“计算机辅助设计”与3D打印相融合的创新教学方法研究＊

刘炜，李彪

(江苏科技大学能源与动力学院，江苏 镇江 212100)

0 引言

“计算机辅助设计”是轮机工程专业的专业基础课程，区别于一般的机械类专业，该课程在前期教学中已经由单纯讲述软件的使用及操作，如AutoCAD、SolidWorks等，变为进行虚拟设计，使用的软件也不是单独一种，而是几种软件的综合。学生在学习过程中更偏重使用技巧的训练，如画好一个较为复杂的零件是长期以来教学中的重点，而对课程与专业如何更好地结合考虑较少。这会带来一些问题，如毕业生去船厂工作，会发现找不到很好的支撑点。轮机工程专业既要重视设计，又不能教条。教学团队梳理了现存问题，主要包括：①课程原教学方式以操作训练为主，没有激发学生创新思维；②课程原教学内容多以软件为主，对前期所学课程融会贯通的效果不佳。如果想让专业学生在高等级学科竞赛或知识产权等方面获得进步，必须对轮机工程专业“计算机辅助设计”课程进行教学改革。

国内外3D 打印服务于教育的应用研究现在已经在开展。云南农业大学做了基于3D 打印技术的机械类课程教学改革[1]，使学生更好地掌握复杂工件的画法和特点，掌握零配件设计的要领。太原科技大学开展了3D 打印与机械类专业教学相融合的研究[2]。北京农业职业学院开设了“数字化设计与3D 打印”的第二课堂，来提升学生的专业兴趣[3]。南通理工学院开设了“3D打印技术理论与实践”公共选修课，为学生普及3D打印知识，拓宽学生的知识面[4]。

3D 打印技术是快速成形技术的一种，使用塑料、粉末状金属等粘合材料来逐层构造物体。桌面级3D打印机已经被广泛使用，它有着方便、小巧等优点，操作简单化[5]。本课题所用3D 打印机为Ultimaker 打印机，配合Ultimaker cura软件使用，如图1所示。

图1 Ultimaker打印机及软件

Ultimaker cura 是一款3D 打印软件，与CAD 软件集成以简化工作流程，或进入自定义设置进行深度控制。Cura 的核心是功能强大的开源切片引擎，可以通过stl 格式文件与Solidworks、AutoDesk Inventor 等软件进行交互。切片的过程就是对模型的分析过程，可以判断模型是否适应当前3D 打印机的打印工作。学生设计的零件或者管路模型，都能够通过格式转换为stl文件，由cura软件打开，进行切片分析并打印。

1 教学内容的改进

针对本课程偏重技巧训练而与专业结合不好的问题，在课程内容设置时，除软件操作外，新增轮机专业设备与管路系统设计的内容，扩展了课程教学的外延。学生在课堂学习的基础上，课后也会花时间钻研增加的学习内容。设备结构的展现、了解、熟悉和掌握，可以初步的联系前期所学课程，如“传热学”，“流体力学”、“船舶辅机”等。部分船舶管路系统的引入，提升了虚拟设计的完整性，并且以船体为背景，可以提升学生对船舶整体的认知。

增加3D 打印环节，课堂课后作业，同时鼓励学生通过对设备的研究，自主绘制设备零部件，绘制轮机系统组成管路，在参考原有设计的基础上，鼓励学生综合所学知识进行改进设计，选择其中优秀的予以打印。

2 教学方法的改进

利用项目驱动教学法和翻转课堂，项目教学法是在建构主义指导下，通过实施一系列完整的教学项目，将理论和实践有机地结合。项目教学法与传统教学教师为主导按教学内容组织教学相对，是以学生为主体、项目为载体实施教学，其强调学生自主学习。翻转课堂，指依托于现代信息技术，重新规划课堂内外时间和安排教学内容，将学习的决定权从教师转移给学生，以学生学习为核心、教师传授为辅助的新教学模式[6]。

按照轮机工程专业所涉及的项目的讨论—设计—3D打印流程，在其中引入教师科研环节中用到的船舶设备改进方案和系统设计图纸，进行产—学—研—教学等活动的结合。将科研与教学相结合，科研项目中的一部分知识结合教学，使得学生能够明白正在进行的教学活动与未来自己的研究工作息息相关，提高了学生的认识，从而使学生的主动性得以激发，在接下来的翻转课堂中，教师基本不用引导，学生会自主的通过讨论将设计结果提出，并且争先恐后地解说自己小组的设计。

教学组织环节，在设备零件虚拟设计或者船舶管路系统设计教学阶段，将学生分为多个小组，对设备零件或者管路系统的设计进行讨论，教师采用启发式教学，对原有设计提出修改意见，让学生分组讨论是否可行，各小组可以将设计的结果，提交给教师，进行3D 打印，然后基于打印出来的模型，对比讨论各组设计的优缺点，从而激发学生钻研和探索的兴趣。零件作品如图2，图3所示。

图2 螺旋桨叶片模型与3D打印结果

图3 机械零件模型与3D打印结果

轮机工程专业学生的培养未来的工作方向在于船舶轮机系统建造，“计算机辅助设计”不能仅仅局限于训练软件画图技巧，而需要开拓学生思维，对所学知识进行融会贯通。

3 教学实例——轮机管路系统的讨论、设计与3D打印

分油机周围的管路一向以复杂著称，教学中将这一题目分组设计，按照流体管网设计要求进行讨论，结合管路布置工艺合理性要求，各小组提交管路设计，再进行综合讨论，选出沿程阻力损失小，工艺合理并且美观的管路设计进行3D打印，结果如图4所示。

图4 分油机管路设计3D打印结果

通过教学环节，将翻转课堂理念贯穿学生讨论、设计和3D 打印的全过程，学生主动性大大提高，改变了被动学习的习惯。

4 教学效果与评价

经过2020 年与2021 年轮机工程专业两届大三学生参与的“计算机辅助设计”教学改革，结果证明，与3D打印相融合的课程教学效果良好。首先，课程的平均成绩明显提高，优良率两年都保持在55%，其次，专业学生参与科技竞赛的热情与参与度不断提升，两个年度共获得省级以上科技竞赛奖励55项，其中与计算机辅助设计相关奖项21 项，较前一年度有了明显提高；多人次参与撰写申报发明专利，并获得授权发明专利二项；此外轮机专业学生从事专业技术类工作的比例不断提高，20，21 年毕业生从事专业技术工作接近100%，效果显著。

5 结束语

“计算机辅助设计”与3D 打印相融合的轮机工程专业课程体系改革逐渐起步，将3D 打印融入轮机专业课程体系，不仅能培养学生的动手实践能力和创新意识，而且能为学校本科教育增加创新思维，教学组织形式多样化，对本科生培养手段的增加具有重要意义。

将3D 打印应用用到“计算机辅助设计”教学中，学生可直接通过3D 打印机完成计算机辅助设计和制造的全部过程，对于设备相关课程“船舶辅机”、“船舶柴油机”，“流体力学”和“传热学”等专业课和专业基础课增加了理解，又能体验新生事物带来的乐趣，3D 打印既操作简单安全，又趣味性十足，学生可以按照自己的设计打印出结构复杂的作品，并且可以随时调整和更改设计，过程中有讨论，也有争辩，激发学生的创造力，提升团队合作能力，并提高学习兴趣。

3D打印技术包含很多学科的交叉知识，涉及设备运行调试学科，材料学科、金属加工学科、自动化控制学科，三维实测学科等。这些领域对于轮机专业学生是较为陌生的学科领域，接触的过程中，开拓了学生的视野，吸引了学生的注意力，学有余力的学生会将精力投入其中，进行科学研究。