朱小明

（華南理工大學 廣州學院，廣州 510800）

0 引 言

有專家預言“三維打印技術(shù)將帶來第三次工業(yè)革命”。近年來三維打印技術(shù)迅猛發(fā)展，走進了各行各業(yè)。高校對三維打印技術(shù)的教學也越來越重視，機械、電子、生物醫(yī)學等專業(yè)的相關(guān)院校都購置了三維打印機，開展三維打印技術(shù)的實驗教學。如何讓三維打印在高校中得到更好的推廣和應用，第一步就是要制定好的實驗課程，使其在機械制造及其他學科領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。三維打印的實驗教學以提高學生的產(chǎn)品創(chuàng)新能力、設(shè)計能力和實際動手能力為主，主要包括三維軟件建模和使用三維打印機打印產(chǎn)品。本文結(jié)合實際的教學過程，開展三維打印實驗教學的研究，包括實驗教學理念的建立、教學的條件和實驗教學的主要設(shè)計思路，以規(guī)范實驗教學，提高實驗教學質(zhì)量。

1 教學理念的建立

三維打印實驗教學主要是培養(yǎng)學生創(chuàng)新和工程實踐能力。學生可以邊做邊學，設(shè)計、打印和測試自己的作品，通過一系列的動手實驗了解和實現(xiàn)自己的設(shè)計思想、設(shè)計作品。應該鼓勵學生設(shè)計和三維打印人們能夠使用的一些物體，或者無法在別的地方找到的特制模仿品，把自己的設(shè)計想法變成現(xiàn)實的東西，從中學到或感受到更多的東西。例如，在計算機上看起來很好的模型，打印出來后卻不太盡如人意，可能會比預想中的要大，外觀效果不夠完美或者強度不夠等等。

三維打印實驗教學還應能夠幫助在傳統(tǒng)教育中表現(xiàn)不太好的學生重新建立信心。有些學生在傳統(tǒng)理論教學中學不好，但使用設(shè)計工具和三維打印產(chǎn)品時也許能做得很好。所以三維設(shè)計和三維打印對擁有“視覺”或“觸覺”學習方式的學生有很大的吸引力。

2 實驗教學的條件

三維打印實驗教學主要是CAD 軟件建模和三維打印機加工產(chǎn)品。在CAD 軟件建模方面，主要考慮使用何種CAD 軟件。實驗時間較短，均為一天或兩天時間。如何在有限的時間內(nèi)使學生更快、更好地學習和掌握建模技術(shù)，CAD 軟件的選擇很重要。其中SolidWorks 軟件是一個不錯的選擇。該軟件界面簡潔，操作簡單，建模速度快，非常適合初學者使用，使沒有建?；A(chǔ)的學生也能在短時間內(nèi)建立一些簡單的模型。

為了學生有真正動手操作的機會，能把虛擬的三維數(shù)據(jù)變成現(xiàn)實產(chǎn)品，提高動手能力和學習興趣，學校在三維打印機的配置上要做好工作。最初，由于經(jīng)費的限制，很多學校只能購置一臺價格為十幾萬以上的三維打印機，一臺的數(shù)量根本無法滿足實訓的要求。學生一般只能看看，很少有動手操作的機會。隨著三維打印機的降價和簡易實驗用普及式打印機的推出，學校能用有限的經(jīng)費購買多臺普及式打印機。該類型打印機具有結(jié)構(gòu)簡單，體積?。卉浖到y(tǒng)具有開放式，便于學習和使用的特點。在成形過程中可清楚地觀察工件的成形狀況，便于操作者了解打印原理和過程。

3 實驗教學的設(shè)計思路

1）安排合理的教學內(nèi)容。參加實驗教學的學生來自不同的專業(yè)，教學時間的安排也不同。例如機械專業(yè)的實驗時間為兩天，其它專業(yè)（汽車、電信等）均為一天。所以要結(jié)合學生專業(yè)特點和實驗時間安排合理的教學內(nèi)容。一天實驗時間的教學，要求學生能完成簡單模型CAD 為主，軟件教學要簡單、實用，介紹的特征命令包括拉伸凸臺、拉伸切除、旋轉(zhuǎn)。在打印機教學上只包括打印機的基本操作和軟件中簡單參數(shù)的設(shè)定，不會強制要求做到優(yōu)化加工。在工藝原理中只包括FDM 工藝。兩天實驗時間的教學，要注重作品的設(shè)計質(zhì)量。在CAD 軟件教學上，特征命令會相應增加，包括拉伸凸臺、拉伸切除、旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)切除、掃描等，案例模型難度也會加大。三維打印作品上不但要完成加工，而且要做到工藝參數(shù)的優(yōu)化加工，所以控制軟件中各參數(shù)的設(shè)置會做詳細的講解。在FDM 工藝原理的基礎(chǔ)上，會拓展其它類型的三維打印工藝，例如SLA、SLS 等。

