基于3D打印技术的新工科“工程图学”课程体系建设

杨磊 张聪 陈云

［摘 要］ 立足于新工科背景，总结当下“工程图学”课程的教学现状，探讨将3D打印技术融入“工程图学”课程教学，并结合三维建模与大学生各类竞赛，共建“工程图学”课程教学体系。通过在“工程图学”课程教学过程中，增加3D打印技术中的三维建模、打印以及实物模型观测等环节，讲解其原理并让学生实际操作，调动学生的学习热情并提高学习专注度，使其深入理解工程图学的知识要点。此外，可以引导学生利用3D打印技术参与竞赛，达到以赛代练的目的。同时，结合3D打印技术提出将工匠精神融入课程思政。

［关键词］ 新工科；工程图学；3D打印技术；课程建设；课程思政

［基金项目］ 2020年度教育部产学合作协同育人项目“面向新时代3D打印课程的建设”（202002232004）

［作者简介］ 杨 磊（1988—），男，江西南昌人，博士，武汉理工大学交通与物流工程学院副教授，硕士生导师，主要从事工程图学和3D打印研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A［文章编号］ 1674-9324（2023）18-0149-04［收稿日期］ 2022-02-18

引言

“工程图学”是所有工科类专业的一门必修基础课程，其目的在于教授学生阅读和绘制图样。然而由于该课程的理论知识比较抽象，并且实际绘图过程十分考验学生的空间想象力，因此该课程一直是工科学生“又爱又恨”的一门课程。

我国现代工程图学是在1963—1980年期间形成的，并在1980年之后得到了飞速的发展［1］。目前“工程图学”教学的基本思路是利用多媒体手段让学生学会识图、绘图等基本技能，该理念在近40年里得到了不断的发展。然而，随着我国工业水平的不断发展，传统教学方法难以满足学生对于图形知识的需求。此外，学生在学校学习的知识也难以达到企业对于工程人员的要求。本文旨在通过“工程图学”的新型教学方法，探索新工科“工程图学”课程体系建设，并在此基础上讨论3D打印技术在“工程图学”课程体系中的作用。

一、 “工程图学”课程现状

（一）制造业发展对“工程图学”的要求

随着我国制造业的蓬勃发展以及设计软件的更新，机械设计及工程人员的看图识图方式已从20世纪80年代前的手工绘图，发展到计算机二维图纸，再到现在的三维图形［2］。尽管二维图纸在工程中至关重要（其中的图纸信息包括各种公差、配合、工艺等），但是通过三维模型可以更加直观地传递设计者的思想，并且三维模型也更容易应用于实际加工中。以铣削为例，现代的数控铣削只需导入三维设计模型即可自动生成铣削路径，因此图样这种工程界的语言不再局限于二维图纸，而更多的是直观的三维模型和三维标注。

（二）高校课程现状

目前高校“工程图学”课程的教学仍以二维图纸的识图和绘图为主，考试内容也仅局限于手工绘图，较少涉及计算机辅助绘图和三维建模。此外，根据中国图学学会图学教育专业委员的调查研究，我国高校“工程图学”的课时在不断缩减［3］。以武汉理工大学交通类专业为例，“工程图学”课程学时为56个，上机学时为16个。在如此短的时间内要学会并理解机械制圖中的众多知识点，并训练出良好的空间想象力是非常困难的。根据学生的反馈，工程制图的学习呈现两极分化的趋势。部分空间想象力强的学生表示该课程在教师的引导下很容易学习，然而空间想象力较弱的学生则难以理解工程图学中抽象的空间曲线和立体图形的表达。

（三）教学方法改革现状

针对“工程图学”教学过程中的问题，国内学者提出了许多教学改革方法，目前应用较多的是线上线下混合式教学法，该方法通过建立以MOOC平台为代表的线上教学资源，解决了学时数有限、课外实践欠缺等难题，通过线上线下混合式教学法优化教学资源［4］。此外，有学者提出小规模限制性课程改革方法［5］。该方法利用SPOC课堂“小”的优势，提高了教师和学生交互的次数，这很好地弥补了课时不足的缺陷。以上改革均是从优化教学资源着手，但未能深层次地激发学生的兴趣，部分学生线上课程挂机现象明显，因此仍存在积极性不高的问题。

