王振環(huán)

摘 要：將3D打印技術(shù)融入高校機(jī)械制圖教學(xué)環(huán)節(jié)，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的空間想象能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性，切實(shí)提升機(jī)械制圖課程的教學(xué)效果。文章從機(jī)械制圖教學(xué)概述入手，分析3D打印技術(shù)的發(fā)展歷程，總結(jié)當(dāng)前高校機(jī)械制圖教學(xué)存在的問(wèn)題，明確3D打印技術(shù)應(yīng)用于高校機(jī)械制圖教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，并在此基礎(chǔ)上提出3D打印技術(shù)在高校機(jī)械制圖教學(xué)中的創(chuàng)新應(yīng)用思路，以期為高校機(jī)械制圖教學(xué)模式的改革提供新視角。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù);雙創(chuàng);機(jī)械制圖;教學(xué)策略;教學(xué)研究

中圖分類(lèi)號(hào)：G648.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1008-3561（2022）04-0113-03

3D打印技術(shù)即快速成型技術(shù)的一種，又稱(chēng)增材制造，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。機(jī)械制圖課程是高校機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，具有教學(xué)基礎(chǔ)性和綜合實(shí)用性等特點(diǎn)。在雙創(chuàng)背景下，各高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育方興未艾，出現(xiàn)了大眾創(chuàng)業(yè)、萬(wàn)眾創(chuàng)新的新勢(shì)態(tài)。下面，筆者以3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)為載體，對(duì)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)背景下的高校機(jī)械制圖的教學(xué)設(shè)計(jì)思路與方法進(jìn)行探究。

一、機(jī)械制圖教學(xué)概述

1.機(jī)械制圖的教學(xué)框架

機(jī)械制圖是用圖樣確切表示機(jī)械的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸大小、工作原理和技術(shù)要求的學(xué)科。圖樣由圖形、符號(hào)、文字和數(shù)字等組成，是表達(dá)設(shè)計(jì)意圖和制造要求及交流經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)文件，常被稱(chēng)為工程界的語(yǔ)言。機(jī)械制圖過(guò)程大致包括以下幾個(gè)部分：制圖基礎(chǔ)知識(shí)、三視圖基礎(chǔ)、零件的表達(dá)方式等。機(jī)械制圖教學(xué)的主要目標(biāo)是讓學(xué)生在理解機(jī)械制圖國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，學(xué)會(huì)閱讀和繪圖。機(jī)械制圖教學(xué)的過(guò)程是制圖標(biāo)準(zhǔn)的理論學(xué)習(xí)與功能訓(xùn)練相結(jié)合，以及AutoCAD二維制圖方法在計(jì)算機(jī)繪圖中的應(yīng)用。

2.機(jī)械制圖的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，國(guó)家機(jī)械生產(chǎn)和制圖規(guī)范也在隨之不斷整合和改進(jìn)。我國(guó)現(xiàn)行機(jī)械制圖的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了在機(jī)械圖樣中標(biāo)注尺寸的方法，制圖理論簡(jiǎn)便實(shí)用，對(duì)整個(gè)行業(yè)具有很強(qiáng)的引領(lǐng)和指導(dǎo)意義。

二、3D打印技術(shù)的發(fā)展歷程

3D打印技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代中期，其本質(zhì)是一種分層的思想，即堆層和加法生產(chǎn)，通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。3D打印技術(shù)是借助于計(jì)算機(jī)、激光、數(shù)控和精密傳動(dòng)等先進(jìn)的現(xiàn)代手段，根據(jù)在計(jì)算機(jī)相關(guān)軟件上建立的三維模型，能在短時(shí)間內(nèi)直接制造產(chǎn)品或模型的快速成型制造技術(shù)。3D打印機(jī)與普通打印機(jī)的工作原理基本相同，其內(nèi)部裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過(guò)電腦控制把打印材料一層層疊加起來(lái)，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。3D打印技術(shù)具有高度的靈活性、高度的定制性，由于對(duì)零件形狀敏感度低，生產(chǎn)成本低，常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被用于制造模型，后逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，3D打印技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事國(guó)防、醫(yī)療器械裝備、高新技術(shù)、教育生產(chǎn)等領(lǐng)域。

