增加。传统的减材制造就是将原材通过车床、铣床、刨床、磨床、钻床等方式，去掉材料的一部分从而达到我们想要的实体模型。

在一些特别复杂的零部件或者异形件的加工上，会出现传统减材制造加工不出来的现象，所以在传统的制造中，出现等材制造。铸造、锻造等方式都是等材制造，通过一定的方式来改变原材料的形状，在材料质量不变的情况下获得所需要的实体模型。

等材制造尤其像注塑、模具等在实际的生产制造过程中已经变得越来越不可或缺，随着社会的飞速发展，人们除了对产品性能的需求之外，对产品的外形越来越关注，其在市场中占据了越来越重要的地位。据报道，目前主要的制鞋企业开始用3D 打印鞋类产品。而3D 打印这一技术能快速适应市场发展的需要，满足人们对美好生活的追求。

3D 打印技术的出现，带给人类前所未有的视觉冲击，最廉价的线材3D 打印机的价格10年之内从几万元降到上1 千多元，同时打印速度成倍数加快。3D 打印改变了人们的生产模式，并且优化了人类的生产结构和工作环境。随着科学技术的不断进步，3D 打印技术必将在今后的个性化生产活动中得到广泛的应用[5]。

因此，3D 打印技术作为传统制造业的一种补充，与传统制造业相互促进，提升制造业生产发展水平。

3 基于3D 打印技术的机械类课程教学改革

3.1 创新机械类课程授课理念

高校人才培养方案是根据不同专业的培养目标所制定的实施人才培养活动的具体方案。高校要综合考虑培养具有技能性、应用性的人才要求，动态编制新的方案或修订培养方案，在课程体系的设计上要针对社会对机械专业人才的需求，面向行业、企业和现实社会生活，既要注重传统基础理论的夯实和前沿专业科技的发展，又要注重学科与课程的系统性和专业课程的教学实践性[6]。对于授课环节的改革，现阶段的授课内容仍然是传统的教与学的关系，教师按照教学计划完成教学内容，而学生被动接受，缺少学生自主探究学习的过程，大大降低了学生自主创新的积极性，导致部分学生在课堂上活跃度较低，往往不能按教师要求完成教学目标。设计创新性实验课堂尤为重要，创新性实验是一种对学生综合能力要求更高的实验。与传统的实验相比，创新性的实验介于科学实验与基础教学实验之间，这就要求学生不仅仅要掌握一些基本的机械类课程专业知识，还应该掌握一些跨学科的内容[7]。最后是考核的形式，教师往往布置统一的教学作业，这样做的弊端在于无法准确衡量学生的设计建模能力，也不能保证考核的公平性，应摈弃传统的考核方式，本着调动学生学习兴趣和动手能力的目标，结合实际生产工作设计相应的考核要求。课堂上可根据教学计划携带相应的实体机械零件，教师可指定部分学生进行逆向建模，或者学生可根据自己的喜好对有关零部件的某部位进行建模，进行打分评定，最后将其成绩细化到期末考核中[8]。

3.2 引入3D 打印技术进课堂，拓展学生空间思维

3D 打印技术经过20 多年的发展、其精度和其靠性已经相当成熟，尤其是金属3D 打印不亚于传统制造水平。但在大学本科机械类课程学习中，学习的侧重点仍在于二维工程制图学习。涉及三维的建模课程如SolidWorks 等设计课程，虽然在一定程度上能够提升学生学习三维建模的兴趣，但因开课学时较少，导致学生只学习到基础的知识。

在教学过程中将三维实体建模与二维工程图结合起来，培养学生具有创意思维、创新精神、创业意识和创新创业能力的人才新机制，就是将3D 打印技术引入机械类教学，使其与传统的机械类课程教学紧密地结合，在课堂教学中，采用启发式等教学方法，激发学生的学习兴趣，让学生真正做到“心-脑-手”协调、同时调动，进而在课堂上产生主动学习的欲望、主动探索的求知欲，拓展学生空间思维能力。让全体学生都在思考一个问题，如何用适合自己的方法，高效、快捷地完成教师布置的课堂设计任务。

教学中引入“产品主任设计师”模式与创新能力的培养[3]，让学生组成项目设计小组，由主任设计师分配任务，这样可以培养学生应用能力和分析解决问题的能力，完成项目设计。并可开展设计作品鉴评，推出大家认为设计好的产品作品，进行3D 打印，并将打印实体模型保存积累起来，弥补教具的不足[9]。这样做的目的不仅可以增加学生学习兴趣，在下次授课中，学生会更加专门学习，并能触类旁通，已有的知识与技能更加扎实。 3D 打印的部件如图1与图2所示。

图1 3D 打印的油泵部件

图2 3D 打印的轴承与油泵

3.3 课堂实践互动，调动学生的学习积极性

课堂实践，作为机械类课程在读学生实践必不可少的一个重要环节，应为学生提供更多机会接触所学习领域的最新动态与内容，但因各种原因，学生自主到相关行业实习的机会较少，往往只能从有限的渠道了解本专业内容。授课教师应提供相应的多样化的学习窗口，增加学生学习的不同平台，让学生体会到实体机械构造中蕴含的专业知识。因此，可在学期的实习活动中安排进行不同机械机构的设计与创新，增加3D 打印三维实体模型的实践体验环节，而这一切都将有利于提升学生的兴趣及培养他们的创新思维，让学生学习效率更加高效，达到教学目的。