盧香利

摘 要：在機械制造、文化藝術、醫(yī)學研究、教育教學等領域，3D 打印技術因其制作周期短、使用方便快捷等優(yōu)點而得到了廣泛應用。本文立足于3D打印技術的發(fā)展現(xiàn)狀，以豐富課堂教學、深化教學實踐、提升學生創(chuàng)新能力為出發(fā)點，從高職高專機械類專業(yè)教學的特點和問題出發(fā)，對機械類專業(yè)學生培養(yǎng)中應用3D打印技術進行了探討。

關鍵詞：3D打印 高職機械 學生培養(yǎng) 創(chuàng)新

3D打印技術又稱快速成型技術、增材制造技術，其制作周期短，使用方便快捷，目前已廣泛應用于航空航天、先進制造、醫(yī)療等領域，是一項在工業(yè)技術發(fā)展和創(chuàng)新人才培養(yǎng)方面具有舉足輕重地位的先進制造技術，是一項極具發(fā)展前景的先進制造技術。高職機械類專業(yè)雖然對口傳統(tǒng)制造行業(yè)，但隨著智能制造的發(fā)展，社會對機械類專業(yè)人才的要求越來越高。如何將3D打印技術應用到教學過程中，通過教學改革全面融入學生培養(yǎng)、專業(yè)教學、提升學生專業(yè)核心競爭力等方面，是當前迫切需要解決的問題[1]。

1 3D打印技術的概述

3D打印技術起源于20世紀80年代末和90年代初，是由三維CAD模型直接驅動，利用各種不同形態(tài)的金屬、光敏樹脂、塑料、砂等材料，通過層層堆疊的方式，利用粉末狀、絲狀、液態(tài)等各種形態(tài)材料生成物體。3D打印技術的成型工藝方法有很多，主要包括熔融沉積成型（FDM）、光固化成型（SLA）、選擇性激光燒結（SLS）、三維打印成型（3DP）、分層實體制造（LOM）等。通過3D打印技術得到實物模型，一般主要包括三維建模、模型切片、3D打印、模型后處理四個步驟。

3D打印技術（增材制造技術），與傳統(tǒng)的機械制造技術（也稱減材制造技術）相比，主要有以下幾個特點：

1）個性化設計與制作。通過三維建模軟件，用戶可以通過3D打印設備，根據(jù)自己的需要，設計出自己需要的三維模型，并快速制作出自己需要的模型實物。

2）縮短產品的研發(fā)和生產周期。傳統(tǒng)的零部件生產，不僅生產成本高，而且耗時長，還涉及毛坯鍛造、鑄造、零件機械加工、組裝拼接等多個復雜的步驟。3D打印技術的出現(xiàn)，使工藝得到了極大的簡化，整個產品的研發(fā)、生產周期也大大縮短了[2]。

2 機械類專業(yè)學生培養(yǎng)的特點

機械類專業(yè)是傳統(tǒng)專業(yè)，但隨著智能制造的發(fā)展，對高職機械類學生的培養(yǎng)提出了更高的要求。機械類專業(yè)要求學生學習的專業(yè)課程涉及內容廣泛，且有很多課程中包括抽象的、理解困難的知識內容，如《機械原理》、《機床夾具設計》等專業(yè)課程在教學過程中，會遇到一些抽象的概念或者復雜的機械結構，即使教師利用圖片、仿真動畫等多媒體方式進行輔助教學，學生學習效果依然不理想。主要由以下兩方面原因：一是直觀性不強，機械專業(yè)中涉及到的這些復雜的概念、零件形狀結構、工作原理等通常與學生的日常生活聯(lián)系不夠緊密，學生未見過實物，也沒有相應的直觀感受；二是這些教學方式難以激發(fā)學生的學習興趣，與多媒體資源相比，學生更傾向于對實物產生興趣，更愿意自己動手進行實踐[3]。