三、高校機(jī)械制圖教學(xué)存在的問(wèn)題

1.傳統(tǒng)制圖教學(xué)模式的影響

在我國(guó)傳統(tǒng)制圖教學(xué)模式下，一方面，部分教師過(guò)于強(qiáng)調(diào)制圖理論的教學(xué)，導(dǎo)致學(xué)生實(shí)際制圖能力不足，另一方面，部分教師只關(guān)注學(xué)生能否順利通過(guò)相關(guān)課程考試，而忽視學(xué)生繪制地圖的靈活性，導(dǎo)致學(xué)生習(xí)慣于背誦書(shū)本上的概念和案例，缺乏自主創(chuàng)新思維意識(shí)。

2.教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際工作脫節(jié)

部分學(xué)校供學(xué)生實(shí)操的機(jī)械設(shè)備數(shù)量有限，不能滿(mǎn)足所有學(xué)生的操作需求，導(dǎo)致學(xué)生只能通過(guò)二維剖面圖來(lái)學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，實(shí)際動(dòng)手操作機(jī)械的機(jī)會(huì)有限，無(wú)法對(duì)機(jī)械內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成直觀(guān)認(rèn)識(shí)，很難真正理解機(jī)械設(shè)備的工作原理。還有部分學(xué)校供學(xué)生實(shí)操的機(jī)械設(shè)備老舊，結(jié)構(gòu)單一，與當(dāng)前前沿領(lǐng)域?qū)嶋H情況不符，學(xué)生所學(xué)內(nèi)容與實(shí)際工作需要脫節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法滿(mǎn)足用人單位需求。

3.教學(xué)方法不夠豐富

部分教師在實(shí)際教學(xué)中不能做到與時(shí)俱進(jìn)，不注意信息技術(shù)等教學(xué)方法的引入，還在延續(xù)傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)方法，導(dǎo)致課堂氛圍沉悶、枯燥，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)熱情不足，學(xué)習(xí)效果可想而知。

四、3D打印技術(shù)應(yīng)用于高校機(jī)械制圖教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

機(jī)械制圖專(zhuān)業(yè)課程具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用性和理論實(shí)踐性，對(duì)學(xué)生的空間想象能力、理解能力、思維能力都有較高的要求，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，具有一定的學(xué)習(xí)難度。3D打印技術(shù)可以把機(jī)械圖快速、便捷地打印出來(lái)，讓學(xué)生直觀(guān)地看到實(shí)物，從而可以幫助學(xué)生理解相關(guān)知識(shí)內(nèi)容，有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

1.幫助學(xué)生理解相關(guān)知識(shí)

在學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械制圖之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)過(guò)2D建模，但是2D模型不夠直觀(guān)，學(xué)生很難充分了解機(jī)械設(shè)備的真正工作原理。在實(shí)際教學(xué)中，教師可以利用3D打印技術(shù)將2D模型轉(zhuǎn)換成3D模型，這有助于學(xué)生對(duì)機(jī)械構(gòu)造、機(jī)械工作原理等形成具體、直觀(guān)的認(rèn)知，以此幫助學(xué)生真正理解相關(guān)知識(shí)內(nèi)容，有效提升學(xué)習(xí)效果。

2.促使學(xué)生改正錯(cuò)誤

通過(guò)3D建模技術(shù)，學(xué)生可以用制圖軟件直接在計(jì)算機(jī)上把腦中的靈感呈現(xiàn)出來(lái)，再利用3D打印技術(shù)把圖紙打印出來(lái)進(jìn)行直觀(guān)觀(guān)察，通過(guò)直觀(guān)的觀(guān)察，學(xué)生很容易發(fā)現(xiàn)自己在制圖中所犯的錯(cuò)誤，并及時(shí)進(jìn)行改正，從而在潛移默化中實(shí)現(xiàn)空間想象能力和操作能力的提高。

3.為學(xué)生提供真實(shí)模型

3D打印技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是可以方便、快捷地將各種形狀和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模型打印成真實(shí)的物體。利用這一優(yōu)勢(shì)，教師可以提供多種真實(shí)模型供學(xué)生學(xué)習(xí)和觀(guān)察，以此讓學(xué)生可以直觀(guān)地觀(guān)察到模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有效理解其工作原理。

4.激發(fā)學(xué)生參與熱情

3D打印技術(shù)作為一種新型技術(shù)，很容易吸引學(xué)生注意力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在實(shí)際教學(xué)中，教師可以利用學(xué)生對(duì)新技術(shù)的好奇心理，鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立建模，并將學(xué)生制作成功的模型在課堂上直接打印出來(lái)，以此讓學(xué)生收獲成就感，強(qiáng)化學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)感，促使學(xué)生愿意積極主動(dòng)地參與到課堂學(xué)習(xí)中，并能很快進(jìn)入深度學(xué)習(xí)狀態(tài)。

