楊磊 張聰 陳云

［摘 要］ 立足于新工科背景，總結(jié)當下“工程圖學”課程的教學現(xiàn)狀，探討將3D打印技術融入“工程圖學”課程教學，并結(jié)合三維建模與大學生各類競賽，共建“工程圖學”課程教學體系。通過在“工程圖學”課程教學過程中，增加3D打印技術中的三維建模、打印以及實物模型觀測等環(huán)節(jié)，講解其原理并讓學生實際操作，調(diào)動學生的學習熱情并提高學習專注度，使其深入理解工程圖學的知識要點。此外，可以引導學生利用3D打印技術參與競賽，達到以賽代練的目的。同時，結(jié)合3D打印技術提出將工匠精神融入課程思政。

［關鍵詞］ 新工科；工程圖學；3D打印技術；課程建設；課程思政

［基金項目］ 2020年度教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目“面向新時代3D打印課程的建設”（202002232004）

［作者簡介］ 楊 磊（1988—），男，江西南昌人，博士，武漢理工大學交通與物流工程學院副教授，碩士生導師，主要從事工程圖學和3D打印研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）18-0149-04［收稿日期］ 2022-02-18

引言

“工程圖學”是所有工科類專業(yè)的一門必修基礎課程，其目的在于教授學生閱讀和繪制圖樣。然而由于該課程的理論知識比較抽象，并且實際繪圖過程十分考驗學生的空間想象力，因此該課程一直是工科學生“又愛又恨”的一門課程。

我國現(xiàn)代工程圖學是在1963—1980年期間形成的，并在1980年之后得到了飛速的發(fā)展［1］。目前“工程圖學”教學的基本思路是利用多媒體手段讓學生學會識圖、繪圖等基本技能，該理念在近40年里得到了不斷的發(fā)展。然而，隨著我國工業(yè)水平的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)教學方法難以滿足學生對于圖形知識的需求。此外，學生在學校學習的知識也難以達到企業(yè)對于工程人員的要求。本文旨在通過“工程圖學”的新型教學方法，探索新工科“工程圖學”課程體系建設，并在此基礎上討論3D打印技術在“工程圖學”課程體系中的作用。

一、 “工程圖學”課程現(xiàn)狀

（一）制造業(yè)發(fā)展對“工程圖學”的要求

隨著我國制造業(yè)的蓬勃發(fā)展以及設計軟件的更新，機械設計及工程人員的看圖識圖方式已從20世紀80年代前的手工繪圖，發(fā)展到計算機二維圖紙，再到現(xiàn)在的三維圖形［2］。盡管二維圖紙在工程中至關重要（其中的圖紙信息包括各種公差、配合、工藝等），但是通過三維模型可以更加直觀地傳遞設計者的思想，并且三維模型也更容易應用于實際加工中。以銑削為例，現(xiàn)代的數(shù)控銑削只需導入三維設計模型即可自動生成銑削路徑，因此圖樣這種工程界的語言不再局限于二維圖紙，而更多的是直觀的三維模型和三維標注。

（二）高校課程現(xiàn)狀

目前高?！肮こ虉D學”課程的教學仍以二維圖紙的識圖和繪圖為主，考試內(nèi)容也僅局限于手工繪圖，較少涉及計算機輔助繪圖和三維建模。此外，根據(jù)中國圖學學會圖學教育專業(yè)委員的調(diào)查研究，我國高?！肮こ虉D學”的課時在不斷縮減［3］。以武漢理工大學交通類專業(yè)為例，“工程圖學”課程學時為56個，上機學時為16個。在如此短的時間內(nèi)要學會并理解機械制圖中的眾多知識點，并訓練出良好的空間想象力是非常困難的。根據(jù)學生的反饋，工程制圖的學習呈現(xiàn)兩極分化的趨勢。部分空間想象力強的學生表示該課程在教師的引導下很容易學習，然而空間想象力較弱的學生則難以理解工程圖學中抽象的空間曲線和立體圖形的表達。