除了具備專業(yè)的理論知識和動手操作能力外，高職培養(yǎng)的人才要具備市場競爭力，還需要具備能將所需知識融會貫通、應用于生產實際的創(chuàng)新實踐能力。對于機械類專業(yè)的學生來說，要完成創(chuàng)新實踐作品，僅僅在專業(yè)軟件中完成作品的三維結構設計是遠遠不夠的，還需要將三維CAD模型轉化為具體的實物模型。要得到實物模型，傳統(tǒng)的生產模式就是通過車、銑、刨、磨、鉆等各種機械加工設備將零部件單獨加工出來，再進行裝配。這個過程中既需要準備機床、原材料、刀具、夾具等硬件設施，同時對學生的設備操作能力要求也相當高，同時還會存在一定的安全隱患。學生能完成整個項目創(chuàng)新實踐的可能性較低，這就大大降低了學生進行創(chuàng)新實踐的動力[4]。

機械類專業(yè)培養(yǎng)學生急需解決的問題是如何解決教學難題、促進學生興趣、提供創(chuàng)新實踐資源，而3D打印技術則提供了機械類專業(yè)深化教學改革的途徑。

3 3D打印技術深化機械類專業(yè)教學改革

3.1 3D打印技術豐富了課堂教學

為了滿足教學需求，教師可以根據(jù)教學內容或教材構建相應的教具三維模型，3D打印技術的出現(xiàn)，可快速將這些三維模型實物化。教學過程中，根據(jù)需要展示這些經(jīng)過3D打印得到的教具，學生可以近距離觀察或組裝這些教具模型。這種過程學習比原始的理論灌輸教學成果更顯著。如在《機械原理》的教學過程中，如果有各種典型零件、傳動方式的模型，可便于學生理解機械原理、結構及其使用。但實際情況是，大部分職業(yè)院校并無此條件，一方面是傳統(tǒng)機械的實物模型成本較高，另一方面，更重要的是隨著實際教學中項目化教學的推行，課程所需的模型也越來越個性化，市面上很難采購到與實際教學內容相匹配的實物模型。在無實物模型的情況下學習，學生學習過程的難度也大大增加。解決教學模具難題，可引入3D打印技術，教師將課程教學過程中所需的各種模型進行三維建模，再利用可實現(xiàn)個性化教具制作的3D打印設備進行3D打印。以3D打印作為工具，傳統(tǒng)的理論教學結合3D打印成型，制造出與課程配套相應的模型、教具，使教學資源庫的內容更加豐富和立體化[5]。學生還能通過3D打印技術協(xié)助教師制作教具，在設計、制作、裝配、原理分析等各個環(huán)節(jié)都能讓學生全程參與，通過此過程，學生的參與度和學習興趣進一步提升。

3.2 3D打印技術深化了教學實踐

實踐教學在高職教學中占有舉足輕重的地位，在傳統(tǒng)的《機床夾具設計》的教學實踐部分中，通常要求學生設計滿足加工需求的夾具結構，隨著三維建模軟件在學校的普及，可以要求學生在軟件中設計出夾具的詳細結構，甚至可以利用動畫仿真對夾具結構進行初步的運動分析。但是設計的夾具結構是否合理，最終能否使用，是否有些地方需要改進呢？僅從三維軟件中無法得到答案。通過3D打印技術，可以快速將三維模型轉化為實物，學生通過對打印的實物進行結構驗證，進一步加強了對理論知識的理解和應用。且學生在模型3D打印完成，進行模型裝配的過程中，又可以加深對公差配合、機械裝配等方面知識的實踐?；?D打印機的快速成型能力，學生能及時將理論學習、設計和項目成果建立直接的聯(lián)系，直接將設計轉化為作品，并能夠隨時調整和改進過程中的局限和不足之處，在知識和技能，理論和實踐之間架起來橋梁[6]。

