徐文　周麗紅　劉鈺如

摘 要：3D打印技術(shù)在高效工科教學教研活動的應用方興未艾，3D打印技術(shù)具有環(huán)保高效、加工靈活、適于設計等特點，將其引入到機械原理課程教學中十分便利。研究了3D打印機械原理課程教具、3D打印用于知識點的鞏固、3D打印用于課程設計和用于機械創(chuàng)新設計比賽等實踐方法，總結(jié)了3D打印應用于機械原理課程需要主要的幾個問題。改進了教學方法，改進了機械原理課程的考核評價體系，考核方式更加突出學生應用理論知識解決實際設計問題的能力。

關(guān)鍵詞：機械原理 3D打印 教學創(chuàng)新

The Application of 3D Printing in the Innovation of Mechanical Principle Course

Xu Wen Zhou Lihong Liu Yuru

Abstract：The application of 3D printing technology in high-efficiency engineering teaching and research activities is in the ascendant. 3D printing technology has the characteristics of environmental protection， high efficiency， flexible processing， and suitable for design. It is very convenient to introduce 3D into the teaching of mechanical principles. The article researched the practical methods of 3D printing mechanical principle course teaching aids， which is used to consolidate knowledge points. 3D printing is also used in course design and mechanical innovation design competitions. The article summarized the main problems of 3D printing applied to mechanical principle courses. The teaching method has been improved， and the evaluation system of the mechanical principle course has been improved. The evaluation method has highlighted the ability of students to apply theoretical knowledge to solve practical design problems.

Key words：mechanical principle， 3D printing， teaching innovation

1 引言

機械原理課程作為傳統(tǒng)的機械類核心專業(yè)課，主要講授機械結(jié)構(gòu)的運動特征和動力學特征，理論性強，涉及力學部分抽象，學生不便于理解，使用3D打印技術(shù)制作相關(guān)教具能有效輔助理論教學。新工科教育強調(diào)學生知識和能力的共進發(fā)展，將3D打印技術(shù)引入教學，在經(jīng)費允許的情況下，能夠最大程度地調(diào)動學生動手的積極性，鼓勵學生課后組成興趣小組，進而參加各類機械創(chuàng)新大賽，這對于傳統(tǒng)理論教學是一種有利的補充和創(chuàng)新。3D打印所需設備相對簡易，可有效解決傳統(tǒng)機加工制造機械裝置實物耗時長、費用高等問題[1]，適合機械原理課程的實踐教學。本文主要研究了3D打印在機械原理課程教學中的具體應用和創(chuàng)新實踐。

2 3D打印技術(shù)在教學中的應用現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)已在高校的課程創(chuàng)新實踐中有所應用。翟彥飛根據(jù)教學實踐著重分析了3D打印在機械專業(yè)課教學創(chuàng)新中應用的優(yōu)勢[2]。史洪松針對3D打印在機械設計課程中的應用思路進行了探討[3]。毛瑋等人針對3D打印技術(shù)在機械原理教具制作中的應用進行了研究[4]。

各高校都在積極實踐的基礎上對3D打印技術(shù)在機械專業(yè)課程教學中的創(chuàng)新應用進行了深入的探討，但對機械專業(yè)課程教學中3D打印教學創(chuàng)新實踐使用范圍小，主要局限于輔助理論課教學，應用實踐不是很充分。3D打印進課堂也需要更多組織形式方面的探討，并非一蹴而就。本文將從機械原理課程教學創(chuàng)新的多個方面論述3D打印的應用情況，為促進機械原理課程教學方法和內(nèi)容的改革提供借鑒。

3 3D打印在機械原理教學中的應用

高校新工科教學改革一個重要的方面是要改變傳統(tǒng)課堂教學中“老師講，學生聽”這種被動輸入式的教學模式，提倡翻轉(zhuǎn)課堂，調(diào)動學生積極性，提高學生動手能力。在理論課程教學的基礎上保證學生參與實踐操作的時間是一個教改難題。3D打印設備操作方便，教師教學和學生動手實踐上手都很快，與機械專業(yè)建模軟件對接良好，可以很好解決傳統(tǒng)輔助教學設備資源不充分、操作安全風險大、不易銜接課堂等問題。本文將3D打印技術(shù)應用于機械原理課程教學主要表現(xiàn)為以下三個方面：用于教具的制作;用于課程設計;用于機械創(chuàng)新設計比賽。