五、3D打印技術(shù)在高校機(jī)械制圖教學(xué)中的創(chuàng)新應(yīng)用

1.3D打印技術(shù)有助于抽象課程內(nèi)容具體化

機(jī)械制圖專(zhuān)業(yè)的課程體系繁雜，內(nèi)容枯燥、理論性強(qiáng)，如“機(jī)械制圖”和“機(jī)械制圖基礎(chǔ)”是高職機(jī)械專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課，其對(duì)學(xué)生的空間想象能力、抽象思維能力、邏輯思維能力等都有較高的要求，具有一定的學(xué)習(xí)難度。在以往教學(xué)中，大部分教師都采用多媒體技術(shù)、PPT、網(wǎng)絡(luò)課程等教學(xué)方法以圖像或視頻等方式向?qū)W生展示機(jī)械模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理。學(xué)生雖然也能看到機(jī)械模型的結(jié)構(gòu)，但是圖像或視頻還是不如實(shí)物那么形象、直觀(guān)和具有視覺(jué)沖擊力。將3D打印技術(shù)應(yīng)用于高校機(jī)械制圖教學(xué)后，教師可以將一些理論知識(shí)和抽象知識(shí)具體化地展示出來(lái)，從而有效彌補(bǔ)以往教學(xué)模式的不足，有效增強(qiáng)學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的認(rèn)知和理解，提升學(xué)習(xí)效果。例如，教師可以把3D打印技術(shù)應(yīng)用于相貫線(xiàn)、齒輪系、凸輪等課程中，將教學(xué)內(nèi)容中的抽象內(nèi)容以實(shí)物的形式直觀(guān)地展現(xiàn)出來(lái)，以此促進(jìn)學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解，提高學(xué)生的空間想象力，有效提升機(jī)械制圖專(zhuān)業(yè)課程的教學(xué)效果。

2.3D打印技術(shù)有助于學(xué)生理解與機(jī)械設(shè)備相關(guān)的知識(shí)

機(jī)械制圖專(zhuān)業(yè)課程中不僅涉及大量的抽象機(jī)械知識(shí)，還包括諸如凸輪、齒輪、軸承、彈簧等制圖模型的內(nèi)容。在以往教學(xué)中，大部分教師都是通過(guò)PPT圖片的方式進(jìn)行課堂教學(xué)，這種方式不夠直觀(guān)和真實(shí)，學(xué)生很難真正理解相關(guān)知識(shí)，常常會(huì)出現(xiàn)學(xué)習(xí)興趣不高、學(xué)習(xí)效果不好等問(wèn)題。將3D打印技術(shù)應(yīng)用于高校機(jī)械制圖教學(xué)后，教師可以利用3D打印技術(shù)為學(xué)生制造出各種實(shí)物模型，如凸輪、齒輪、軸承、彈簧等這些與機(jī)械設(shè)備密切相關(guān)的物品模型，讓學(xué)生直觀(guān)、清晰地看到這些模型的樣子，以此幫助學(xué)生理解機(jī)械結(jié)構(gòu)相關(guān)理論知識(shí)，學(xué)好機(jī)械制圖專(zhuān)業(yè)課程中與機(jī)械設(shè)備密切相關(guān)的知識(shí)。

3.3D打印技術(shù)有助于機(jī)械模型的結(jié)構(gòu)可視化

教師在講授機(jī)械制圖專(zhuān)業(yè)課程時(shí)，常常需要借助教具來(lái)幫助學(xué)生理解某些機(jī)械模型的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如機(jī)械的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、機(jī)械的組成、機(jī)械的工作原理、機(jī)械的運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)原理等。在以往教學(xué)中，由于受到技術(shù)水平的限制，教師往往只能通過(guò)一些固定的課件或者教材來(lái)進(jìn)行機(jī)械內(nèi)部結(jié)構(gòu)的講解，這種靜態(tài)的講解無(wú)法體現(xiàn)出機(jī)器的移動(dòng)，學(xué)生看不到機(jī)械運(yùn)動(dòng)的軌跡，因此學(xué)生對(duì)這部分知識(shí)的理解往往只能依靠想象力來(lái)實(shí)現(xiàn)，這導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)效果難以保障。將3D打印技術(shù)應(yīng)用于高校機(jī)械制圖教學(xué)后，教師可以利用3D建模形成可視化的教學(xué)方式，使這一困惑得到有效改善和解決。

