高成德 冯佩 帅词俊 金娇
摘 要：机械制图是一门具有很强实践性的机械工程专业基础课程，对空间想象和逻辑思维能力都有着较高的要求，但由于教学内容守旧单一、教学手段不够丰富等问题，教学质量往往差强人意。通过认识机械制图课程的教学目标、特点以及现存问题，提出将3D打印技术融入机械制图课堂教学过程中，并给出了具体实施方案，实现3D打印与机械制图的有机结合，激发学生学习兴趣与积极性，提高机械制图课程的教学效果和人才培养质量。
关键词：3D打印 机械制图 教学改革 机械工程
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）06（b）-0022-02
作为一种前沿性的先进制造技术，3D打印以数字模型为基础，以粉末状可粘合材料为原料，通过逐层堆叠累积方式构造物体，被誉为“第三次工业革命的重要标志之一”。该技术最大的优点是不需要任何模具和夹具，就能直接通过计算机模型数据制造出三维实体零件，而且得益于独特的分层制造理念，3D打印能够加工传统技术难以制造的复杂形状和内部结构，具有高度柔性、快速有效的特点[1]，能够快速体现产品设计，极大地提高产品研发效率并降低生产成本。
高校的生存和发展依赖教学质量的保障，而高校教师在教学内容上应与专业发展的最新动态保持一致，才能更好地开展应用型教学。3D打印虽然在复杂结构制造方面拥有独特优势，但目前更多应用于科学研究、私人定制等受众较窄的领域，3D打印不应是成本高昂、让人无法企及高深科学，关于其应用于教育教学工作的探索应进一步深入，不断完善3D打印教育创新，使3D打印从象牙塔里的前沿科技，发展成为融入学校、家庭和社会教育常态的技术。
对于机械工程专业，3D打印代表着高端制造的发展方向，开展3D打印技术的教育教学工作尤为重要和迫切。而作为该专业十分重要的基础课程，机械制图是学生从事专业领域工作和研究的最基本技能。若能在机械制图教学中融入3D打印技术，可以使教学工作紧跟前沿科技发展动态，改变教师一个人讲、学生被动听的教学现状，充分发挥学生的主观能动性，激发学生主动学习和自主创新的积极性，进而提高课程的教学效果和教学质量。
1 机械制图课程的特点及教学中存在的问题
机械制图是工程类、特别是机械专业必修的一门重要技术基础课，是研究机械图纸的绘制（画图）和识读（看图）规律与方法的一门课程。该课程既注重理论知识的学习，又需要大量的实践巩固所学知识，使学生掌握其中的原理和方法，为培养学生的空间思维能力和绘图技能打下必要的基础;同时，它又是学习后续课程和完成课程设计、毕业设计等环节不可缺少的基础技能。
但是目前机械制图的教学过程中还存在一些常见的问题。
1.1 教学内容守旧单一
目前机械制图课程仍侧重于理论知识的讲解，实践的课时占的比例相对较少，而且学生多是通过二维剖面图的形式来认识零件，部分学校有实物供学生观摩学习，但也仅限于一两种简单结构的零部件，内容过于单一，学生缺乏对大部分零件内部构造的直观了解。更重要的是，教学内容和过程缺乏与领域发展前沿的有效融合，使学生难以与时俱进地接触学习这些前沿知识。
1.2 教学手段不够丰富
近年来，随着教学基础设施的完善与提高，大部分学校实现了多媒体教学，可以通过电脑、投影仪等设备播放PPT、视频等材料。这些内容的加入无疑使课程在原先只有教材和简单模型的基础上又进了一步，但实际取得的效果并不明显。大部分课堂上还是老师包办多、学生主动少。教师灌输知识多，而学生自学少，导致学生很多知识都缺乏理解。这样的情况导致学生的主观能动性受到了影响，不利于培养学生的学习兴趣和探索精神，也限制了学生的想象力[2]。
2 3D打印应用于机械制图课程教学的优势
将3D打印技术融入机械制图的课程教学中，可以完美利用3D打印的技术优势解决机械制图课程中所存在的问题。机械专业本身就需要将理论和实践相结合，而机械制图更是一门注重将理论运用于实际的课程。因此，将更多的实践内容引入课堂有利于提升学生的学习主动性，从而提高教学质量[3]。
3D打印的建模阶段为学生提供了建模的机会，学生需要在读懂二维平面图的基础上，利用建模软件将二维平面图转化为三维立体图，在这个过程中既锻炼了学生的读图能力，又锻炼了学生的空间想象力，而且将脑海中想象的三维图形呈现在建模软件中，便于纠正错误、加深印象。当然，3D打印最主要的优势还是能将各种复杂形状与结构的模型方便快捷地打印成真实的实物呈现，利用这个优势，教师可以提供丰富多样的模型供学生参考，学生可以直观观察模型结构，从而更准确地将三维实物图绘制成二维工程图。教师也可以利用学生对新兴技术的兴趣，鼓励学生自主建模，并在课堂上演示学生所建模型是如何打印成型的，进而让学生获得强烈、真实的认知体验和参与感，有利于进入深度学习状态。
3 3D打印应用于机械制图课程教学的具体实施方案
第一，在课程开始阶段，运用已有的多媒体手段，将课程大纲知识点介绍给学生，内容完整清楚，条理清晰，突出重点，使学生充分了解该课程的基础内容，对今后的学习方向有初步概念[4]。
第二，利用现有的简单模型，安排一次课堂绘图课，学生通过对照简单模型实物绘制二维工程图，在实践中熟悉所学基础理论知识，初步掌握绘图技巧与注意事项，教学课程中可多与老师同学进行讨论，尽可能多地解决盲点与误区，为之后的学习打下基础。
第三，老师对3D打印技术做具体介绍，使学生初步了解3D打印的特点及优势，充分激发学生的探索兴趣。然后根据课堂人数将学生分为若干学习小组，分组原则是每个小组需至少有一个熟悉三维建模软件的学生，教师给出特定的二维工程图，要求学生课后小组讨论，在正确识图的基础上进行三维建模，并于下次课堂上交所建模型，挑选出建模最准确的一组模型，用3D打印技术将其具现为实物，让学生初步感受到3D打印的魅力，并激發学生的学习兴趣和主动性。
第四，教师给学生布置大作业，小组成员通过自主设计或网上查找素材的方式，进行自主三维建模，每个小组交出一个三维模型作品，教师根据这些作品，挑选最具代表性与绘图可行性的模型，用3D打印技术将模型具现为实物，分发到各个小组手中，再进行二维工程图的绘制。学生对自己设计出来的新模型进行绘制，通过参与整个作品的设计并最终呈现为实物，让学生感受到学习的乐趣与全新的学习体验。
4 结语
通过分析机械制图课程教学存在的问题和3D打印技术优势，提出将3D打印融入机械制图的课程教学过程中，不仅能巧妙地将教材中抽象理论知识与实践技能有机融合，还能将最新的计算机图学融入教学过程中，同时丰富教学内容和教学手段，提高学生的学习兴趣和自主性，激发学生的创新思维，最终起到良好的教学效果，完美契合该课程的教学目的。
参考文献
[1] 李昕.3D打印技术及其应用综述[J].凿岩机械气动工具，2014（4）：36-41.
[2] 郭永凤.《机械制图》教学中存在的问题与对策[J].科技风，2017（23）：45.
[3] 花燕锋，张龙革.3D打印技术在教育中的应用研究[J].中小学电教，2014（6）：16-19.
[4] 周屹.基于3D打印技术在产品设计专业中教学改革探索[J].戏剧之家，2018（33）：103.
