劉煒，李彪

(江蘇科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212100)

0 引言

“計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)”是輪機(jī)工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，區(qū)別于一般的機(jī)械類專業(yè)，該課程在前期教學(xué)中已經(jīng)由單純講述軟件的使用及操作，如AutoCAD、SolidWorks等，變?yōu)檫M(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)，使用的軟件也不是單獨(dú)一種，而是幾種軟件的綜合。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中更偏重使用技巧的訓(xùn)練，如畫好一個(gè)較為復(fù)雜的零件是長(zhǎng)期以來教學(xué)中的重點(diǎn)，而對(duì)課程與專業(yè)如何更好地結(jié)合考慮較少。這會(huì)帶來一些問題，如畢業(yè)生去船廠工作，會(huì)發(fā)現(xiàn)找不到很好的支撐點(diǎn)。輪機(jī)工程專業(yè)既要重視設(shè)計(jì)，又不能教條。教學(xué)團(tuán)隊(duì)梳理了現(xiàn)存問題，主要包括：①課程原教學(xué)方式以操作訓(xùn)練為主，沒有激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維；②課程原教學(xué)內(nèi)容多以軟件為主，對(duì)前期所學(xué)課程融會(huì)貫通的效果不佳。如果想讓專業(yè)學(xué)生在高等級(jí)學(xué)科競(jìng)賽或知識(shí)產(chǎn)權(quán)等方面獲得進(jìn)步，必須對(duì)輪機(jī)工程專業(yè)“計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)”課程進(jìn)行教學(xué)改革。

國內(nèi)外3D 打印服務(wù)于教育的應(yīng)用研究現(xiàn)在已經(jīng)在開展。云南農(nóng)業(yè)大學(xué)做了基于3D 打印技術(shù)的機(jī)械類課程教學(xué)改革[1]，使學(xué)生更好地掌握復(fù)雜工件的畫法和特點(diǎn)，掌握零配件設(shè)計(jì)的要領(lǐng)。太原科技大學(xué)開展了3D 打印與機(jī)械類專業(yè)教學(xué)相融合的研究[2]。北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院開設(shè)了“數(shù)字化設(shè)計(jì)與3D 打印”的第二課堂，來提升學(xué)生的專業(yè)興趣[3]。南通理工學(xué)院開設(shè)了“3D打印技術(shù)理論與實(shí)踐”公共選修課，為學(xué)生普及3D打印知識(shí)，拓寬學(xué)生的知識(shí)面[4]。

3D 打印技術(shù)是快速成形技術(shù)的一種，使用塑料、粉末狀金屬等粘合材料來逐層構(gòu)造物體。桌面級(jí)3D打印機(jī)已經(jīng)被廣泛使用，它有著方便、小巧等優(yōu)點(diǎn)，操作簡(jiǎn)單化[5]。本課題所用3D 打印機(jī)為Ultimaker 打印機(jī)，配合Ultimaker cura軟件使用，如圖1所示。

圖1 Ultimaker打印機(jī)及軟件

Ultimaker cura 是一款3D 打印軟件，與CAD 軟件集成以簡(jiǎn)化工作流程，或進(jìn)入自定義設(shè)置進(jìn)行深度控制。Cura 的核心是功能強(qiáng)大的開源切片引擎，可以通過stl 格式文件與Solidworks、AutoDesk Inventor 等軟件進(jìn)行交互。切片的過程就是對(duì)模型的分析過程，可以判斷模型是否適應(yīng)當(dāng)前3D 打印機(jī)的打印工作。學(xué)生設(shè)計(jì)的零件或者管路模型，都能夠通過格式轉(zhuǎn)換為stl文件，由cura軟件打開，進(jìn)行切片分析并打印。

1 教學(xué)內(nèi)容的改進(jìn)

