摘 要：3D打印技術(shù)作為新一輪工業(yè)革命的核心技術(shù)，是智能制造的核心內(nèi)容。本文介紹了3D打印技術(shù)在機(jī)械類專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用，實(shí)物教具進(jìn)入課堂教學(xué)，能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對理論知識的掌握;同時還介紹了3D打印技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用，學(xué)生利用3D打印完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制作，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維，對學(xué)生今后的專業(yè)技能和職業(yè)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

關(guān)鍵詞：3D打印;課程教學(xué);實(shí)踐教學(xué);創(chuàng)新

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.187

0 引言

上世紀(jì)九十年代，制造技術(shù)迎來了一名新成員——3D打印技術(shù)（又稱增材制造技術(shù)）。它的出現(xiàn)，是制造科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的新機(jī)遇，是制造業(yè)有代表性的顛覆性技術(shù)，被視為“第三次工業(yè)革命”的代表。它的發(fā)展在一定程度上反映了國家的經(jīng)濟(jì)活力，是支撐創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)的利器，是“中國制造2025”的發(fā)展關(guān)鍵[1]。3D打印技術(shù)的實(shí)施，一方面能快速改變我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)面貌和發(fā)展模式，以原先制造所用的一半時間、一半成本，提升我國制造業(yè)的競爭力;另一方面能帶動設(shè)計(jì)、制造和材料三位一體發(fā)展，存進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與提升，有力推動我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

高校作為創(chuàng)新人才培養(yǎng)的主要場所，應(yīng)大力發(fā)展3D打印技術(shù)，不斷探索和尋找該技術(shù)與不同專業(yè)的結(jié)合點(diǎn)。將學(xué)生所學(xué)專業(yè)與3D打印技術(shù)相結(jié)合，利用其優(yōu)越性幫學(xué)生更好地掌握專業(yè)知識，使學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中激發(fā)創(chuàng)新思維，在實(shí)踐過程中鍛煉動手能力。

1 3D打印技術(shù)簡介

3D打印技術(shù)，屬于快速成形技術(shù)的一種。首先通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)建模軟件建模，以此模型文件作為基礎(chǔ)，然后通過相關(guān)軟件將模型進(jìn)行“切片”處理，電腦將這些切片信息傳送到3D打印機(jī)上。3D打印機(jī)運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，根據(jù)這些數(shù)字切片噴涂一層層的薄型層面，再將薄型層面堆疊起來，最終完成一個實(shí)體模型。它的出現(xiàn)體現(xiàn)了信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與先進(jìn)材料技術(shù)、數(shù)字制造技術(shù)的緊密結(jié)合，是先進(jìn)制造業(yè)的重要組成部分[2]。

3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相比較，大大縮短了生產(chǎn)時間，減少了材料的浪費(fèi)，降低了生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品的可靠性，同時可以制作相對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，滿足個性要求等。隨著科技技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印將會引發(fā)生產(chǎn)方式和社會生活的變革。

2 3D打印與課程教學(xué)相融合

在傳統(tǒng)的機(jī)械類課程教學(xué)中，整個課堂教學(xué)方式單一。雖然課堂上教師采用了多媒體技術(shù)與板書結(jié)合的方式，但依然是以教師為主的一味灌輸，課堂枯燥乏味，學(xué)生很難參與并理解，教學(xué)效果不盡如人意。將3D打印技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械類的課堂教學(xué)中，學(xué)生直接面對實(shí)物模型，增強(qiáng)學(xué)生的認(rèn)知能力，提高課程教學(xué)效果。

2.1 與機(jī)械制圖相融合

圖是工程師的語言，作為機(jī)械專業(yè)的學(xué)生，看圖能力和繪圖能力兩者缺一不可，那么機(jī)械制圖課程的重要性不言而喻[3]。但機(jī)械制圖課程對學(xué)生的空間想象力有很高的要求，比如兩個形體相貫后的相貫線，用平面截切立體形成的截交線，組合體的視圖等，如果想象不出來，就會使得這門課程學(xué)習(xí)起來非常困難。在機(jī)械制圖課程中融入3D打印，教師可以根據(jù)實(shí)際教學(xué)，打印出所需要的任何模型，這些模型的制作非常簡單方便且制作成本低廉，但卻能很好的為學(xué)生解答學(xué)習(xí)中的困惑。學(xué)生可以根據(jù)具體的實(shí)物圖，觀察各種線的形成進(jìn)而繪制三視圖。學(xué)生在大量的三視圖與實(shí)物圖之間進(jìn)行反復(fù)對照研究，找出制圖中遵循的規(guī)律，并在實(shí)踐中加深理解。