4 3D打印技術提升學生創(chuàng)新實踐能力

目前國內高職工科學生的創(chuàng)新實踐能力普遍不高，而創(chuàng)新實踐能力是學生未來發(fā)展的一個重要影響因素。國家近年來大力倡導創(chuàng)新教育，并相繼出臺了《國務院關于大力推進大眾創(chuàng)業(yè)萬眾創(chuàng)新若干政策措施的意見》、《關于進一步支持大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的指導意見》等文件，鼓勵大學生進行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，同時開展廣泛的創(chuàng)客教育，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力及動手實踐能力。3D打印技術以其低成本、高效、靈活性成為創(chuàng)新教育的重要載體，為創(chuàng)新教育開辟了一條新的道路。通過3D打印技術，學生可快速將創(chuàng)新思路轉化為實物進行驗證，并能根據(jù)驗證結果進行不斷完善。3D打印過程需要學生動手進行三維模型設計、操作3D打印設備、應用各種工具進行模型處理，并反復進行調整與改進，以獲得最優(yōu)化的模型，同時學生在整個過程中提升了數(shù)字化、信息化應用水平。學生以3D打印技術為工具，完成創(chuàng)新項目實踐并參加“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、黃炎培職業(yè)教育創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、工業(yè)設計大賽、大學生機械創(chuàng)新設計大賽等機械類相關的競賽[7]。

在掌握專業(yè)課程理論知識的基礎上，借助3D打印技術，通過創(chuàng)新項目的實踐，能夠激發(fā)學生的創(chuàng)新思維及創(chuàng)造力，提高學生的團隊協(xié)作意識、動手實踐能力與解決問題的能力，最終學生的創(chuàng)新實踐能力得到培養(yǎng)和鍛煉。

5 結束語

教師可在培養(yǎng)高職高專機械類學生和專業(yè)教學過程中，應用3D打印技術制作個性化教學模型，使復雜、抽象的知識可視化，從而幫助學生更快地領悟；學生可將設計理論運用3D打印技術進行實物驗證，使教學實踐內容更加深入；同時，學生們可以增強創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，利用3D打印技術開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐活動。如何利用3D打印技術使課堂的教學內容更加趨向多樣化和實用化，使學生能夠將學到的知識進一步轉變?yōu)樯鐣嵺`，是我們進一步思考和展望的方向[8]。

本文系湖南機電職業(yè)技術學院 2022 年度院級一般資助課題《基于“崗課賽證”融通的增材制造技術專業(yè)課程體系研究》（編號：YJB202213）的研究成果。

參考文獻：

[1]楊璐銓，趙玉剛.3D 打印技術在機械學科教學中的應用研究[J]. 天津職業(yè)聯(lián)合學報.2020（5）：41-44.

[2]董曉倩.利用3D打印技術深化高職課堂教學改革的途徑研究[J]. 電腦知識與技術.2021（7）：92-93，105.

[3]郭嵐，王紅霞.3D打印技術在職校機械類課程改革中的應用及發(fā)展研究[J].現(xiàn)代職業(yè)教育.2021（37）：170-171.

[4]郭文霞，張海川.工程訓練開設3D打印技術實訓課程的探索與實踐[J].中國現(xiàn)代教育裝備.2019（15）：49-51，56.

[5]李永湘，何曉芬，馬秀勤，張寧.3D打印在機械原理課程教改中的應用[J].內燃機與配件.2021（05）：214-215.

[6]柳翊，郭玉波，石磊，林海燕，金文中，賈利曉.3D打印技術在材料成型及控制工程專業(yè)實踐教學中的應用探索.輕工科技.2021，37（08）：137-138.

[7]安芬菊，張靜，吳敬權.基于學科競賽的 3D 打印實踐教學模式的研究[J].中國設備工程.2022（18）：262-264.

[8]班嵐，張超，遲歡，張衛(wèi)，徐江燕.3D打印技術在高校教改中的現(xiàn)狀與未來[J].大眾標準化.2021（05）：48-50.