（三）教學方法改革現(xiàn)狀

針對“工程圖學”教學過程中的問題，國內(nèi)學者提出了許多教學改革方法，目前應用較多的是線上線下混合式教學法，該方法通過建立以MOOC平臺為代表的線上教學資源，解決了學時數(shù)有限、課外實踐欠缺等難題，通過線上線下混合式教學法優(yōu)化教學資源［4］。此外，有學者提出小規(guī)模限制性課程改革方法［5］。該方法利用SPOC課堂“小”的優(yōu)勢，提高了教師和學生交互的次數(shù)，這很好地彌補了課時不足的缺陷。以上改革均是從優(yōu)化教學資源著手，但未能深層次地激發(fā)學生的興趣，部分學生線上課程掛機現(xiàn)象明顯，因此仍存在積極性不高的問題。

根據(jù)工程制圖教學改革實踐的調(diào)研結(jié)果，隨著3D打印技術的發(fā)展，有學者開始思考將3D打印技術應用于課堂教學中［6］。根據(jù)盧帥等［7］人的應用探索，通過將3D打印技術引入“工程圖學”課程教學，有利于培養(yǎng)學生主動學習的能力，調(diào)動學生的主動性，學生成績合格率較以往提高了15%左右。本文擬探討將3D打印技術融入“工程圖學”教學中，并結(jié)合三維建模與大學生的各類競賽，共同建立“工程圖學”教學體系。

二、基于3D打印技術的新工科“工程圖學”課程體系

3D打印，又稱增材制造，該技術將離散材料（流態(tài)、絲狀、粉末狀）逐層添加在一起，并連接或固化成三維實體，給航空航天、制造業(yè)、生物醫(yī)療等行業(yè)帶來了深刻的影響。如圖1所示，3D打印技術是將三維模型離散切片并逐層疊加形成三維實體，是一種“三維—二維—三維”的過程，其與“工程圖學”點、線、面、體的教學方法具有一定的聯(lián)系，將3D打印技術融入課堂教學，特別是工程圖學的學習中，有助于提高學生的學習積極性，增強學生的綜合能力。

基于3D打印技術的新工科“工程圖學”課程體系如圖2所示，以點、線、面、體的關系等課堂知識點為基礎，通過三維CAD輔助學習，采用3D打印模型及技術，借助大學競賽逆向激勵，構(gòu)建基于3D打印技術的新工科“工程圖學”課程體系。在“工程圖學”教學過程中，3D打印技術可以將教學內(nèi)容中抽象的圖形具象化、可視化，調(diào)動學生的積極性，使學生獲得更多的認知體驗，提高課堂質(zhì)量。

（一）讓學生喜歡“工程圖學”

通過隨堂或課下制作3D打印教具，讓學生親自設計“工程圖學”課程中需要的模型或與專業(yè)相關的結(jié)構(gòu)，并應用桌面3D打印制造出所設計的模型，達到“所見即所得”的設計效果。這樣可以極大地調(diào)動學生的積極性，豐富教學內(nèi)容，讓學生在課堂上不再感到枯燥。另外，“工程圖學”課程中除了識圖、繪圖，還有一個重要的知識點是尺寸的標注及公差配合。課堂的講解難以讓學生真正理解尺寸鏈、公差帶等理論知識，但是通過裝配和拆卸3D打印制作的零件，可以加強學生對工程零件的認識，提高學生對尺寸標注及公差的理解，鍛煉學生的動手能力。

普通3D打印耗材價格不高，適合于學生制作競賽的作品。如圖2所示，基于3D打印技術的新工科“工程圖學”課程體系可以將大學生競賽引入課程體系，在教師的帶領下通過以賽代練的方法激發(fā)學生的潛能，更好地將工程圖學的知識體系與實際相聯(lián)系，使學生真正愛上“工程圖學”課程［8］。

（二）讓學生學會工程圖學

3D打印前需要進行CAD輔助設計，而三維CAD也可以輔助學生學習工程圖學中識圖繪圖的理論知識，并且可以將口述及PPT難于表達清楚的內(nèi)容直觀地展現(xiàn)給學生［9］。如圖2所示，可以將工程圖學的部分課程轉(zhuǎn)移到機房或線上，使學生能有充分的時間學習三維CAD軟件。在進行以PRO/E軟件為例的三維CAD軟件建模過程中，可以在操作過程中體會點、線、面、體之間的關系，并直觀地將空間曲線進行投影。此外，也可以通過模型的旋轉(zhuǎn)來理解并掌握截交線、相貫線等在各個視圖中的特點。剖面圖的繪制是該課程的一個難點，學生普遍反映難以想象，通過三維軟件可以在零件或部件的任意位置進行剖切，形象地展示剖面的形狀和位置。在學習和進行三維建模的過程中，學生可以真正理解模型，在進行一定時間的操作后，可以在腦海中勾勒出三維模型的形狀。此外，3D打印的逐層打印與剖切面很相近，在3D打印的過程中中斷打印可以得到某個物品剖切面的實物模型，將實物模型進行展示，可以讓學生更好地理解剖視的概念。如此將課堂中的抽象知識點與軟件實操以及3D打印模型相結(jié)合的教學方式，可以讓學生更好地學習制圖，達到事半功倍的效果。