2.2 與機(jī)械原理相融合

機(jī)械原理課程是一門知識面較廣，實(shí)用性較強(qiáng)的課程，筆者在近五年的教學(xué)中，學(xué)生普遍反應(yīng)本門課程學(xué)習(xí)起來較為困難，說明目前的教學(xué)模式還有待改進(jìn)。在機(jī)械原理課程中融入3D打印，將大大改善原有的教學(xué)模式。例如在講解平面連桿機(jī)構(gòu)的基本知識時，可以讓學(xué)生以小組為單位，提前用3D打印機(jī)打印出長短不一的連桿。教師在上課時采用探究式和啟發(fā)式的方式來授課，學(xué)生根據(jù)自己手里的連桿拼接平面鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，以任意長度的四個連桿進(jìn)行組合，探索曲柄存在的條件，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)而探索以不同構(gòu)件作為機(jī)架時，鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的類型的變化。這樣可以調(diào)動學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)的興趣，活躍課堂氛圍，增加學(xué)生課堂的參與感，提高教學(xué)質(zhì)量。

3 3D打印與實(shí)踐教學(xué)相融合

實(shí)踐教學(xué)作為課程教學(xué)的重要組成部分，是對理論教學(xué)的補(bǔ)充和延伸，與理論教學(xué)相輔相成。學(xué)生在實(shí)踐過程中，運(yùn)用理論所學(xué)，提高自身實(shí)踐動手能力和創(chuàng)新能力[4]。我校增材制造創(chuàng)新中心（又稱“3D打印實(shí)驗(yàn)室”）成立于2017年11月，配備有50臺3D打印機(jī)。該實(shí)驗(yàn)室為開放型實(shí)驗(yàn)室，可以滿足學(xué)生完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、打印和后期處理等，使產(chǎn)品達(dá)到一定的功用。3D打印技術(shù)與實(shí)踐教學(xué)相融合，鼓勵學(xué)生參加創(chuàng)新比賽，提高學(xué)生的實(shí)踐能力和綜合設(shè)計(jì)能力。

3.1 與三維制圖軟件相融合

3D打印作為一種先進(jìn)的制造技術(shù)，吸引了不少大學(xué)生的好奇心。學(xué)生只有在計(jì)算機(jī)里繪制出產(chǎn)品的相應(yīng)模型，打印機(jī)才能將模型打印成成品。這就要求學(xué)生必須熟練掌握三維繪圖軟件，如SolidWorks、Pro/Engineer、3DMAX、UG等等。雖然我校并沒有開設(shè)三維制圖軟件的相關(guān)課程，但隨著3D打印實(shí)驗(yàn)室的建立，在我校學(xué)生中間掀起了一股學(xué)習(xí)三維軟件繪圖的熱潮。學(xué)生能深切地意識到繪圖能力的重要性，才能更主動地去學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)效率大大提高。只有掌握了三維繪圖這個基本技能，3D打印才能發(fā)揮作用。