針對(duì)本課程偏重技巧訓(xùn)練而與專業(yè)結(jié)合不好的問題，在課程內(nèi)容設(shè)置時(shí)，除軟件操作外，新增輪機(jī)專業(yè)設(shè)備與管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，擴(kuò)展了課程教學(xué)的外延。學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，課后也會(huì)花時(shí)間鉆研增加的學(xué)習(xí)內(nèi)容。設(shè)備結(jié)構(gòu)的展現(xiàn)、了解、熟悉和掌握，可以初步的聯(lián)系前期所學(xué)課程，如“傳熱學(xué)”，“流體力學(xué)”、“船舶輔機(jī)”等。部分船舶管路系統(tǒng)的引入，提升了虛擬設(shè)計(jì)的完整性，并且以船體為背景，可以提升學(xué)生對(duì)船舶整體的認(rèn)知。

增加3D 打印環(huán)節(jié)，課堂課后作業(yè)，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生通過對(duì)設(shè)備的研究，自主繪制設(shè)備零部件，繪制輪機(jī)系統(tǒng)組成管路，在參考原有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，鼓勵(lì)學(xué)生綜合所學(xué)知識(shí)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，選擇其中優(yōu)秀的予以打印。

2 教學(xué)方法的改進(jìn)

利用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法和翻轉(zhuǎn)課堂，項(xiàng)目教學(xué)法是在建構(gòu)主義指導(dǎo)下，通過實(shí)施一系列完整的教學(xué)項(xiàng)目，將理論和實(shí)踐有機(jī)地結(jié)合。項(xiàng)目教學(xué)法與傳統(tǒng)教學(xué)教師為主導(dǎo)按教學(xué)內(nèi)容組織教學(xué)相對(duì)，是以學(xué)生為主體、項(xiàng)目為載體實(shí)施教學(xué)，其強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。翻轉(zhuǎn)課堂，指依托于現(xiàn)代信息技術(shù)，重新規(guī)劃課堂內(nèi)外時(shí)間和安排教學(xué)內(nèi)容，將學(xué)習(xí)的決定權(quán)從教師轉(zhuǎn)移給學(xué)生，以學(xué)生學(xué)習(xí)為核心、教師傳授為輔助的新教學(xué)模式[6]。

按照輪機(jī)工程專業(yè)所涉及的項(xiàng)目的討論—設(shè)計(jì)—3D打印流程，在其中引入教師科研環(huán)節(jié)中用到的船舶設(shè)備改進(jìn)方案和系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖紙，進(jìn)行產(chǎn)—學(xué)—研—教學(xué)等活動(dòng)的結(jié)合。將科研與教學(xué)相結(jié)合，科研項(xiàng)目中的一部分知識(shí)結(jié)合教學(xué)，使得學(xué)生能夠明白正在進(jìn)行的教學(xué)活動(dòng)與未來自己的研究工作息息相關(guān)，提高了學(xué)生的認(rèn)識(shí)，從而使學(xué)生的主動(dòng)性得以激發(fā)，在接下來的翻轉(zhuǎn)課堂中，教師基本不用引導(dǎo)，學(xué)生會(huì)自主的通過討論將設(shè)計(jì)結(jié)果提出，并且爭(zhēng)先恐后地解說自己小組的設(shè)計(jì)。

教學(xué)組織環(huán)節(jié)，在設(shè)備零件虛擬設(shè)計(jì)或者船舶管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)階段，將學(xué)生分為多個(gè)小組，對(duì)設(shè)備零件或者管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行討論，教師采用啟發(fā)式教學(xué)，對(duì)原有設(shè)計(jì)提出修改意見，讓學(xué)生分組討論是否可行，各小組可以將設(shè)計(jì)的結(jié)果，提交給教師，進(jìn)行3D 打印，然后基于打印出來的模型，對(duì)比討論各組設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，從而激發(fā)學(xué)生鉆研和探索的興趣。零件作品如圖2，圖3所示。

圖2 螺旋槳葉片模型與3D打印結(jié)果

圖3 機(jī)械零件模型與3D打印結(jié)果

輪機(jī)工程專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)未來的工作方向在于船舶輪機(jī)系統(tǒng)建造，“計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)”不能僅僅局限于訓(xùn)練軟件畫圖技巧，而需要開拓學(xué)生思維，對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行融會(huì)貫通。