根据工程制图教学改革实践的调研结果，随着3D打印技术的发展，有学者开始思考将3D打印技术应用于课堂教学中［6］。根据卢帅等［7］人的应用探索，通过将3D打印技术引入“工程图学”课程教学，有利于培养学生主动学习的能力，调动学生的主动性，学生成绩合格率较以往提高了15%左右。本文拟探讨将3D打印技术融入“工程图学”教学中，并结合三维建模与大学生的各类竞赛，共同建立“工程图学”教学体系。

二、基于3D打印技术的新工科“工程图学”课程体系

3D打印，又称增材制造，该技术将离散材料（流态、丝状、粉末状）逐层添加在一起，并连接或固化成三维实体，给航空航天、制造业、生物医疗等行业带来了深刻的影响。如图1所示，3D打印技术是将三维模型离散切片并逐层叠加形成三维实体，是一种“三维—二维—三维”的过程，其与“工程图学”点、线、面、体的教学方法具有一定的联系，将3D打印技术融入课堂教学，特别是工程图学的学习中，有助于提高学生的学习积极性，增强学生的综合能力。

基于3D打印技术的新工科“工程图学”课程体系如图2所示，以点、线、面、体的关系等课堂知识点为基础，通过三维CAD辅助学习，采用3D打印模型及技术，借助大学竞赛逆向激励，构建基于3D打印技术的新工科“工程图学”课程体系。在“工程图学”教学过程中，3D打印技术可以将教学内容中抽象的图形具象化、可视化，调动学生的积极性，使学生获得更多的认知体验，提高课堂质量。

（一）让学生喜欢“工程图学”

通过随堂或课下制作3D打印教具，让学生亲自设计“工程图学”课程中需要的模型或与专业相关的结构，并应用桌面3D打印制造出所设计的模型，达到“所见即所得”的设计效果。这样可以极大地调动学生的积极性，丰富教学内容，让学生在课堂上不再感到枯燥。另外，“工程图学”课程中除了识图、绘图，还有一个重要的知识点是尺寸的标注及公差配合。课堂的讲解难以让学生真正理解尺寸链、公差带等理论知识，但是通过装配和拆卸3D打印制作的零件，可以加强学生对工程零件的认识，提高学生对尺寸标注及公差的理解，锻炼学生的动手能力。

普通3D打印耗材价格不高，适合于学生制作竞赛的作品。如图2所示，基于3D打印技术的新工科“工程图学”课程体系可以将大学生竞赛引入课程体系，在教师的带领下通过以赛代练的方法激发学生的潜能，更好地将工程图学的知识体系与实际相联系，使学生真正爱上“工程图学”课程［8］。

（二）让学生学会工程图学

3D打印前需要进行CAD辅助设计，而三维CAD也可以辅助学生学习工程图学中识图绘图的理论知识，并且可以将口述及PPT难于表达清楚的内容直观地展现给学生［9］。如图2所示，可以将工程图学的部分课程转移到机房或线上，使学生能有充分的时间学习三维CAD软件。在进行以PRO/E软件为例的三维CAD软件建模过程中，可以在操作过程中体会点、线、面、体之间的关系，并直观地将空间曲线进行投影。此外，也可以通过模型的旋转来理解并掌握截交线、相贯线等在各个视图中的特点。剖面图的绘制是该课程的一个难点，学生普遍反映难以想象，通过三维软件可以在零件或部件的任意位置进行剖切，形象地展示剖面的形状和位置。在学习和进行三维建模的过程中，学生可以真正理解模型，在进行一定时间的操作后，可以在脑海中勾勒出三维模型的形状。此外，3D打印的逐层打印与剖切面很相近，在3D打印的过程中中断打印可以得到某个物品剖切面的实物模型，将实物模型进行展示，可以让学生更好地理解剖视的概念。如此将课堂中的抽象知识点与软件实操以及3D打印模型相结合的教学方式，可以让学生更好地学习制图，达到事半功倍的效果。