3.2 與課程設(shè)計(jì)相融合

課程設(shè)計(jì)是專業(yè)課程的最后一個環(huán)節(jié)，是對學(xué)生進(jìn)行的一次全面的設(shè)計(jì)訓(xùn)練。我校機(jī)械設(shè)計(jì)的課程設(shè)計(jì)內(nèi)容一般為機(jī)械裝置（如結(jié)構(gòu)簡單的機(jī)械、機(jī)械傳動裝置和減速器等）的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時間一般為三周，要求學(xué)生最終提交裝配圖、重要零件的設(shè)計(jì)圖和設(shè)計(jì)說明書。這種傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)僅停留在紙面上，導(dǎo)致效果不佳。將3D打印技術(shù)與該課程設(shè)計(jì)相融合，引入三維繪圖設(shè)計(jì)的新思路。學(xué)生首先在三維繪圖軟件中進(jìn)行減速器的零件的設(shè)計(jì)，然后完成減速器的裝配，在裝配過程中，觀察各個零件的配合情況以及是否發(fā)生干涉，最后利用3D打印機(jī)將所有零件打印出來并完成組裝。這樣一個完整的減速器就做出來了。這種利用3D打印技術(shù)對計(jì)算機(jī)所建的虛擬模型進(jìn)行實(shí)體制造，可以大大增加學(xué)生的興趣和學(xué)習(xí)主動性。這種設(shè)計(jì)方法也可以對其他的課程設(shè)計(jì)起到借鑒作用。

3.3 與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)相融合

為適應(yīng)“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”的新浪潮，培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的主力軍，激發(fā)大學(xué)生的雙創(chuàng)熱情，我校3D打印實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生的雙創(chuàng)提供了基礎(chǔ)設(shè)施，在很大程度上能夠促進(jìn)雙創(chuàng)項(xiàng)目的完成。學(xué)生根據(jù)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目要實(shí)現(xiàn)的功能和目標(biāo)，提出自己的創(chuàng)意和想法，利用繪圖軟件設(shè)計(jì)出三維模型，再打印成成品，對打印的成品進(jìn)行后續(xù)處理并進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，最終變成能夠?qū)崿F(xiàn)某特定功能的產(chǎn)品，完成了設(shè)計(jì)到制造的一體化。讓更多的學(xué)生參與到創(chuàng)新設(shè)計(jì)中來，感受科技的魅力，讓更多的學(xué)生受益。

3.4 與學(xué)科競賽相融合

學(xué)科競賽是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)大學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作精神的有效途徑[5]。我校3D打印實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)建，為學(xué)生提供了一個可自由發(fā)揮的平臺，學(xué)生參加學(xué)科競賽的積極性明顯提高。我校學(xué)生的作品“集中貨物長行程遙控避障起重機(jī)”在2018年中國大學(xué)生機(jī)械工程創(chuàng)新創(chuàng)意大賽“礦源杯”第三屆全國大學(xué)生起重機(jī)創(chuàng)意大賽中獲獎，該作品中除了控制部分以外其余零部件都是學(xué)生自己設(shè)計(jì)使用3D打印機(jī)打印完成。我校學(xué)生團(tuán)隊(duì)參加2018一帶一路暨金磚國家技能發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新大賽——首屆工業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及其增材制造技術(shù)大賽，榮獲工業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及其增材制造技術(shù)大賽團(tuán)體三等獎。

4 結(jié)束語

3D打印作為新興的先進(jìn)制造技術(shù)，將其技術(shù)優(yōu)勢與機(jī)械專業(yè)課程相融合，全面拓展和完善教學(xué)方法，不斷推進(jìn)實(shí)踐教學(xué)，構(gòu)建理論和實(shí)踐相結(jié)合的課程體系，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，更進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生對機(jī)械設(shè)計(jì)的興趣，提高學(xué)習(xí)效果。今后還應(yīng)不斷探索3D打印與其他專業(yè)課程的融合，讓3D打印更好地為課堂教學(xué)服務(wù)，更好地為學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王強(qiáng)，姜明偉，郭書貴.中國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢分析[J].中國科技產(chǎn)業(yè)，2018（02）：52-56.

[2]杜國光，周明全，周蓬勃，付倩.未來設(shè)計(jì)新思路探討——從傳統(tǒng)制造技術(shù)到3D打印設(shè)計(jì)新框架[C].北京：第三屆交互設(shè)計(jì)國際會議，2013.

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[4]江帆，張春良，王一軍.機(jī)械專業(yè)學(xué)生主動實(shí)踐能力培養(yǎng)體系構(gòu)建[J].高等工程教學(xué)研究，2016（01）：187-192.

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作者簡介：趙婕（1990-），女，山西運(yùn)城人，碩士，助教，研究方向：智能制造技術(shù)。