3 教學(xué)實(shí)例——輪機(jī)管路系統(tǒng)的討論、設(shè)計(jì)與3D打印

分油機(jī)周圍的管路一向以復(fù)雜著稱，教學(xué)中將這一題目分組設(shè)計(jì)，按照流體管網(wǎng)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行討論，結(jié)合管路布置工藝合理性要求，各小組提交管路設(shè)計(jì)，再進(jìn)行綜合討論，選出沿程阻力損失小，工藝合理并且美觀的管路設(shè)計(jì)進(jìn)行3D打印，結(jié)果如圖4所示。

圖4 分油機(jī)管路設(shè)計(jì)3D打印結(jié)果

通過教學(xué)環(huán)節(jié)，將翻轉(zhuǎn)課堂理念貫穿學(xué)生討論、設(shè)計(jì)和3D 打印的全過程，學(xué)生主動(dòng)性大大提高，改變了被動(dòng)學(xué)習(xí)的習(xí)慣。

4 教學(xué)效果與評(píng)價(jià)

經(jīng)過2020 年與2021 年輪機(jī)工程專業(yè)兩屆大三學(xué)生參與的“計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)”教學(xué)改革，結(jié)果證明，與3D打印相融合的課程教學(xué)效果良好。首先，課程的平均成績(jī)明顯提高，優(yōu)良率兩年都保持在55%，其次，專業(yè)學(xué)生參與科技競(jìng)賽的熱情與參與度不斷提升，兩個(gè)年度共獲得省級(jí)以上科技競(jìng)賽獎(jiǎng)勵(lì)55項(xiàng)，其中與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)相關(guān)獎(jiǎng)項(xiàng)21 項(xiàng)，較前一年度有了明顯提高；多人次參與撰寫申報(bào)發(fā)明專利，并獲得授權(quán)發(fā)明專利二項(xiàng)；此外輪機(jī)專業(yè)學(xué)生從事專業(yè)技術(shù)類工作的比例不斷提高，20，21 年畢業(yè)生從事專業(yè)技術(shù)工作接近100%，效果顯著。

5 結(jié)束語

“計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)”與3D 打印相融合的輪機(jī)工程專業(yè)課程體系改革逐漸起步，將3D 打印融入輪機(jī)專業(yè)課程體系，不僅能培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，而且能為學(xué)校本科教育增加創(chuàng)新思維，教學(xué)組織形式多樣化，對(duì)本科生培養(yǎng)手段的增加具有重要意義。

將3D 打印應(yīng)用用到“計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)”教學(xué)中，學(xué)生可直接通過3D 打印機(jī)完成計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造的全部過程，對(duì)于設(shè)備相關(guān)課程“船舶輔機(jī)”、“船舶柴油機(jī)”，“流體力學(xué)”和“傳熱學(xué)”等專業(yè)課和專業(yè)基礎(chǔ)課增加了理解，又能體驗(yàn)新生事物帶來的樂趣，3D 打印既操作簡(jiǎn)單安全，又趣味性十足，學(xué)生可以按照自己的設(shè)計(jì)打印出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的作品，并且可以隨時(shí)調(diào)整和更改設(shè)計(jì)，過程中有討論，也有爭(zhēng)辯，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，提升團(tuán)隊(duì)合作能力，并提高學(xué)習(xí)興趣。

3D打印技術(shù)包含很多學(xué)科的交叉知識(shí)，涉及設(shè)備運(yùn)行調(diào)試學(xué)科，材料學(xué)科、金屬加工學(xué)科、自動(dòng)化控制學(xué)科，三維實(shí)測(cè)學(xué)科等。這些領(lǐng)域?qū)τ谳啓C(jī)專業(yè)學(xué)生是較為陌生的學(xué)科領(lǐng)域，接觸的過程中，開拓了學(xué)生的視野，吸引了學(xué)生的注意力，學(xué)有余力的學(xué)生會(huì)將精力投入其中，進(jìn)行科學(xué)研究。