4.3D打印技術(shù)有助于學(xué)生模型制圖思想的強(qiáng)化

在以往的教學(xué)中，教師只能通過(guò)實(shí)際操作來(lái)指導(dǎo)學(xué)生完成模型制造，這種教學(xué)模式只適用于簡(jiǎn)單的模型制造教學(xué)，對(duì)于那些結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的模型，教師很難指導(dǎo)學(xué)生在有限的課堂教學(xué)時(shí)間內(nèi)完成相應(yīng)的知識(shí)學(xué)習(xí)。將3D打印技術(shù)應(yīng)用于高校機(jī)械制圖教學(xué)后，教師可以利用3D打印技術(shù)進(jìn)行課堂引導(dǎo)，將機(jī)械制圖與實(shí)踐聯(lián)系起來(lái)。教師可以利用3D打印技術(shù)直觀(guān)地表達(dá)制圖或數(shù)據(jù)上的物理模型，以此幫助學(xué)生更全面地觀(guān)察模型的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，方便學(xué)生在建模時(shí)發(fā)現(xiàn)自己的知識(shí)漏洞，并針對(duì)模型中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題采取有針對(duì)性的補(bǔ)救措施。在實(shí)際操作和修改作品的過(guò)程中，學(xué)生的模型制圖思想會(huì)不斷得到深化，學(xué)生對(duì)機(jī)械專(zhuān)業(yè)知識(shí)的嚴(yán)謹(jǐn)性和規(guī)范性的認(rèn)識(shí)會(huì)逐漸提升，這對(duì)其今后走向工作崗位、滿(mǎn)足崗位需求起著至關(guān)重要的作用。

5.3D打印技術(shù)有助于學(xué)生模型制圖和繪圖能力的提高

在機(jī)械制圖專(zhuān)業(yè)課程中，模型制圖和繪圖是學(xué)生需要重點(diǎn)學(xué)習(xí)的知識(shí)內(nèi)容，也是本課程的難點(diǎn)所在。將3D打印技術(shù)應(yīng)用于高校機(jī)械制圖教學(xué)后，學(xué)生在進(jìn)行模型制圖和繪圖時(shí)，不再是單向地接受教師的思想，而是從“被動(dòng)學(xué)習(xí)”轉(zhuǎn)化為“主動(dòng)探索”，將工業(yè)課程轉(zhuǎn)化為更加具體形象的知識(shí)內(nèi)容，學(xué)生的創(chuàng)新靈活性也大大增強(qiáng)，學(xué)習(xí)效果也更為理想。

六、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，3D打印技術(shù)是一項(xiàng)新興的先進(jìn)制造技術(shù)，在教育領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。3D制圖及3D打印技術(shù)對(duì)于高校機(jī)械制圖教學(xué)來(lái)說(shuō)，是一種很好的輔助教學(xué)工具。3D打印技術(shù)在高校機(jī)械制圖教學(xué)中的應(yīng)用，不僅可以很好地解決知識(shí)的抽象性導(dǎo)致學(xué)生學(xué)難以理解相關(guān)知識(shí)的問(wèn)題，還能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

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Research on Mechanical Drawing Teaching in Colleges and Universities Based on 3D Printing Technology under the Background of Mass Rntrepreneurship and Innovation

Wang Zhenhuan

（Binzhou University， Shandong Binzhou 256600， China）

Abstract： Integrating 3D printing technology into the teaching of mechanical drawing in colleges and universities helps to stimulate students' learning interest， improve students' spatial imagination ability， cultivate students' creativity and effectively improve the teaching effect of mechanical drawing course. Starting with the overview of mechanical drawing teaching， this paper analyzes the development process of 3D printing technology， summarizes the problems existing in mechanical drawing teaching in colleges and universities， defines the advantages of 3D printing technology in mechanical drawing teaching in colleges and universities， and puts forward innovative application ideas of 3D printing technology in mechanical drawing teaching in colleges and universities， in order to provide a new perspective for the reform of mechanical drawing teaching mode in colleges and universities.

Key words： 3D printing technology; mass entrepreneurship and innovation; mechanical drawing; teaching strategies; teaching research