3.1 3D打印制作課程教具

機械原理作為機械專業(yè)基礎核心課，其理論知識多而繁復，原理內(nèi)容較深奧且抽象，抽象的原理性內(nèi)容教學很容易使學生在課堂上注意力不集中，上課質(zhì)量因此受到影響，嚴重影響教師授課效率，學生接受程度也難以跟上教師的教學節(jié)奏。機械原理傳統(tǒng)教學也會有很多教輔手段的應用，齒輪嚙合傳動、桿機構(gòu)的設計等大量內(nèi)容都會涉及到教具的使用。但是傳統(tǒng)教輔教具要么采購成本過于昂貴，要么加工不便利、花費高，造成教輔資源嚴重不足的現(xiàn)象，而3D打印機械原理教具，可解決機械原理課程教具不足的問題。3D打印機械結(jié)構(gòu)設備操作簡易靈活易上手，可以做到隨用隨打，利于老師突發(fā)靈感，打印更加適應理論教學的教具。學生通過觀看和接觸3D打印各種傳動機構(gòu)具象化地認識不同機構(gòu)的特點，增強對不同機構(gòu)工作原理的認識。3D打印機械原理課程教具，可改變傳統(tǒng)機械原理課堂教學死氣沉沉的氣氛，進而實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂，刺激學生學習動力，誘導學生主動思考，甚至引導課堂。

3.2 3D打印用于知識點的學習鞏固

機械原理課程的教學內(nèi)容較多，課后練習是學生鞏固課堂所學知識的一種非常有效的方法。傳統(tǒng)的作業(yè)形式都是以計算題、問答題、分析題等紙面練習，形式單一枯燥。借助3D打印技術(shù)，我們可以將課后作業(yè)的形式變得多樣化，例如通過打印實物印證設計的計算過程;通過打印實物印證較抽象的知識點的理解等。我們學校工程實訓中心有20多臺3D打印機，學生可以在課后利用3D打印機制作出機構(gòu)模型實物。這就不僅僅是需要學生動腦，還需要學生動手操作。從而可以進一步優(yōu)化和調(diào)整機械原理課程理論教學與實踐教學的比重，使機械原理這門專業(yè)課教學更能發(fā)揮出其應用性，可促進學生的學習熱情和興趣。這對于鞏固學生課堂所學，激勵學生參與更多更豐富的課外實踐活動都起到了積極作用。通過創(chuàng)新實踐，學生組成了一些興趣小組，學習熱情較之前有了很大提升。

3.3 3D打印用于課程設計

機械原理課程設計是與機原理論課緊密相連的重要實踐環(huán)節(jié)。我院傳統(tǒng)的機械原理課程設計設計一種沖床的傳動機構(gòu)，從電機出發(fā)，學生要依次設計定軸輪系、六桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)，歷時一周到兩周的課程設計，學生要完成機構(gòu)尺寸計算、畫圖，工作量不飽滿。完成既定設計的模型制作將使設計過程完整起來，但傳統(tǒng)的機加方式對于學生而言安全隱患大，而手工制作模型對于學生的動手能力又要求過高，這些問題都加大了實驗室老師組織課程設計的難度。使用3D打印技術(shù)有效克服了上述困難，學生上手快，興趣大，我系甚至嘗試了學生自擬設計題目的做法，充分鼓勵學生創(chuàng)新設計，教學反饋良好，學生普遍反應課程設計變得生動了。實踐證明，3D打印有利于機械原理課程設計任務更好地完成。