（三）專業(yè)實際應用的3D打印技術教學

可以根據(jù)學生實際的專業(yè)背景，有針對性地制作一些實際應用的3D打印教學案例。如圖3所示，在面向交通運輸工程專業(yè)的學生時，針對交通運輸工具的輕量化問題設計內(nèi)部具有點陣結(jié)構(gòu)的夾層艙體結(jié)構(gòu)。這種復雜結(jié)構(gòu)在通過“工程制圖”課程訓練后，可以通過三維設計軟件參數(shù)，但利用常規(guī)制備工藝難以成形，唯有3D打印技術可以成功制備。這種新穎結(jié)構(gòu)不僅可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化，還可以實現(xiàn)減振、降噪等功能。通過這種針對不同專業(yè)的3D打印技術教學方式，可以將專業(yè)背景與課程完美融合。

（四）制圖與課程思政

本文結(jié)合3D打印技術提出將工匠精神融入課堂的課程思政思考，可以從以下兩個方面體現(xiàn)：（1）工程制圖中從點到線、線到面、面到體的過程與3D打印逐層疊加的思路如出一轍，反映出一種以少積多、量變引起質(zhì)變的工匠精神。大學是現(xiàn)代青年人生中最為寶貴的一段經(jīng)歷，也是最值得拼搏的一段時光，利用大學四年的時間努力積攢知識與技能將會助力今后的發(fā)展。（2）工程圖學中長對正、高平齊、寬相等以及精細的尺寸公差標注反映了一種精益求精、一絲不茍的工匠精神，也間接說明工程圖學的發(fā)展與國家制造業(yè)的水平息息相關，直接影響到我國航空航天、軍事武器裝備等重大戰(zhàn)略發(fā)展行業(yè)，因此應該加強學生的社會使命感。

結(jié)語

高等院校“工程圖學”課程的開設是為了讓工科類學生具備一定的識圖、繪圖能力。課堂教學、三維建模軟件的實操、3D打印技術三者相結(jié)合的教學方法不僅可以最大程度地調(diào)動學生的學習積極性，也可以使其在實操中感悟知識點，更能鍛煉學生的動手能力。以3D打印為核心，鼓勵學生參加各類大學生競賽，以賽代練的方式更能刺激學生學習的熱情。因此，基于3D打印技術建設新工科“工程圖學”課程體系有利于學生掌握課程知識點及專業(yè)知識，進一步拓展了課程內(nèi)容，可以形成教、學、做、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的一體化良性循環(huán)。

參考文獻

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Construction of Engineering Graphics Course System for Emerging Engineering Education Based on 3D Printing

YANG Lei， ZHANG Cong， CHEN Yun

（School of Transportation and Logistics Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan，

Hubei 430063， China）

Abstract： This article summarizes the current status of engineering graphics teaching， and based on the background of Emerging Engineering Education， explores the integration of 3D printing technology into the teaching of engineering graphics， and combines three-dimensional modeling with various college students competitions to jointly establish an engineering graphics teaching system. In the teaching process of engineering graphics， the design of the 3D model， 3D printing， and the observation of the physical model are explained and practically operated to mobilize the students enthusiasm for learning and increase the concentration of learning， so that they can deeply understand the main points of engineering graphics knowledge. Furthermore， guiding students to use 3D printing technology to participate in various competitions of various college students can achieve the purpose of “competition for training”. At the same time， combined with 3D printing， the idea of integrating “craftsman spirit” into curriculum ideology and politics is put forward.

Key words： Emerging Engineering Education; Engineering Graphics; 3D printing; curriculum construction; curriculum ideology and politics