三維打印教學安排在學生產(chǎn)品建模后，會造成學生同一時間扎堆使用打印機的情況，所以要在產(chǎn)品建模前完成三維打印教學。這樣，先完成CAD 建模的學生可以先進行打印，未完成的同學繼續(xù)使用電腦建模。在有限的時間和設(shè)備資源下，使學生動手操作的機會最大化。

2）運用多種教學方式，提高學習興趣。要編好相關(guān)的實驗指導書，并在實驗中運用多種教學方式。教學中使用多媒體課件，課件中多以動畫、視頻和圖表等生動直觀的形式為主。搜集三維打印相關(guān)資料和最新信息動態(tài)，課堂上提供給學生；并向?qū)W生提供相關(guān)的學習網(wǎng)站，供學生課后學習研究。進行實驗室現(xiàn)場的三維打印作品展示和說明，提高學生學習興趣。課堂上多以提問、啟發(fā)、比較、討論等方式上課。在老師的引導下，學生通過小組討論和互助的方式來學習，充分調(diào)動學生的積極性。錄制一些軟件建模視頻和打印機操作視頻，方便學生對所學知識進行復習，加深理解，增加操作信心。

3）強調(diào)原創(chuàng)性和創(chuàng)新性。學生在實驗中三維打印的產(chǎn)品必須是自己設(shè)計或是經(jīng)過設(shè)計改動過的，不可直接使用已有的產(chǎn)品模型進行加工。鼓勵和引導學生結(jié)合專業(yè)特點進行產(chǎn)品創(chuàng)作或?qū)ΜF(xiàn)有的產(chǎn)品進行創(chuàng)新，即使是小小的設(shè)計或改變，也能使學生真正參與設(shè)計思考工作。例如機械專業(yè)的學生，可引導他們在設(shè)計上與機械原理等學科結(jié)合，設(shè)計一些典型的機械模型，例如發(fā)電機、齒輪等。通過設(shè)計、三維打印、產(chǎn)品分析，使學生從視覺、觸覺上深刻領(lǐng)會相關(guān)的原理和設(shè)計。

針對個別學生建模能力較差或產(chǎn)品模型比較復雜的情況，可為學生提供初步的CAD 模型，讓學生參考建模方法或?qū)ζ淠Ｐ瓦M行改良設(shè)計，提高建模效率。

4）注重動手能力、協(xié)作能力的培養(yǎng)。在實驗中，確定設(shè)計方案、產(chǎn)品建模和三維打印產(chǎn)品這些過程學生必須要親自實踐動手完成。上課前分組，確定人數(shù)，選好組長，明確組長責任，由組長協(xié)助老師對本組學生進行管理，協(xié)調(diào)本組學生進行作品設(shè)計討論交流，一起解決產(chǎn)品建模和打印操作中遇到的問題，既能相互監(jiān)督，又能培養(yǎng)學生之間的團隊協(xié)作能力。避免個別學生因遇到困難，而失去學習或動手操作的興趣。

加工結(jié)束后，學生對自己產(chǎn)品進行展示和說明，學生相互交流。老師對作品進行登記、點評和總結(jié)，向?qū)W生提出一些相關(guān)問題。這樣可以有效地督促學生進行學習和動手操作，營造良好的學習氛圍。

4 結(jié) 語

在實驗中，學生設(shè)計了許多高質(zhì)量且富有創(chuàng)意的作品。通過三維打印產(chǎn)品，使設(shè)計變成了現(xiàn)實，學生充滿了自豪感與成就感，增強了自信心和激發(fā)了創(chuàng)作力。另外，三維打印實驗室也為本校參加機械類設(shè)計比賽的學生提供了更深入的三維設(shè)計和打印技術(shù)培訓，學生利用三維打印機就能輕松地加工出產(chǎn)品，也為進一步的產(chǎn)品測試和修改節(jié)省了大量時間。開展教學一年多，三維打印實驗教學受到了學生的廣泛好評。

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