（三）专业实际应用的3D打印技术教学

可以根据学生实际的专业背景，有针对性地制作一些实际应用的3D打印教学案例。如图3所示，在面向交通运输工程专业的学生时，针对交通运输工具的轻量化问题设计内部具有点阵结构的夹层舱体结构。这种复杂结构在通过“工程制图”课程训练后，可以通过三维设计软件参数，但利用常规制备工艺难以成形，唯有3D打印技术可以成功制备。这种新颖结构不仅可以实现结构轻量化，还可以实现减振、降噪等功能。通过这种针对不同专业的3D打印技术教学方式，可以将专业背景与课程完美融合。

（四）制图与课程思政

本文结合3D打印技术提出将工匠精神融入课堂的课程思政思考，可以从以下两个方面体现：（1）工程制图中从点到线、线到面、面到体的过程与3D打印逐层叠加的思路如出一辙，反映出一种以少积多、量变引起质变的工匠精神。大学是现代青年人生中最为宝贵的一段经历，也是最值得拼搏的一段时光，利用大学四年的时间努力积攒知识与技能将会助力今后的发展。（2）工程图学中长对正、高平齐、宽相等以及精细的尺寸公差标注反映了一种精益求精、一丝不茍的工匠精神，也间接说明工程图学的发展与国家制造业的水平息息相关，直接影响到我国航空航天、军事武器装备等重大战略发展行业，因此应该加强学生的社会使命感。

结语

高等院校“工程图学”课程的开设是为了让工科类学生具备一定的识图、绘图能力。课堂教学、三维建模软件的实操、3D打印技术三者相结合的教学方法不仅可以最大程度地调动学生的学习积极性，也可以使其在实操中感悟知识点，更能锻炼学生的动手能力。以3D打印为核心，鼓励学生参加各类大学生竞赛，以赛代练的方式更能刺激学生学习的热情。因此，基于3D打印技术建设新工科“工程图学”课程体系有利于学生掌握课程知识点及专业知识，进一步拓展了课程内容，可以形成教、学、做、创新创业的一体化良性循环。

参考文献

［1］刘克明.中国现代工程图学史略［C］//北京航空航天大学.第七届中日机械技术史和机械设计国际学术会议，2008：85-90.

［2］徐卫国，张良.高职机械类课程教学三维化融合应用［J］.时代汽车，2020（21）：83-84.

［3］张京英，佟献英，杨薇.“互联网+”时代图学教育现状调查与研究［J］.图学学报，2017，38（6）：919-924.

［4］张京英，杨薇，佟献英，等.构建基于OBE的立体化制图教学新体系［J］.图学学报，2019，40（1）：201-206.

［5］吕秋娟.混合式教学方法在工程制图课程中的应用［J］.大学教育，2020（4）：78-80.

［6］丁乔，张孟玫，李茂盛，等.以学生为中心的机械制图混合式教学模式研究与实践［J］.图学学报，2018，39（2）：362-366.

［7］卢帅，李瑞华，栗伟周.3D打印在工程图学课程教学中的应用研究［J］.教育教学论坛，2018（20）：160-161.

［8］汤晓燕，云忠.课赛合一的工程制图系列课程创新教学模式探索［J］.大学教育，2020（12）：50-52.

［9］李杨，刘国锋.“机械制图”与“三维CAD”相结合的教学模式探析［J］.南方农机，2021，52（11）：144-145.

Construction of Engineering Graphics Course System for Emerging Engineering Education Based on 3D Printing

YANG Lei， ZHANG Cong， CHEN Yun

（School of Transportation and Logistics Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan，

Hubei 430063， China）

Abstract： This article summarizes the current status of engineering graphics teaching， and based on the background of Emerging Engineering Education， explores the integration of 3D printing technology into the teaching of engineering graphics， and combines three-dimensional modeling with various college students competitions to jointly establish an engineering graphics teaching system. In the teaching process of engineering graphics， the design of the 3D model， 3D printing， and the observation of the physical model are explained and practically operated to mobilize the students enthusiasm for learning and increase the concentration of learning， so that they can deeply understand the main points of engineering graphics knowledge. Furthermore， guiding students to use 3D printing technology to participate in various competitions of various college students can achieve the purpose of “competition for training”. At the same time， combined with 3D printing， the idea of integrating “craftsman spirit” into curriculum ideology and politics is put forward.

Key words： Emerging Engineering Education; Engineering Graphics; 3D printing; curriculum construction; curriculum ideology and politics