3.4 3D打印用于機械創(chuàng)新設計比賽

機械創(chuàng)新設計比賽是我院積極開展創(chuàng)新教學的重要任務，老師與學生都十分重視和珍惜比賽機會。每年舉辦的各類機械創(chuàng)新設計比賽能讓學生有運用所學知識，提高設計和操作能力的實踐機會，其中挑戰(zhàn)杯比賽尤其引起學院的重視。在應用3D打印技術(shù)之前，我系學生參加競賽，需要做出實物的部分都會遇到耗材成本高，設計思路更改及優(yōu)化不好進行等問題，嚴重影響了學生參加比賽的積極性，有時還會打亂參賽的節(jié)奏，導致比賽獲獎率低。帶隊老師經(jīng)驗要求高、老師參與度不高等問題也制約了參賽任務的完成。將3D打印技術(shù)應用于參賽項目實物制作之后，教師指導學生難度大大降低，學生也能根據(jù)比賽需要及時做出相應實物，制作大大降低、優(yōu)化更改設計的時間成本也大大降低，學生參賽獲獎情況大大改善。3D打印技術(shù)很好地支持了學生的創(chuàng)新能力訓練，學生掌握創(chuàng)新實踐方法的能力得到了提高，創(chuàng)新意識有力增強。

4 3D打印應用于機械原理教學需注意的問題

3D打印技術(shù)應用于機械原理課程教學，使學生有機會通過動手動腦，將課堂所學理論知識轉(zhuǎn)化成看得見的設計，學生進行獨立設計和實踐的能力得到了增強，對理論知識的理解由于實踐的支撐也更加深刻。3D打印技術(shù)的應用促進了機械原理課程教學由重理論輕實踐逐漸向?qū)W以致用的教學方式轉(zhuǎn)變，完善了機械原理課程的考核評價體系。但在機械原理教學過程中應用3D打印技術(shù)也應注意以下問題。

1.使用3D打印需要相應的硬件設備和軟件條件，需要集中采購，學生需要掌握一種三維建模軟件，需要前置課程的支持。教師與學生需要掌握簡單的設備調(diào)試和維護技巧。打印耗材需要以學期使用量為單位進行采購。

2. 桌面級打印機工作幅面不大，打印模型尺寸不宜過大。打印機對打印作品結(jié)構(gòu)有要求：不宜打印需要過多支撐的結(jié)構(gòu);不宜打印過于薄的機構(gòu);不宜打印過于復雜的拓撲結(jié)構(gòu)。

3. 由于3D打印機數(shù)量有限，打印模型亦需要一定的時間，很難做到一人一機，因此教師在組織實踐教學的過程中要根據(jù)實際情況對學生進行分組管理。每組成員合理分配打印時間，通過組織和小組內(nèi)調(diào)度，可以保證每組學生按時完成實物制作任務。小組成員在實物制作過程中亦可以相互交流。

5 總結(jié)

由于新工科對創(chuàng)新實踐的要求，將3D打印技術(shù)引入引入機械原理課程教學中。研究了3D打印機械原理課程教具、3D打印用于知識點的鞏固、3D打印用于課程設計和3D打印用于機械創(chuàng)新設計比賽等，改進了教學方法，提高了實踐操作時間，促使機械原理課程教學向知行合一的方式轉(zhuǎn)變。改進了機械原理課程的考核評價體系，考核方式更加突出學生應用理論知識解決實際設計問題的能力。

2019年度院級教研課題《3D打印技術(shù)在機械原理創(chuàng)新教學中的應用》（2019CYYBJY019）。

參考文獻：

[1]李永湘，何曉芬等.3D打印在機械原理課程教改中的應用[J].內(nèi)燃機與配件，2021（09）：214-215.

[2]翟彥飛.淺析3D打印技術(shù)在高職院校機械等相關(guān)課程教學中的應用[J].內(nèi)燃機與配件，2020（02）：279-280.

[3]史洪松.3D打印技術(shù)在《機械設計與原理》課程教學中的應用[J].信息與電腦（理論版），2018（16）：239-240.

[4]毛瑋，蔣洪奎.3D打印技術(shù)在機械原理課程教學中的應用[J].工業(yè)設計，2019（09）：33-34.